不同地质条件下的隧道初支换拱施工技术及应用

■黄俊平

(福建省交通建设工程监理咨询有限公司，福州 350001)

初支换拱是隧道工程中最为常见的情形。由于复杂地质条件以及一些不可预测的外部因素，如气候等条件，致使隧道初期支护后的变形量较大，达到或超过了其预留值，缩小了二衬空间，严重影响支护体与围岩共支体系的稳定性。因此，在变形侵限的条件下，为了确保足够的二衬空间，需要破坏初支受力体系，使围岩的压力得到一定程度的释放再进行支护施工，即换拱施工。换拱的施工难度大，且有较大的潜在风险。因此，在不同的复杂地质条件下，需考虑不同的方法和措施来保证换拱的施工安全及质量。为此，以新塘隧道换拱施工为例，结合已有的研究和换拱施工经验，探讨几种不同地质条件下隧道的换拱施工工艺。

1 隧道换拱的地质条件类型

由于我国各种复杂地质条件，很多隧道工程因为初支变形过大，需要进行换拱处理，以保证足够的二衬空间。结合已有的研究和施工经验，总结几种比较常见的几种复杂地质条件下的换拱施工工艺，从而为本次新塘隧道换拱施工提供有效的参考。

1.1 软岩地质

软岩，除了强度低的特性外，还有许多其他特点，如在一定条件下发生显著的塑性变形等。对于隧道施工主要位于地表浅层，因此本文体积的软岩，主要针对节理性软岩。即岩体的节理比较发育，在一定的地质条件下极易发生显著的塑性变形，岩体自承能力较低，在加上地表水和裂隙水的影响，岩体的自承能力进一步降低。对于这种岩体中的隧道换拱施工，在已有的换拱监测监控体系下，很多研究者根据具体条件提出不同的施工方案。

李崇威等人[1]阐述了风化强烈和裂隙发育的V级围岩(BQ≤250)的特性，侧重分析隧道初支变形的原因，提出合理的换拱施工过程及控制方法，成功完成了换拱施工。马志国[2]分析了裂隙发育以及强风化的V级围岩的特性，结合工程实例针对浅埋公路隧道的换拱提出可行的实施方案，实现隧道工程的安全换拱。周大鹏等人[3]等人在详细勘察隧道V级围岩的变形后，通过及时合理的处理变形段位以及塌方地段，及时制定相关的决策方案，从而完成对围岩变形区段的换拱处理。秦海东等人[4]也讨论了软岩隧道初支换拱的施工技术。通过以上对软岩隧道初支换拱的施工技术阐述，软岩隧道初支换拱施工技术的总结如下：

(1)结合施工现场地质条件，分析初支变形的主要原因；

(2)提供完整的换拱监控测量体系，为换拱施工提供可靠的工艺参数；

(3)制定合理的换拱施工方案，针对软岩隧道而言，主要的工艺过程如图1所示。

1.2 黄土地质

图1 工艺流程图

基于黄土的特殊性质，一些工程人员对黄土隧道的换拱处理作了响应的研究和阐述[5-7]。对于在含黄土的地质条件下进行隧道换拱处理，其整个工艺流程与图1相近。其主要区别在于黄土的特殊性质不同，在换拱处理前需深入分析其侵限原因，以及地下水的发育情况，做好防水排水处理工作。其次是注浆环节的差异，由于黄土松散且雨水易膨胀软化。因此，在注浆前需要测试黄土的一些相关性质，以确定注浆管管长和注浆压力的控制。为了防止注浆过程中水对黄土的软化，需在注浆浆液中添加速凝剂-水玻璃，以加快浆体凝固起到良好的固结作用。详细的工艺流程如图2所示。

图2 工艺流程图

1.3 高应力地质

高应力因素是影响岩土工程地质工程的一个关键因素，对于浅部隧道的围岩体而言，其高应力状态与深部岩体的静水压力状态有所不同。浅部地应力是以构造应力为主，即水平应力一般大于垂直应力。因此，如果最大水平主应力的方向与隧道轴线方向的夹角偏大时，则严重影响隧道的稳定性。因此对于高应力隧道变形换拱施工的工艺讨论，主要是针对高应力条件下破碎岩体的加固作用，即是对换拱前进行加固围岩，时期稳定后在进行作业。贺冠军等人[8]在研究高应力隧道的换拱施工时，着重强调对换拱出的围岩进行加固处理，使其确保稳定后在进行换拱作业。赵华[9]在应对高应力隧道换拱时，也强调首先观测变形或垮塌状况，然后进行注浆加固处理，并严格控制注浆加固的相关参数，以确保围岩体的稳定后在进行换拱作业。

(4)偏应力地质

在隧道的开挖支护过程中，严重的偏压现象也会导致隧道出现严重的变形，甚至产生横向裂缝和错台。因此，对于因偏压导致的初支侵限，需进行换拱处理的隧道工程，李明耿[10]在研究中作了详细的介绍，其主要是对偏压的位置进行减压加固处理。然后按照设计的换拱施工工艺进行施工。

根据以上对不同地质类型隧道换拱施工的论述，隧道初支换拱总体思路基本是一致的，其不同点是在于对隧道变形的处理方式以及对不同地质条件下围岩的加固方式。因此，借鉴已有的成功经验对永杭高速A1标新塘隧道进口左洞ZK17+914～ZK17+944.4段初支部分侵限的位置进行初支拆换施工。

2 工程概况

2.1 水文地质情况

该换拱段距离洞口71m，洞顶覆盖层约30m，主要为坡积粉质粘土、残积粘性土及全风化变粒岩，未见破碎带、节理密集带、滑坡、崩塌等不良地质发育，无地表水系经过，地下水主要为基岩裂隙水及构造裂隙水。围岩岩性主要为全风变粒岩，以软岩为主，风化剧烈、无自稳能力、岩体以砂土状结构为主、手捏易碎；围岩水理性差，遇水易软化、崩解、坍塌；地下水较发育，以渗滴状-线流状出水为主。

2.2 原设计与设计变更

原设计新塘隧道左洞ZK17+858～ZK18+156段设计为Ⅴ级围岩，ZK17+858～ZK17+888支护型式为ZDK-1，初期支护为工20b钢支撑，间距0.6m/榀，二衬厚度55cm，采用钢筋混凝土结构；ZK17+888～ZK18+023支护型式为Z5-1，初期支护为工18钢支撑，间距0.5 m/榀，二衬厚度45cm，采用钢筋混凝土结构。

因围岩性质较差，故经现场勘查确认后，自ZK17+898位置开始，初期支护变更为：初期支护Φ25中空注浆锚杆变更为注浆小导管 (Φ50×5 mm)，施工辅助措施由F2-1变更为F2-5，锁脚砂浆锚杆变更为注浆小导管(Φ50×5 mm)；初期支护工 18 钢支撑、间距 0.5m/榀保持不变。并每10m进行一次围岩追踪确认，直至追踪至ZK18+023恢复原设计支护型式。

2.3 初支侵限分析

2017年11月中上旬连续降雨天气较多，11月14日突降暴雨，监控量测发现15日当天ZK17+911位置沉降量达-10.1mm，经检查该位置洞顶山体出现多条横向裂缝，延伸长度达30m，宽度达3～7cm，深度达1m。当即下达了停工指令停止掌子面掘进，经现场勘查后，决定进行小导管注浆加强，并持续监测沉降变形。经监测发现未施工仰拱段变形量扔在持续，完成仰拱段变形趋于稳定，且因掌子面围岩性质较差、上台阶拱脚位置受水浸泡更加受力不足，故经再次讨论，在变形段加强持续观测的同时，掌子面继续向前开挖，仰拱向前推进，尽快将初支封闭成环。

2017年11月28日中午，ZK17+936～ZK17+937段右侧壁中台阶开挖准备架立钢拱架时发生土体小塌方，长度约1.5m，高约3m，深度约1.5m，当即停工进行了反压回填。受此影响，ZK17+915～ZK17+940段中、下台阶连接位置变形加大，见明显“鼓包”，经现场勘查后，决定对该段连接板位置上下各增设一排注浆小导管，并牢焊于拱架上。至2018年1月准备进行二衬施工前，项目部采用激光断面仪对该段初支断面进行了全面扫描，发现ZK17+914～ZK17+944.4段内已多处侵限超过设计及规范限值，左侧侵限5～28 cm，右侧变形较大，其中ZK17+929～ZK17+937段右侧侵限达到 33～50 cm，故需对ZK17+914～ZK17+944.4段初支进行换拱处理，支护型式为Z5-1，初期支护为工18钢支撑，间距0.5 m/榀，二衬厚度45 cm，采用钢筋混凝土结构。另检查发现，ZK17+892～ZK17+914段已施作二衬段拱顶中线偏右侧约2 m位置出现一条纵向裂缝，延伸长度约22 m，宽度约2 mm。经现场勘查后决定，沿裂缝位置布设盖玻片监测裂缝扩展情况。

截至2018年5月9日，掌子面已施工至ZK18+113.5位置，ZK17+944.4～ZK17+992段二衬已施工，掌子面围岩为Ⅴ级，岩性主要为碎块状强风化变粒岩，以软岩-较硬岩为主，岩体呈碎裂状、裂隙状结构，地下水较发育、以渗滴状、线流状为主。换拱段落监控量测变形已趋于稳定，监测点布置如图3所示。原二衬开裂位置未发展、未出现新增裂缝，具备换拱作业条件。

图3 新塘隧道进口周边位移测点布置图

3 换拱施工方案

3.1 总体思路

换拱作业要注重施工安全，换拱作业期间掌子面开挖暂停、喷混封闭，总体思路是“先加固、后拆换”“跳四挖二”，其次换拱后，欠挖一次处理到位，防止换拱完成后出现二次侵限。

3.2 变形开裂段初支断面超欠挖检查

(1)测量组对初支变形地段每榀拱架进行断面净空检查，绘出超欠挖断面图；

(2)测量组根据技术交底在现场用油漆标出换拱的起止里程、部位，方便现场换拱施工。

3.3 换拱施工流程

换拱段两端先施作二次衬砌，确认换拱段落初期支护封闭、完成仰拱及仰拱填充施作、变形收敛稳定→施作临时支撑→换拱地段径向注浆→注浆效果检测→换拱部位施作超前小导管→施作保留初支 (上侧)端头锁脚导管→分单元凿除侵限段初期支护→开挖并安装型钢钢架→喷射混凝土→下一循环处理。换拱施工工艺流程如图4所示。

图4 换拱施工工艺流程图

(1)施作径向小导管

因初支施工过程中超前小导管已进行注浆处理，故换拱实施过程中需根据开挖情况及监控量测情况，有针对性地进行注浆处理。初步注浆段落为ZK17+927～ZK17+935段。

首先对该段初期支护打设L=5m、Φ50mm注浆小导管，沿隧道拱墙周壁进行围岩径向注浆加固。注浆钢管间距为 1m(环向)×1m(纵向)。 注浆采用 1∶1 水泥浆，采用 P.042.5普通硅酸盐水泥，，注浆压力1.2～1.4MPa，具体注浆压力根据施工过程中围岩变化、注浆情况适当调整。注浆前要对注浆设备及压力表进行检验，每次注浆前要确保压力表归零，安排专人观察注浆压力值。待浆液凝固后，结合净空测量数据，变形稳定后方可进行换拱处理。换拱前进行注浆效果效果检查评定：检查孔数量为钻孔数量的3%～5%，且不小于3个。

①检查孔法：通过检查孔进行观察，检查孔应成孔完整，涌水量应小于0.2L/(m·min)；

②检查孔取芯法：检查孔取芯率应达到70%以上，并观察浆液在地层空隙中的充填和胶结情况，以了解浆液扩散范围和评价注浆效果。

(2)拆除初期支护混凝土

拆除时首先采用风镐对初支混凝土分块破除，然后拱部(含拱脚)人工风稿配合机械方式拆除，气割割除原拱架及拱架连接筋，确保不破坏既有拱架受力。原初支拆除后人工与机械相结合扩挖至要求轮廓，重新支护预留变形量调整为15cm，扩挖后对岩面进行混凝土初喷。

初支拆换施工过程中，派专人加强安全防护、监控量测，发现异常情况立即采取应急措施并上报。

4 监控量测

施工中的监控量测是施工安全的保障，隧道换拱地段将监控量测作为工序引入作业循环，测量后及时处理量测数据，并与工程类比法相结合，及时作出评价，优化欠挖段初期支护参数，实施动态管理。隧道换拱地段监控量测每隔2 m进行布点监测，并建立测量台账，同一断面上、中、下导各设置两测点用于围岩收敛量测，拱顶设置一沉降观测点。监控量测工作由项目部测量小组及同济大学监测小组共同监测，进一步了解和观察欠挖段换拱时围岩动态发展情况。正常情况下监测频次2次/d，出现预警时，及时与项目部工程部联系，必要时增加监测频次。

5 结论

本文从四种不同的地质类型讨论隧道初支换拱施工方法。其主要从初支变形监测分析入手，强调初支变形监测分析和初支围岩加固的重要性。在对不同地质条件下隧道初支换拱过程中，其主要的不同体现在初支变形的原因和围岩体加固的方式不同。因此在对新塘隧道制定换拱方案时，主要从初支变形分析和变形围岩的注浆加固两个方面进行详细阐述，为该隧道换拱施工提供有力的参考。同时，该方案的实施完工后，工程质量安全满足设计要求和相关的质量标准，为其他隧道工程处理同类事件提供可靠经验参考。