高速鐵路隧道初期支護(hù)變形侵限換拱施工技術(shù)研究

摘要：為研究隧道初期支護(hù)變形侵限后快速有效處理的方法，文章以某高速鐵路隧道初支變形侵限為例，分析了該隧道初支變形侵限的原因，并提出了安全高效的換拱施工方案。此次換拱未出現(xiàn)任何安全事故，達(dá)到了降低對(duì)工期的影響、保證隧道施工質(zhì)量和運(yùn)營安全的目的，可為類似隧道初支變形侵限換拱施工提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道；初支變形；侵限；換拱施工

中圖分類號(hào)：U455.7 A 30 102 3

0 引言

大多數(shù)鐵路工程項(xiàng)目區(qū)域的地質(zhì)條件都是比較復(fù)雜的，地質(zhì)中土層的分布與強(qiáng)度等因素都會(huì)影響設(shè)計(jì)及施工的具體方向，設(shè)計(jì)方案對(duì)于鐵路工程建設(shè)的重要性不言而喻，其準(zhǔn)確程度是工程項(xiàng)目成功建設(shè)的關(guān)鍵。但在實(shí)際情況中，地質(zhì)勘察會(huì)受到很多因素的影響，使得勘察結(jié)果與實(shí)際要求出現(xiàn)一定的偏差。如地勘的偏差，隧道施工往往存在諸多不確定因素，如地質(zhì)條件較差、施工工藝不合理等，隧道開挖且初期支護(hù)完成后，拱部易受力變形、下沉侵限［1］。近年來，隨著眾多高速鐵路項(xiàng)目的建設(shè)實(shí)施，初支變形侵限事件時(shí)有發(fā)生，必須采取快速有效的措施處理，才能減少對(duì)工期的影響，保證隧道施工質(zhì)量和運(yùn)營安全。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某高速鐵路隧道位于廣西南寧市境內(nèi)，為低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，坡面植被發(fā)育，隧道最大埋深約為 163 m，最小埋深約為 12 m。隧道起訖里程為DK85+350～DK87+120.47，全長為 1 770.47 m，其中正洞洞身Ⅴ級(jí)圍巖總長為 1 184 m，Ⅳ級(jí)圍巖總長為 520 m，明洞及洞門總長為 66.47 m，設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道，線間距為 5.0 m。

1.2 初期支護(hù)變形地段原設(shè)計(jì)情況

隧道進(jìn)口DK85+832～DK85+935段埋深為 100～140 m，洞身地層巖性為寒武系小內(nèi)沖組砂巖夾泥：褐紅色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，礦物成分主要由石英、長石組成，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎，巖質(zhì)較軟。其中DK85+527～DK85+980段洞身圍巖物探揭示巖體電阻率低阻異常（反映巖體中裂隙發(fā)育破碎、含水），為中等富水區(qū)段，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

DK85+832～DK85+915段采用Va襯砌斷面進(jìn)行支護(hù)。超前支護(hù)為拱部設(shè)置 φ42 mm單層小導(dǎo)管注漿；初期支護(hù)采用I20工字鋼，鋼架間距為 0.8 m/榀；鎖腳錨管采用2根φ42錨管，長度為 4.0 m；拱墻設(shè)系統(tǒng)錨桿， φ8 mm單層鋼筋網(wǎng)片，噴射C25混凝土，厚度為 28 cm。施工工法為三臺(tái)階預(yù)留核心土法。

DK85+915～DK85+945段變更后采用Vc襯砌斷面進(jìn)行支護(hù)。超前支護(hù)為拱部設(shè)置 φ89 mm管棚+ φ42 mm小導(dǎo)管注漿；初期支護(hù)采用I22a工字鋼，間距為 0.5 m/榀；鎖腳錨管采用4根 φ42 mm錨管，長度為 6.0 m；拱墻設(shè)系統(tǒng)錨桿， φ8 mm單層鋼筋網(wǎng)片，噴射C25混凝土，厚 30 cm。施工工法為三臺(tái)階預(yù)留核心土法。

1.3 初期支護(hù)變形地段工程地質(zhì)及水文情況

1.3.1 DK85+832～DK85+935段工程地質(zhì)情況

該段屬低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，坡面植被發(fā)育，埋深為 100～140 m。洞內(nèi)地層巖性為寒武系小內(nèi)沖組泥質(zhì)膠結(jié)砂巖夾泥巖，地質(zhì)年代久遠(yuǎn)，經(jīng)歷多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，泥巖巖質(zhì)極軟；加之巖體賦水，泥巖浸水后進(jìn)一步軟化，呈軟塑狀，強(qiáng)度大幅衰減，圍巖自穩(wěn)能力極低，受施工擾動(dòng)易掉塊、坍塌。

1.3.2 DK85+832～DK85+935段水文情況

工點(diǎn)范圍內(nèi)地表水主要為季節(jié)性溝谷流水。地下水根據(jù)地層巖性的組合特征、含水介質(zhì)特征，與隧道關(guān)系較密切的地下水類型為基巖裂隙水，主要賦存于泥盆系、寒武系基巖裂隙中，主要靠大氣降水補(bǔ)給，動(dòng)態(tài)隨季節(jié)變化明顯，其中DK85+527～DK85+980段為中等富水區(qū)。工點(diǎn)區(qū)環(huán)境水不具侵蝕性。

2 初期支護(hù)變形侵限情況及原因分析

2.1 初期支護(hù)變形侵限情況

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)隧道進(jìn)口DK85+832～DK85+935段初期支護(hù)拱部下沉及周邊水平圍巖收斂變形較大，從而造成鋼架發(fā)生整體下沉及局部變形，不同程度侵占二襯厚度的情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，DK85+832～DK85+882.5段侵限位置主要為線路右側(cè)起拱線及線路右側(cè)邊墻，侵入二襯厚度為 5～22 cm；DK85+882.5～DK85+935段主要侵限位置為拱頂、線路左右側(cè)起拱線、邊墻，侵入二襯厚度為 3～36 cm。通過監(jiān)測(cè)，目前該段初期支護(hù)已處于穩(wěn)定狀態(tài)，為確保二次襯砌厚度和施工質(zhì)量，需對(duì)該段進(jìn)行換拱處理。

2.2 原因分析

（1）隧道進(jìn)口DK85+832～DK85+935段地層巖性為寒武系小內(nèi)沖組泥質(zhì)膠結(jié)砂巖夾泥巖，地質(zhì)年代久遠(yuǎn)，經(jīng)歷多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，泥巖巖質(zhì)極軟；加之本段圍巖巖體賦水，泥巖浸水后進(jìn)一步軟化，呈軟塑狀，強(qiáng)度大幅衰減。根據(jù)巖層走向：N20°E/45°S，當(dāng)隧道開挖切斷巖層后，造成隧道線路右側(cè)偏壓，導(dǎo)致周邊水平圍巖收斂變形增大。

（2）隧道開挖后，地下水的排泄通路發(fā)生了改變，改為向隧道內(nèi)滲入，在地下水向隧道滲入的過程中，隧道圍巖不斷軟化，圍巖穩(wěn)定性變差，初支承受的荷載不斷增加，當(dāng)不及時(shí)跟進(jìn)二次襯砌時(shí)，初期支護(hù)會(huì)發(fā)生較大變形，并侵入二次襯砌空間。隨著地下水的不斷滲入，中、上臺(tái)階初期支護(hù)鋼架底部圍巖不斷軟化，承載力大幅下降，從而造成拱部初支鋼架整體下沉。

3 施工方案

3.1 總體方案

換拱作業(yè)首先必須確保施工安全，總體思路是“先加固，后拆換”，通過利用超前小導(dǎo)管注漿對(duì)初期支護(hù)侵限段洞頂土體的固結(jié)進(jìn)行換拱，有水時(shí)采用徑向注漿加固洞周圍巖以防止換拱開挖時(shí)洞頂土體坍塌。換拱時(shí)，每次拆除一榀支護(hù)一榀。其次，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，DK85+832～DK85+892段預(yù)留變形量由前期的 20 cm調(diào)整為 25 cm，DK85+892～DK85+935段預(yù)留變形量由前期的 30 cm調(diào)整為 40 cm，以防止換拱完成后出現(xiàn)二次侵限。換拱后，DK85+832～DK85+915段由于初期支護(hù)及仰拱部分已施工，因此復(fù)合式襯砌按原設(shè)計(jì)Va襯砌類型進(jìn)行施工，二次襯砌及仰拱采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚度為 50 cm，仰拱厚度為 60 cm。DK85+915～DK85+945段復(fù)合式襯砌由原設(shè)計(jì)Va參數(shù)變更為采用Vc襯砌斷面進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，二次襯砌及仰拱采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚度為 55 cm，仰拱厚度為 65 cm。

3.2 施工工藝流程

測(cè)量檢查并標(biāo)示處理侵限段落部位→侵限段落小導(dǎo)管注漿加固洞周圍巖→開槽鑿除侵限拱架混凝土、切除連接鋼筋、鋼筋網(wǎng)片，拆除鋼拱架→測(cè)量檢查，開挖面初噴→安裝新鋼拱架→施工連接鋼筋、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨管等→噴射C25混凝土至設(shè)計(jì)厚度→開槽處理下一榀鋼拱架，重復(fù)以上工作步驟至換拱完成。

3.3 施工方法

3.3.1 拆換前準(zhǔn)備

3.3.1.1 封閉掌子面

掌子面暫停施工，采用C25網(wǎng)噴混凝土進(jìn)行封閉處理，厚度為 15 cm，保證掌子面穩(wěn)定及后續(xù)施工安全。

3.3.1.2 初期支護(hù)斷面復(fù)測(cè)

換拱前，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員配合測(cè)量班組對(duì)潘村隧道進(jìn)口DK85+832～DK85+935段目前所有已施工初期支護(hù)斷面尺寸進(jìn)行加密測(cè)量，準(zhǔn)確定位初期支護(hù)侵限部位，用紅油漆標(biāo)記范圍及侵限數(shù)值，并繪圖記錄，范圍直至初期支護(hù)內(nèi)輪廓大于設(shè)計(jì)內(nèi)輪廓 +5 cm位置，以防處理時(shí)正常段變形加大。

3.3.1.3 拆除 42 m長棧橋

因受初期支護(hù)侵限影響，二襯安全步距需縮短， 42 m長棧橋占用空間大，影響二襯緊跟仰拱，因此拆除 42 m仰拱長棧橋，后利用片石回填仰拱端頭，后期仰拱開挖采用 18 m簡(jiǎn)易棧橋。

3.3.1.4 增加臨時(shí)加固鋼架

為加強(qiáng)初期支護(hù)承載力，確保換拱施工安全，對(duì)既有初期支護(hù)采用臨時(shí)加固鋼架，設(shè)置范圍為初期支護(hù)混凝土變形開裂地段以及DK85+880～DK85+892需首先拆換鋼拱架段前后 2 m范圍。臨時(shí)加固鋼架采用I20a工字鋼，間距為 0.8 m/榀，鋼架采用I16工字鋼焊接連接，環(huán)向間距為 1 m，鋼架與初期支護(hù)密貼并采用C25噴射混凝土覆蓋。具體加固里程段落為：DK85+864.8～DK85+866.4段增加3榀I20a鋼架，DK85+873.2～DK85+874.8段增加3榀I20a鋼架，DK85+897.8～DK85+901段增加5榀I20a鋼架，DK85+910.6～DK85+912.2段增加3榀I20a鋼架，DK85+915～DK85+917.4段增加4榀I20a鋼架，DK85+922.2～DK85+927.8段增加8榀I20a鋼架。

3.3.1.5 增加臨時(shí)橫撐

DK85+904-DK85+935段上、中臺(tái)階增加臨時(shí)橫撐鋼架。臨時(shí)橫撐鋼架采用I18輕型工字鋼，結(jié)合主洞身鋼架間距，每2榀鋼架設(shè)置一處。臨時(shí)鋼架與洞身鋼架以螺栓連接，在洞身鋼架相應(yīng)位置焊接連接鋼板并預(yù)置螺栓孔，以便臨時(shí)鋼架連接［2］。臨時(shí)橫撐采用 φ22 mm連接鋼筋焊接成整體， φ22 mm連接鋼筋間距為 1 m。施工完成后采用C25混凝土回填密實(shí)，厚度為 20 cm，增強(qiáng)臨時(shí)橫撐剛度。臨時(shí)橫撐布置如下頁圖1所示。

3.3.2 加固圍巖

（1）DK85+832～DK85+892段初期支護(hù)（無水），仰拱初支、仰拱及仰拱填充已施作完成，整體穩(wěn)定，前期超前支護(hù)注漿已加固圍巖。

（2）DK85+892～DK85+935段初期支護(hù)（有水）拱墻范圍進(jìn)行徑向注漿加固洞周圍巖，保證拆換段落巖體穩(wěn)定，預(yù)防替換拱架施工造成二次擾動(dòng)變形加大，防止圍巖坍塌［3］。

（3）注漿施工方法：

①在洞身拱墻范圍沿隧道初期支護(hù)按環(huán)向間距 1.4 m、縱向間距 2.2 m、孔深 4 m，以梅花型鉆孔。

②采用快凝混凝土等錨固材料粘接鋼管與孔壁，利用噴混凝土施作止?jié){墻。

③實(shí)施壓漿，壓漿過程中進(jìn)行跳孔間隔壓漿，實(shí)施擠密型注漿。

④注漿過程中若發(fā)生串漿，則關(guān)閉孔口閥門或堵塞孔口，待其他孔注漿完畢后再打開閥門，若發(fā)生流水，則繼續(xù)注漿，直至每個(gè)孔達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)［4］。

3.3.3 拆換

優(yōu)先拆換DK85+832～DK85+846段、DK85+880～DK85+894段初期支護(hù)，并及時(shí)施工二次襯砌，隨后由兩段已施工二襯的大里程端逐步拆換。拆換從初期支護(hù)侵限范圍鋼架逐榀整環(huán)拆換［5］，至環(huán)向未侵限初支鋼架連接板位置，必須嚴(yán)格按照每次只拆除一榀鋼架，遵循“拆除一榀，支護(hù)一榀”的原則進(jìn)行初期支護(hù)的拆換。步驟如下：

（1）利用鋼筋掛布臺(tái)架或開挖臺(tái)架，在測(cè)量標(biāo)明初期支護(hù)已變形侵限的鋼拱架兩側(cè)各 25 cm處開槽，人工用風(fēng)鎬鑿出 15 cm寬凹槽，用手持鋼筋切割機(jī)或氧氣焊靠近需拆除鋼架端，切斷連接鋼筋和鋼筋網(wǎng)片，使需拆除拱架與初期支護(hù)整體結(jié)構(gòu)完全剝離。

（2）人工手持風(fēng)鎬鑿除剝離侵限部分拱架節(jié)段的噴射混凝土及包裹鋼架的噴射混凝土，鑿除總凹槽寬 60 cm（含鋼架 10 cm），找出連接板的位置并用氧氣焊切割連接板之間的螺栓，拆除初支鋼拱架。

（3）拱架拆除后，測(cè)量檢查開挖尺寸是否滿足要求，當(dāng)滿足開挖尺寸要求后及時(shí)對(duì)開挖面進(jìn)行初噴。

（4）按設(shè)計(jì)要求安裝新的鋼拱架。拱架安裝時(shí)，測(cè)量員嚴(yán)格對(duì)拱架進(jìn)行定位，技術(shù)員嚴(yán)格控制拱架的垂直度和中線偏位，堅(jiān)決杜絕二次換拱。焊接新鋼拱架和無侵限鋼架間連接鋼筋及鋼筋網(wǎng)片，施作系統(tǒng)錨桿，拱腳處設(shè)置4根長度為 4.0 m的鎖腳錨管并與鋼架進(jìn)行焊接。

（5）噴射混凝土施工之前再次檢查新鋼拱架尺寸是否正確，確保不造成二次換拱。將新安裝的鋼拱架與前一榀無侵限鋼架間采用噴射混凝土填充密實(shí)并滿足設(shè)計(jì)厚度。

（6）下一循環(huán)侵限鋼拱架拆換均按拆除一榀，支護(hù)一榀，逐榀拆換的要求，鑿除總凹槽寬 100 cm（含鋼架 10 cm），重復(fù)以上拆除、安裝步驟直至拆換完成。

4 結(jié)語

因?yàn)樗淼朗┕ぞ哂形粗约安淮_定性，所以在隧道施工中采用的開挖方法及支護(hù)參數(shù)應(yīng)為動(dòng)態(tài)變化的，其中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)必須作為一道工序納入施工管理，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)分析結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)整開挖方法，及時(shí)變更支護(hù)參數(shù)，這樣才能從根本上杜絕初期支護(hù)變形的發(fā)生。

本文所述的換拱施工工程未出現(xiàn)任何安全事件，且迅速按期完成變形段的換拱，證明按“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的原則施工，是隧道換拱施工安全行之有效的方法?？蔀轭愃扑淼罁Q拱施工提供參考。

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收稿日期：2022-11-28