隧道侵限换拱施工技术研究

摘 要：在隧道施工中，拱顶沉降过大，会造成局部侵入二次衬砌结构带来不利影响，本文针对隧道暗挖段施工过程中部分拱顶侵限情况进行分析，通过从施工、地质条件等方面综合分析，深入探讨隧道拱顶侵限的原因，提出了一些治理措施，以期对类似工程的施工具有借鉴意义。

关键词：隧道；侵限；换拱施工

1 工程概况

某隧道暗挖段起于X+XXX，止于X+XXX，全长260.75m，隧道下穿繁茂街道及河流。其中X+XXX-X+XXX为明暗交界处，采用Φ108大管棚+CRD法开挖施工，X+XXX-X+XXX段采用超前小导管+临时仰拱法施工。设计采用Ⅵ级围岩复合式衬砌，初支拱墙采用175钢拱架，间距0.65m/榀，二衬厚度60cm。

2 侵限情况

X+XXX-X+XXX段出现拱顶沉降过大，累计沉降最大在X+XXX断面处为724mm，此段局部侵入二次衬砌结构，最大侵限为X+XXX断面处56cm。为确保二次衬砌厚度和施工质量，拟对该段局部进行换拱处理。

3 侵限原因分析

从监控量测数据及现场实际情况观察分析，造成拱顶沉降量较大的原因主要有以下几个方面：

3.1施工原因

（1）施工过程中，施工工序斜街不紧密，个别循环开挖后，初支施工速度较慢，拱架未能及时落底，仰拱未及时封闭成环导致初支累计变形侵限。

（2）未严格按照临时仰拱法施工要求施工，个别部位未设置临时仰拱。

（3）施工过程中开挖进尺大，未严格按照上台阶每循环进尺1榀，中下台阶每循环不超过2榀，仰拱每循环不超过3m的要求开挖

（4）个别循环左右侧台阶未错开2-3米，且两侧经常同时开挖。

（5）仰拱基底积水排除不及时，导致基底长时间浸泡，降低了基底土承载力。

（6）开挖仰拱时扰动了基底土体，且基底清淤不到位，造成仰拱封闭成环后还连续下沉。

（7）土方开挖时在接近钢拱架拱脚处时未采用人工开挖，采用机械开挖扰動了拱脚处原状土，造成沉降。

（8）个别锁脚与钢拱架之间连接不到位，搭接长度不足，焊缝不饱满，钢筋网片及纵向连接钢筋未按设计要求施工。

（9）暗洞左侧降水井，未达到预期的降水效果。

3.2气候原因

由于洞顶覆盖层较薄，且以垃圾土为主，太原市本年度雨水较多，尤其是7、8、9三个月降雨量较大，雨水下渗后土体开始软化。洞身开挖前，按照设计要求，在隧道两侧打设降水井进行降水，降水后水位下降，土体空隙中水被抽出后，势必会造成土体收缩变形，从而引起拱顶下沉，初支侵限。

3.3管理原因

（1）前期由于监控量测数据出现错误，未能准确反应拱顶下沉量，导致拱顶下沉后，未能及时采取相应措施。此外由于部分点位布设不及时，量测数据未能反应布点前的沉降量，导致量测数据和现场实际沉降存在偏差。

（2）现场管理人员盯控不到位，开挖后立拱架不及时，暴露时间过长。个别拱架拱脚处夯实不到位，导致拱架未能落在坚实基面上，引起拱顶下沉。

（3）工法、工艺设计参数等交底未真正交到作业人员。

（4）现场管理人员责任心不强，未能严格要求施工工班按施工工艺进行施工。

（5）发现现场与设计不符时，采取措施不力，管理不当。

（6）现场技术员对设计工艺工法等掌握不太熟练，不能正确指导作业人员施工。

3.4地质原因

（1）X+XXX～X+XXX段洞顶覆土厚度实测为7～8米，表层3～4米为杂填土（主要为建筑及工业垃圾），下层为黄土及黏土，隧道围岩极为破碎，此外土体含水量较大，土体自稳能力极差，随着洞身开挖，应力释放集中作用在初支拱架上，导致拱顶下沉。

（2）由于土体强度较底，锁脚锚管起不到锁脚作用，钢拱架未被锁死，导致出现拱顶下沉。

4 换拱施工

4.1换拱前的技术准备工作

（1）测量班对初支侵限地段每榀拱架进行断面净空检查，并绘出超欠挖断面图。断面图所反映出的隧道超欠挖的里程、部位，综合研究确定出每段合理的换拱部位。

（2）监控量测班组需在换拱前布设好拱顶及收敛监测点，严密注意洞内的变形情况。换拱过程中随时观察洞内初支变形情况，变形过大时立即停止施工。

（3）换拱前先在换拱地段用14工字钢制作简易作业平台。

（4）换拱前先对侵限部位进行初期支护背后小导管预注浆加固地层，从大里程往小里程沿换拱部位环向打设φ42小导管注浆，小导管采用热轧无缝钢管，导管长4m，壁厚3.5mm。管口应埋设牢固，并有良好的止浆措施。注浆孔按梅花型布置。小导管孔口环向间距约100cm，纵向间距1.3cm（每隔两榀）布置。注浆孔采用风钻开孔，孔径约为44mm，注浆材料采用1：1普通水泥浆（注浆小导管布置如下图所示）。注浆压力：设计注浆压力（终压值）一般参考注浆处静水压力加上0.5～1.5MPa进行。

（5）然后根据初期支护断面测量成果，测量班需确定拱部初期支护侵限范围，在现场用红漆画出换拱范围，由大里程到小里程顺序反向施工。

（6）根据每榀拱架不同的换拱部位采取出有针对性的换拱方案，并进行技术交底。

4.2换拱原则

先利用小导管在换拱范围内进行预注浆，待注浆达到强度后，先对不需要更换拱架的拱脚部分进行加强锁脚锚管锁紧，方可对侵限部位初期支护分单元进行拆除。从已施工二衬段DK7+472向掌子面逐榀拆换，拆除采用液压破碎炮机辅助风镐进行，拆除顺序采用从下向上、先墙后拱的顺序进行拆换，拆除一段，支护一段。每次沿环向1节段，纵向1榀凿除钢架初期支护，割除侵限部分钢拱架、钢筋网片、连接筋后按设计开挖轮廓线人工修出欠挖部分土体（考虑20cm预留沉降量），然后重新挂设钢筋网片，更换新加工的钢拱架并进行可靠连接，然后喷射混凝土，完成一次换拱循环。换拱长度达到1个衬砌台车长度后，及时施做二次衬砌，保证二衬紧跟。

4.3施工步骤

（1）先对不需要更换拱架的拱脚部分进行加强锁脚锚管锁紧，加强锁脚采用Φ42的热轧无缝钢管，L-4m，施作方向与水平呈45°夹角，紧贴钢拱架施作，锁脚锚管与钢架之间采用直径Φ22的HRB400螺纹U型钢筋有效焊接，每个拱脚增设不少于4根锁脚锚管。

（2）待原钢架拱脚被锁紧后，再据断面测量结果凿除侵限部分初支喷射混凝土，割除侵限钢拱架、钢筋网及纵向连接筋。换拱前预先在每榀钢架切割位置下，人工清除欠挖部分土体，初喷4cm混凝土，安装钢筋网，钢筋网采用φ8㎜钢筋，网格尺寸为20×20㎝，搭接长度不少于20cm。钢筋网铺设要符合下列要求：（1）在初喷4cm混凝土后进行钢筋网铺设。（2）钢筋网片使用前要清除锈蚀。（3）开始喷射时，减小喷头至受喷面的距离，并调整喷射角度，减少喷砼的回弹量，要求钢筋网保护层厚度不得小于4cm。

（3）在钢架上确定侵限范围，量好切割拱架内弦长（即两点直线长度），沿半径方向切割钢架。

（4）先按Ⅵ级围岩钢架设计要求制作好HW175钢拱架，计算好下料长度，沿半径方向裁制已做好的钢架，备好过渡性连接工钢调节块。

（5）把焊好的钢架运至作业平台上拼装钢架，就位调整后定位。

（6）换上的新钢架与原钢架间用短节HW175型钢作为过渡性连接件，再分别在工字钢腹板和翼板上加强焊接。

（7）在新钢架上预留超前小导管孔洞，超前小导管采用Φ42的热轧无缝钢管，t=3.5mm，L=3.5m，环向3根/m，纵向两榀格栅一环，施工外插角10-15°，内注水泥浆。

（8）钢架间设纵向连接钢筋采用Φ22的HRB400钢筋，按环向间距1.0m设置，钢架与纵向连接钢筋尾部采用焊接，焊接接头处焊缝不小于10mm。换拱后按照原设计位置施作锁脚锚管，及时喷射混凝土封闭，完成换拱一个循环。

（9）同样方法依次换第二榀钢拱架，换拱至没有侵限的地段位置为止。

（10）待换拱长度达到1个衬砌台车长度后，及时施做二次衬砌，保证二衬紧跟。

4.4注意事项

（1）凿除喷射混凝土之前，必须先把喷射混凝土的凿除部分与不凿除部分在分界处切开分离，以防对不凿除部分混凝土有损伤。

（2）换拱时每次只能更换一榀，严禁两榀换拱同时施作。人工掏槽时注意预留沉降量不小于20cm。

（3）锁脚锚管打设牢固，U型钢筋与钢拱架之间焊接良好。

（4）在施工过程中做好监控量测工作，保证换拱完成后初支断面的净空符合要求，侵限部位必须一次清除到位，杜绝二次侵限。

（5）監控量测点的布设要与换拱作业同步进行，严格按要求布设好监控量测点，根据监测数据随时调整监测频率。

（6）对已换拱段，必须及时、分段进行衬砌。

5 结束语

隧道施工从勘测设计、施工管理、施工技术等方面都有值得总结的地方。只有提前掌握详细的地质资料，才能有效地优化设计，施工过程中才能有效地指导施工，在过程中出现问题时应及时进行分析与整治，及时采取针对性措施，以期实现隧道施工安全、高效，只有这样才能有效地确保隧道施工安全。

参考文献

[1]关宝树.隧道工程施工要点集[Μ].北京：人民交通出版社，2003

[2]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[Μ].北京：人民交通出版社，2010

[3]中华人民共和国铁道部.铁路隧道工程施工安全技术规程[Μ].北京：中国铁道出版社，2009

作者简介

周智武，男，助理工程师。2010年毕业于北京交通大学。

（作者单位：中铁六局集团有限公司太原铁建公司）