重载铁路隧道膨胀岩段换拱扩挖施工技术探讨

刘天钢

【摘要】本论文依托浩吉铁路土建工程18标段方山1号隧道，在施工阶段中，曾一度把泥灰岩判断为白云岩、凝灰岩，泥灰岩遇水后，容易引发二衬开裂、初支开裂等多种病害，严重影响了隧道结构稳定与安全。针对隧道膨胀性泥灰岩造成的病害，总结了一种隧道膨胀岩段换拱扩挖施工技术，解决了膨胀岩应急处理时拱顶严重变形侵限，确保了应急处理是膨胀岩洞段的安全。

【关键词】重载铁路;隧道;膨胀岩;换拱扩挖           【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.34.057

1、依托工程概述

本文依托工程为浩吉铁路土建工程十八标段方山1号隧道工程。在浩吉铁路方山1号隧道在施工阶段，曾一度把泥灰岩判断为白云岩、凝灰岩，主要是因为它们在干燥情况下，颜色、强度较为接近。随着雨季到来，泥灰岩遇水后，病害才逐渐被揭示出来，出现了二衬开裂、初支开裂、承载力不足等多种病害，严重影响了隧道结构稳定与安全。虽然在出现病害后进行加强支护、衬砌，但是在进行扩挖、变形钢架换拱施工时安全隐患极大，极易发生隧顶垮塌等安全问题。泥灰岩段施工中出现了多次变形严重超限情况，应急加固处理为施工的关键。

2、隧道膨胀岩换拱扩挖施工技术工艺原理

一种隧道膨胀岩段换拱扩挖施工方法包括应急处理加强的临时支拱和后续的换拱扩挖工艺，其中，临时支拱和换拱扩挖工艺均采用以原相邻支拱为一单元段、顺序单元依次施工工艺;即，从隧道入口段开始，首先完成第一单元的临时支拱施工，依次顺序完成余下单元的临时支拱后，再从隧道入口段开始，完成第一单元的换拱扩挖施工，依次顺序完成余下单元的换拱扩挖施工。具体见下图1。

一种隧道膨胀岩段换拱扩挖施工方法结构原理图（1）

一种隧道膨胀岩段换拱扩挖施工方法结构原理上图2（2）

具体施工工艺如下：

S1.在膨胀岩段增设5m径向注浆进行注浆加固;

S2.拱頂增设φ42、L=3.0m超前小导管;

S3.拆除施工单元中间临时支拱的工字钢架;

S4.凿除施工单元原既有钢架支拱之间的混凝土，凿除宽度为1.0m，喷射混凝土，拆除顺序，为先拱墙后边墙的原则进行，先拆除拱部混凝土，然后拆除变形严重的边墙混凝土，然后拆除另一侧边墙混凝土;

S5.扩挖至设计断面后，进行初喷支护，然后在施工单元原既有钢架支拱之间安装新格栅拱架，安装顺序原则为先安装入口端第一拱架、再顺序第二拱架;将施工单元原既有钢架支拱之间按隧道走向长度均分为四段，于第一段设置第一拱架、第三段设置第二拱架;

S6.重复S3、S4、S5进行后续一单元的施工;

S7.拆除施工单元的原既有钢架支拱和同一断面的临时支拱，扩挖至设计断面，连接两侧钢筋网片，喷射混凝土;

S8.重复上述步骤进行后续一单元的换拱扩挖施工。

3、隧道膨胀岩换拱扩挖施工技术主要施工方法

3.1变形段初支断面超欠挖检查

对初支变形地段每榀拱架进行断面净空检查，并绘出超欠挖断面图。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。

3.2换拱部位临时支撑加固及拆除

换拱前，首先对已施做的初期支护进行径向注浆及临时加固，防止在换拱的过程中局部变形过大导致塌方，在原有的钢架的位置架立临时支撑。

变形段采用横向支撑加固，采用Φ108钢管，横支撑每隔2.4m设置一处，在原初支钢架A单元与B单元接头处两端拱架连接处上下各400mm位置设置20cm×20cm×1.5cm钢垫板。并用Φ42mm钢管做斜撑对横支撑进行加固。每道横撑之间采用Φ42mm钢管做剪刀撑状加固，确保横撑不变形。

在拆除临时支撑时，必须保证前一榀换拱拱架已封闭成环，每循环换拱施工封闭成环后拆除下榀临时支撑。在换拱施工时要对下一拼临时支撑进行监控量测，如果数据有突变，则需要立即停止换拱作业对临时支撑进行加固，监测数据稳定后方可进行换拱作业。

3.3施作径向注浆

变形段初期支护打设L=5m、Φ42mm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2m（环向）×2m（纵向）。注浆采用1：1水泥浆，注浆压力1.0～1.5MPa，具体注浆压力根据施工过程中围岩变化、注浆情况、范围适当调整。

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。

3.4超前小导管

圆形扩挖断面拱部120°范围设Φ42超前注浆小导管，环向间距0.4m，每环设置28根;小导管每根长4.5m，纵向每2榀钢架施作1循环;外插角控制在5°～10°，可根据实际情况调整。超前小导管配合钢架使用，利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护。

3.5拆除初期支护混凝土

对换拱部位混凝土进行拆除，先拆除变形较大一侧，然后拆除变形较小一侧，混凝土拆除采取挖掘机（配置破碎锤、松土器）配合人工风镐的施工方式。

凿除循序为先拱后墙，拆除至钢筋网或连接筋混凝土面时，要优先切断钢筋网及连接筋，确保全部切断后方可对剩余混凝土进行凿除。在拆除喷射砼过程中对既有的钢筋网及连接筋采用水焊进行切割处理。拆除后进行扩挖至设计轮廓线，扩挖后对岩面进行混凝土初喷。初喷封闭围岩后再进行初期支护施工。

3.6架设工型钢及喷射砼

变形段架设工22型钢钢架，钢架间距为60cm，拱脚打设Φ50mm锁脚锚管，两边拱腰、拱脚及墙角每节点各2根，每根长5m，与岩面成45°角打设，注水泥浆;安装Φ8钢筋网，网格尺寸20×20cm，钢拱架处外露20cm作为搭接预留筋;纵向每2榀钢架采用Φ22mm钢筋纵向连接，环向间距100cm，外露10cm作为搭接预留筋;C25网喷射混凝土厚30cm。架立钢架按照先AB单元，再C单元，最后封闭成环的支护顺序进行。

3.7拆除原有钢架、新钢架安装

新钢架安装及混凝土支护完成4榀之后，可以拆除该范围内原有钢架，拆除顺序先拱部后边墙原则，扩挖凿除混凝土至设计断面，连接两侧钢筋网片及钢架连接筋，喷射混凝土支护。

（1）新钢架安装

钢架安装在初喷完成后进行。钢架间距0.6m/榀，每榀拱架之间纵向连接采用Φ22螺纹钢，环向间距1.0m。

A.连接筋与钢架、连接筋与连接筋应焊接牢固。

B.钢架各段间的连接采用螺栓连接，连接板间应密贴，螺栓必须拧紧，连接板连接无法密贴到位时，必须用钢板焊接密实。

C.钢架安装前应清除脚底下的虚砟及杂物，拱脚必须放在牢固的基础上。

D.架立时测量人员全过程进行测量控制，及时调整拱架的位置和高程，保证拱架的位置和高程符合要求。

（2）锁脚锚杆

每榀钢架在左、右侧拱脚打设Φ50mm锁脚锚管，墙角每节点各2根，每根长5m。

（3）纵向连接

钢架间纵向连接采用Φ22螺纹钢连接，环向平行布置，环向间距1.0m。连接筋的加工长度应大于钢架间距，施工过程中应预留出下一循环的搭接长度，连接钢筋纵应与拱架及钢筋网片焊接牢固。

（4）钢筋网片

钢筋网片采用φ8钢筋焊制，在钢筋加工场内集中加工。先用钢筋调直机把钢筋调直，再截成钢筋条，钢筋网片尺寸根据拱架间距综合考虑确定，网格大小为20cm*20cm布置。

3.8 喷射混凝土

喷射混凝土作业应采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序应自下而上，分段长度不宜大于6m。喷射时先将低洼处大致喷平，再自下而上顺序分层、往复喷射。

喷射混凝土分段施工时，上次喷混凝土应预留斜面，斜面宽度为200～300mm，斜面上需用压力水冲洗润湿后再行喷射混凝土。分片喷射要自下而上进行并先喷钢架与壁面间混凝土，再喷两钢架之间混凝土。边墙喷混凝土应从墙脚开始向上喷射，使回弹不致裹入最后喷层。分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，若终凝1h后再进行喷射时，应先用风水清洗喷层表面。

4、实施效果

隧道膨胀岩段换拱扩挖施工技术在浩吉铁路施工中成功用于多个隧道，不仅适用于隧道膨胀岩段施工，也适用于隧道拱顶岩溶地质处理，其中浩吉铁路方山1号隧道采用该技术扩挖换拱30m，其他软弱互层浅埋洞段采用该工法扩挖换拱55m;红土岭隧道两个岩溶洞段采用该技术扩挖换拱32m。同时该技术也在国际工程雅万高铁软岩隧道施工中应用，取得了较好地效果。

结语：

重载铁路隧道膨胀岩段换拱扩挖施工技术针对隧道膨胀岩自由膨胀率高的特性设计，与常规的换拱方法相比，该施工技术提高了隧道初期支护加套拱组合支护的抗变形能力，换拱时合理安排了拆除顺序，保证了套拱拆除过程中的隧道初期支护稳定，有效的控制了隧道膨胀岩石加固处理后的隧道净空，能够保证二衬厚度满足设计要求，对国内外类似工程施工有较高的参考价值和指导意义。

参考文献：

[1]石玉龙.膨胀岩隧道围岩参数反演与稳定性分析[D].西安理工大学硕士学位论文.

[2]秦文涛.芒巩隧道施工监测及初支变形超标段处治技术研究[D].中国地质大学（北京）硕士学位论文.

[3]许崇帮，王华牢.含石膏泥灰岩地质特点及隧道工程影响分析.交通运输部公路科学研究院橋梁隧道研究中心[J].地下空间与工程学报，2020年01期.