软弱围岩隧道换拱施工技术研究

吴 强

(福建厦蓉高速公路漳龙段扩建工程有限公司，龙岩 364000)

随着我国基础设施建设的快速发展，铁路、公路隧道建设已然成为各施工单位关注的焦点。 隧道施工过程中围岩地质条件的复杂多样与不可预见性， 常导致断面出现较大沉降和洞内围岩变形， 严重时会造成初支侵限的情况。 对于初支侵限情况较轻微的隧道区段需进行消缺处理，当初支侵限情况十分严重时，则需要对其进行换拱处理， 保证隧道二次衬砌达到设计厚度以维持支护体系的稳定。 隧道换拱施工实质上是打破原有受力体系的平衡， 建立新平衡的过程， 即对围岩压力进行先释放再约束。因此，隧道换拱处理危险性较大，难度较高，保证换拱施工过程的安全与质量等技术措施显得极为关键[1-2]。

目前，针对隧道施工过程中换拱处理，国内外已有一些工程实例和研究报道。张兴来[3]曾列举了两处工程实例分别介绍了初支、二衬的换拱过程和方法。 柴峰[4]结合黄坑一号隧道在软弱围岩施工过程中提出了相应的施工处理方案和相关建议。秦海东等[5]精确计算原安装拱架和改线后拱架位置，顺利完成隧洞初期支护钢架换拱过程。段沛[6]结合狮子垄隧道初期支护换拱施工的顺利实施提出了工艺技术创新。蒙江涛[7]根据豹子岔隧道总结了初支变形侵限处换拱施工的主要质量控制方法。马志国[8]针对V级围岩提出了换拱控制点。黄俊平[9]根据新塘隧道初支变形换拱总结出了不同地质条件下隧道初支变形换拱施工的差异和共同点。

本文以福建厦蓉高速公路扩建工程邦山隧道为依托工程， 对换拱前初期支护侵界及典型断面沉降位移进行分析，科学提出换拱方案，并对隧道换拱施工全过程进行记录分析与总结。 以此为今后类似围岩隧道施工提供经验，达到减少或避免换拱施工，节约施工成本的目的。

2 工程概况及地质情况

厦蓉高速公路扩建工程邦山隧道出口段位于福建省龙岩市新罗区红坊镇，属构造-剥蚀低山地貌，地形起伏较大，山坡较陡；邦山隧道施工起迄桩号为右洞YK144+700～YK145+711，长1011m；左洞ZK144+703.185～ZK145+719，长1015.815m；属长隧道。 隧道采用分离式双洞三车道布置，三车道地段开挖跨度16.7m，紧急停车带地段开挖跨度19.2m，属大跨度隧道。 邦山隧道双洞正常涌水量取值为5200m3/d， 双洞最大涌水量取值为17146m3/d；隧道岩溶发育地段、断层部位，为储水部位，水量较大。邦山隧道施工围岩以V 级围岩为主，V 级围岩原设计占比77%，根据现场情况变更后V 级围岩占比达到91%。邦山隧道现场围岩产状多为砂土状强风化粉砂岩， 夹少量碎块状强风化硅质岩或砂土状强风化泥质粉砂岩， 粉质粘土。地下水呈潮湿状，节理裂隙发育。整体围岩呈碎裂状-散体状，完整性与稳定性均较差。 强风化泥质围岩，加之地下水的影响，现场看来犹如淤泥一般。为施工带来了较大的不便。

3 初期支护侵限情况

邦山隧道共有三段换拱段， 换拱长度为98m。 其中YK145+000～YK144+960 的40m 初支损坏情况最严重，地质情况最为复杂。下面以该段作为详细研究对象。该段采用环形开挖预留核心土法进行施工。 在拱部120°范围内采用长度为5m，外径为50mm，壁厚为5mm 的无缝钢管作注浆处理设置超前支护；每环均将外插角度15°，纵向间距3.5m 无缝钢管打入围岩；初期支护采用工20b 钢支撑，纵向间距0.7m；拱墙施打长度4m 环向间距1m 梅花型布置的φ25 中空注浆锚杆；钢筋网片采用φ6 钢筋，制作间距20cm×20cm； 拱墙采用C25 喷射混凝土， 厚度28cm；设计预留沉降量为12cm。

YK145+000～YK144+960 段落 在2017 年9 月20 日开始进行上台阶施工， 于2017 年11 月23 日 完成拱脚以上部分初期支护，2017 年12 月17 日完成仰拱闭合。选取右洞YK144+990 为换拱典型断面，其初期支护断面扫描图如图1 所示。

图1 换拱段典型断面YK144+990 初期支护断面扫描图

典型断面YK144+990 于2017 年10 月6 日进行上台阶施工，10 月10～11 日上台阶落底逐渐稳定，10 月12日中台阶临近部分开挖，导致上台阶拱脚悬空，上台阶沉降加剧。 10 月15 日上中台阶连接，中台阶落底，10 月19日上中台阶沉降注浆趋于稳定。 10 月20 日下台阶临近部分开挖，上中台阶拱脚悬空导致沉降加剧。 10 月26 日下台阶落底，沉降速度开始趋于稳定。 10 月23 日仰拱初支开始闭合，沉降速度逐渐趋于稳定，此阶段全部荷载直接作用于初期支护结构上， 导致初期支护在后续一段时间开始扭曲变形、脱落，如图2 所示。 典型断面YK144+990 沉降情况如图3 所示。

图2 初期支护出现扭曲变形、脱落

图3 换拱段典型断面YK144+990 沉降数据图

开挖过程中， 施工基本处于溶洞或软弱土质围岩区域，时有地下水渗漏，围岩自稳能力差，现场揭露实际围岩与设计围岩有一定出入。 右洞换拱段围岩基本上为砂土状强风化泥质粉砂岩、粉质黏土、砂土，且多为溶洞填充物，完整性差，稳定性差，扰动易掉落。施作超前小导管振动时，拱顶土体容易掉落。 含水量较大，形成烂泥状土体。该段地表上有一处弃土场，经勘测弃土厚度比原地面高出20m，且弃土区植被稀疏、土质松软、地表水极易渗入。

该段在上台阶初支完成后，就出现了较大沉降。施工中对围岩地质、支护类型、预留沉降量均进行调整。 但还是不同程度地发生初期支护拱顶喷射砼剥落， 初期支护侧墙喷射砼开裂、凸起，拱架扭曲、断裂等现象，部分段落初期支护局部侵入二衬达70cm、部分段落初期支护整体下沉60cm，相应地表也产生多条横向裂缝。

4 原因分析

(1)地基承载力不足。该段地下水较为丰富，尤其拱脚及仰拱开挖后，有水渗出，软化隧道基底。 导致地基承载力不足支撑初期支护及围岩的荷载， 造成初期支护有不同程度的沉降，现场局部掌子面围岩产状如图4 所示。

图4 现场掌子面围岩产状(局部)

(2)直接荷载加大。据对原地表的测量得知，地表弃土场比原勘察地表厚20m，土堆处于换拱段正上方，局部已开裂，如图5 所示。弃土场地表植被稀疏，无截水、排水沟槽。 再加上降雨影响，加大直接作用在初期支护的荷载。

图5 地表弃土场

(3)初支结构强度不足。换拱段支护类型种类较多，换拱施工前有Z5、Z5-1、ZDK-1、ZDK-3 等多种支护类型，换拱后有ZDK-5 一种支护类型， 如图6 所示。 其中，ZDK-3 支护施工工序较为复杂， 现场施工水平有限，并不是双层同时施工， 且实施后实际效果并不能达到设计预想。

各支护类型及闭合后沉降量如表1 所示。

图6 支护类型布置示意图

表1 支护类型及闭合后沉降数据表

各支护类型现场监测最大沉降量与累计沉降量如图7 所示。

图7 支护闭合后沉降数据对比图

支护强度增强或者减弱都会引起沉降数据的变化，支护强度越强，闭合后沉降越小，反之亦然，故各支护形式强度为：ZDK-5＞ZDK-3＞ZDK-1＞Z5-1。 由各支护类型及闭合后前后现场监测的沉降数据对比， 分析结果表明换拱后支护闭合沉降量明显减小， 换拱前初期支护强度明显不足。

(4)施工不当。 隧道初期支护施工时存在诸多施工问题，施工钢拱架时，拱架法兰盘连接处孔位不准；高强螺栓连接不牢固；可靠度不高，易松动；U 型连接筋焊接不牢固，焊接质量不高；焊缝质量不能达到规范或施工方案要求；锁脚锚杆施打方向、角度和施作长度均不能达到设计要求；该段隧道拱脚与仰拱处钢拱架连接不顺畅；隧道施工采用人工施工为主， 较多的施工细节不能达到设计要求，如图8 所示。

图8 施工不当引起的不规范处

(5)管理不足。由于隧道工程技术度较高，项目部将隧道工程全部分包出去， 导致了项目部在现场施工的管控力度不足或不到位；施工组织安排力度不足；隧道施工不能严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针进行施工，换拱前换拱段闭合前后累计沉降量如图9 所示。

图9 换拱前换拱段闭合前后累计沉降对比图

更为重要的是，在软弱围岩施工，仰拱初支闭合时间的长短对初期支护沉降量具有较大影响， 初期支护产生的沉降量80%以上发生在闭合前。仰拱闭合后，初期支护基本趋于稳定状态，上中下台阶初支在完成后，由于管理原因，在一定程度上初期支护会发生沉降。而监控量测属于第三方委托性质， 导致监控量测反馈的信息存在不及时性，沉降变形已经反生并趋于稳定后才得到反馈信息；无法做到实时监测或者实时监测成本过高， 导致隧道施工不能在沉降变形过程中采取有效措施控制沉降变形。换拱前典型断面YK144+985 现场监测沉降数据如图10所示。

图10 换拱前YK144+985 典型断面监测沉降数据图

5 换拱施工措施

(1)换拱施工工艺

换拱作业要注重施工安全， 严格贯彻落实 “安全第一、预防为主”的思想方针，其施工总体思路为“稳、固、拆、换”四字。其中，“稳”指的是通过设置环向临时支护稳定和支撑原来拱架与围岩；“固” 是指利用施作环向小导管并进行注浆，通过注浆固结原拱架背后的围岩；“拆”是等到注浆达到预期效果后， 利用机械凿除临时拱架与原拱架，剥除侵限部分围岩；“换”是指测量放样后，迅速挂钢筋网、初喷，然后安装新拱架到合适位置并进行连接，焊接钢筋网、喷射混凝土封闭。 施工过程前后，对换拱区间段布设监控量测点，观测沉降变化情况。施工工艺流程如图11 所示。

图11 换拱施工工艺流程图

(2)设置环向临时支护

邦山隧道进行换拱施工前需要设置环向临时支护，并进行围岩注浆加固。 环向临时支护与原支护结构之间采用砼楔形块顶紧， 临时环向支护的钢支撑纵向间距为1m。 拱架之间纵向采用φ25@100 钢筋连接， 环向采用φ25@100U 型箍嵌入初支， 并在拱顶及两侧拱腰各增设一根φ50mm 注浆小导管(小导管长L=3.5m，与U 型箍筋焊牢)。 底部采用C25 砼垫块垫实，并采用30a 槽钢作为托梁。 环向临时支护的钢拱架拱脚应该设置在坚实的基础之上，严禁拱脚悬空。 临时支护的锁脚采用φ89 锁脚小导管并注浆。 临时支护的目的是加强对换拱段变形的控制。 在施工过程中，换拱段还存在较大变形。 有必要在环向临时支护加竖撑以保证结构安全。 且注意钢拱架各焊接接头是否有拉裂现象， 若有发现及时进行补焊和加固相邻区域。 临时支护安装如图12 所示。

图12 临时支护安装图

(3)径向小导管注浆

径向注浆加固范围为隧道开挖轮廓线外5m，纵向范围为侵限换拱段落。 小导管采用φ50mm×5mm 热轧无缝钢管，长度5m；拱墙：环向间距1.0m，纵向间距1.0m，梅花型布置。 注浆材料采用普通水泥浆液，水灰比为0.5∶1，设计注浆压力(终压值)为0.5∶1MPa(注浆施工前，先进行注浆试验，已调整注浆参数)。 注浆施工过程中，观察并记录注浆情况，包括孔位、孔深、孔径、浆液配比、注浆压力、注浆量、跑浆。 漏浆、串浆等。 同时应该根据浆液扩散情况、注浆量、注浆压力等调整注浆参数。

在注浆结束后， 待浆液凝固后及时钻取检查孔对注浆效果进行检查确认， 检查孔数量不少于注浆孔数量的5%；检查孔径均应取芯，检查孔应该成孔完整，钻孔取芯率达到80%以上，浆液填充率达到80%以上，便可认为注浆达到效果。 注浆效果检查完成后，检查孔应封填密实。注浆效果满足设计要求后方可进行隧道开挖(凿除临时支护与原支护结构)。

(4)凿除临时支护与原支护结构

换拱段凿除遵循先墙后拱、 先下后上、 一边起一边落、先临时后原支护的原则，避免拱架掉落、塌方隐患。

①首次凿除(开口)

临时支护与原支护结构拆除都采用冲击锤破开凿除，如图13 所示。先选择2 榀间距2.1m(钢拱架与相邻钢拱架通过70cm 连接筋连接)临时支护拱架，利用冲击锤凿除临时支护的喷射混凝土、钢拱架、连接筋等。 等环向临时支护结构全部凿除，再破开原支护结构，凿除过程与凿除临时支护结构一致。原支护结构全部凿除后，迅速进行测量放样，确定进一步开挖深度(包括预留30cm)。等到开挖至符合要求的轮廓线时， 迅速进行初喷作业封闭围岩。

图13 首次凿除(开口)示意图

②后续凿除(两边走)

首次两榀钢拱架通过连接筋、钢筋网片、锚杆、喷射混凝土等联结在一起形成一个稳定结构。 冲击锤便可以沿着开口向两边继续凿除(凿除过程纵向仅能向一边进行)，凿除间距70cm，如图14 所示。 凿除临时支护与原支护结构，迅速进行测量放样，确定进一步开挖深度(包括预留变形量30cm)。 待到开挖至符合要求的轮廓线时，迅速进行初喷作业封闭围岩。

图14 后续凿除(两边走)示意图

(5)安装新初期支护结构

初期支护采用喷、网、钢支撑支护。 对原支护结构断面扫描图与变更后设计断面图的分析， 在加工厂选用工25b 钢材预制一定弧度，运送至现场拼装。 工25b 钢支撑共分5 段通过法兰盘连接。 法兰盘采用高强度M20 螺栓连接，连接不牢固，不稳定可用焊接处理。 工25b 钢支撑采用φ25 的U 型筋连接。 搭接处双面焊接处理。 Φ8mm钢筋网片20cm×20cm 焊接在钢拱架上， 留24cm 搭接长度。 超前小导管通过工25b 钢支撑预先切割的小孔打入围岩中，长度4m，角度在30°～45°，小导管端头安装或焊接注浆阀门。 采用厚度35cm 的C25 喷射混凝土进行封闭，喷射稳固，保证表面平整，强度符合设计要求。

(6)新旧初期支护连接处理

隧道换拱段的仰拱砼已经浇筑完成， 为了不影响原平衡状态与工期，避免由破除仰拱带来的较大风险。在安装新钢支撑时， 需要将新支护钢支撑与原支护钢支撑保持在同一断面。 通过设置一块搭板将两者连接，如图15所示。

图15 新旧初期支护连接处理图

(7)监控量测

邦山隧道换拱通过监控量测确保换拱施工安全以及确定换拱段落二次衬砌施作时间。监控量测通过对洞内、外观察、拱顶下沉、净空变化、拱脚下沉、临时钢架应力等项目的观察， 利用监测数据进行分析和预测隧道施工的安全性与稳定性。在换拱施工的全过程，监控量测必须全程布设和监测， 为现场人员生命财产安全提供必要的保障和预警。 监控量测作业流程如图16 所示。

图16 监控量测作业流程

换拱前，应对换拱段所有已布设测点进行复测，记录并汇总换拱前的原始监测数据。换拱过程中，对已换拱完成的段落必须及时重新布点进行观测， 测量后及时处理量测数据，与换拱前的原始数据对比，及时作出评价，作为调整和修改支护参数及施工方法的依据， 提供围岩和支护衬砌最终稳定的判断信息。

重新布设的拱顶下沉观测点及净空收敛点观测点按2m 一个断面布设， 并且在换拱完成后6h 内进行第一次观测，仪器采用高精度全站仪，观测频率为每天两次，以充分观测围岩及初期支护结构的变化， 直至二衬完成后为止；同时洞顶原地表，每5m 一个断面布设地表下沉观测点，以观测地表沉降情况。 对初支侵限较大处，增设绝对位移监控点，包括拱架连接板和应力集中处。

需要注意的是， 监控量测点的布设要与换拱作业同步进行，每天定时分析数据，根据数据绘制位移-时间曲线图，根据测点位移变化速率判断围岩稳定状况，充分了解和掌握换拱时围岩动态发展情况， 指导施工作业。

6 总结

通过对邦山隧道软弱围岩条件下换拱前后施工过程的详尽记录、科学研究和分析，确保了换拱施工的成功。换拱后的监控量测结果表明，初期支护结构稳定，不存在二次侵限情况。此次换拱施工的成功，可为今后软弱围岩隧道施工提供指导。

此次换拱施工总结如下：

(1)事前管控。避免换拱侵限换拱情况的发生，通过上述原因分析可以采取相应的措施。 隧道施工过程中加强对现场围岩的勘察，对比分析，及时进行变更施工；软弱围岩施工时，应该严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”十八字原则进行施工；隧道施工应完善施工分包模式，加强现场管控能力。

(2)事中控制。 严格控制换拱施工的质量与安全，避免二次侵限和人身财产损失情况的发生。 把控施工质量，控制施工细节，换拱全程质量监督；换拱全程监控量测实时跟进并及时反馈；安全措施布置到位，避免安全事故。