输水隧洞拱架侵限处理方案研究

许晗

（辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁沈阳 110003）

1 工程概况

辽宁省重点输供水工程二段施工五标输水隧洞长35 078.18 m，桩号95+860.00～130+884.18，纵坡i=0.031 15%。主洞TBM施工断面为圆形，开挖洞径8.5 m。卡机段所处的F64（ygf179）断层为压扭性，产状150°∠50°，可见断层泥及断层角砾岩。洞室围岩原岩为太古代二长花岗岩，以微风化为主，为较软岩～软岩。节理发育～极发育，节理面多平直光滑，张开，泥质充填。岩体较破碎～破碎，地下水一般呈渗水～滴水状态，局部呈线状流水～涌水状态。洞顶埋深为141.0 m，围岩类别为Ⅳ、Ⅴ类。卡机影响段桩号119+460.00～119+545.00，总长85.0 m，该段距离18号支洞交叉口2 133.4 m，距离17号支洞交叉口7 119.4 m，距离17号下游拆机洞室2 504.0 m。

2 TBM段施工拱架侵限情况简介

T8-2施工段桩号119+460.00～119+545.00范围内由于穿越F64断层及其影响带，在掘进时围岩较差，自稳性不强，TBM掘进出露护盾后极易发生掉块。其中，掘进119+514.00～119+508.40段时发生塌方，导致刀盘被困，当时经过专家组论证，采用砂浆回填、拱架加固、管棚支护、化学灌浆等措施，顺利脱困，但拱顶散落虚渣造成局部钢拱架侵限。

119+460.00～119+545.00段长85.0 m，共支立型钢拱架89榀，拱架间距0.8～1.2 m。受塌方及围岩掉块影响，在拱部存在不同程度的侵占二衬净空情况，其中119+530.00～119+506.00段（段长24.0 m）的23榀最大值达35.0 cm。各段落侵限情况见图1。

图1 T8-2段拱架侵限情况统计

3 拱架侵限原因分析

T8-2段在掘进时围岩较差，自稳性不强，TBM掘进出露护盾后极易发生掉块。在围岩出露护盾后必须立即进行立拱支护，护盾内的钢筋槽内满插钢筋排，钢筋排长4.0 m，为φ22螺纹钢。每掘进一环或半环，钢筋排上密布的石块将护盾和上榀拱架之间的钢筋排压弯，发生沉降，造成新立拱架侵限。为减少拱架侵限量，项目采用2台200 t千斤顶，配合拱架安装器尽量将拱架向上顶，在无岩石压在钢筋排上的情况下取得了较好的效果，但在钢筋排上部密布石块地段效果不好。

4 总体施工方案

根据现场实际情况及相关安全质量要求，对119+460.00～119+545.00段拱架侵限段拟定了3种处理方案。

4.1 换拱方案

对于拱架侵限在5.0 cm以下部分的拱架不作处理，5.0 cm以上部分的拱架进行拆除更换。

4.1.1 119+506.00～119+530.00塌方段处理

塌方段换拱前对塌方处理段拱顶进行喷混凝土封闭，采用潮喷工艺。采用雷达扫描检测出塌方段拱顶堆积体内钢构物位置，对119+530.00～119+506.00段洞顶堆积体进行加固注浆。在119+508.00处钻进φ127探孔，探明拱架顶部堆积体堆积厚度及塌腔深度。埋设2根φ127无缝管作为回填孔及观察孔，分别高出堆积体顶面20.0 cm和50.0 cm。采用混凝土输送泵向塌腔内回填50.0 cmC30细石混凝土，在塌腔顶部形成棚护。

4.1.2 换拱施工

采用机械配合人工对处理拱架进行拆除，拆除后清理开挖面至设计轮廓线，采用人工配合机械进行清撬处理，底部初支面侵限部分采用液压破碎锤进行处理。采用钢筋台架进行拱架及钢筋排安装，YT28风钻进行φ22锁脚锚杆钻进，锁脚锚杆长3.0 m。

换拱步骤：堆积体注浆→回填细石混凝土（塌方段）→拱架拆除→开挖面处理→测量放线→安装拱架→锁脚锚杆施工→安装钢筋排→下一榀拱架处理。

4.2 台车降30.0 cm方案

T8-2段边顶拱衬砌采用全圆钢模板台车进行施工，台车半径3 820 mm，升降油缸最大行程300 mm。台车模板横断面由1块顶模、2块侧模及2块小边模组成，两侧底脚小边模高差300 mm。详见图2。

图2 T8-2段边顶拱衬砌台车结构尺寸图

根据衬砌台车升降油缸的最大行程，台车在施工过程中的最大降幅为30.0 cm。

4.2.1 可行性分析

1）技术规范要求

规范要求，衬砌断面有侵限发生时，最大不超过过水断面的15%。

2）降台车后衬砌设计参数变化

根据现场拱架侵限程度，采取降台车方式后，拱顶衬砌厚度能得到满足，受影响最大为两侧边墙处衬砌厚度。降台车后衬砌断面变化见图3。

图3 T8-2段衬砌台车降低后隧洞断面尺寸图

从图3中可以看出：在台车高程降低30.0 cm时，拱顶90°范围内变量为21.8～30.0 cm，衬砌最大厚度为51.8～60.0 cm；台车断面从圆心高程下15.0 cm处开始衬砌断面侵入设计断面，在拱脚处最大侵入25.5 cm，最小衬砌厚度为5.8 cm，在清理初期支护喷混后，衬砌厚度为20.8 cm；C单元拱架顶端衬砌厚度最大为36.7 cm。

3）降台车后隧洞通水面积变化（见表1）

表1 T8-2段降台车前后衬砌断面通水面积变化统计表

由表1数据显示，降台车后的衬砌断面虽然总面积减少，但按照6.0 m设计水位线计算，实际过水断面面积不降反增，可满足设计要求。

综上所述，在将边墙处C单元拱架进行更换并对范围内断面进行扩挖后，衬砌厚度及各项指标均可满足设计要求。

4.2.2 施工方案

1）C单元拱架更换

边墙C单元拱架更换采用人工配合机械进行拆除，采用液压破碎锤进行岩面扩挖，装载机配合挖机对渣体进行清理，农用车运输至18号洞弃渣场。型钢拱架由18号洞洞口加工厂加工，农用车运输至工作面，采用人工进行安装。

扩挖段桩号为119+468.00～119+548.00，其中119+468.00～119+484.00段扩挖17.0 cm，119+484.00～119+492.00段扩挖20.0 cm，119+492.00～119+548.00段扩挖25.0 cm。

2）降台车安排

施工119+452.00～119+564.00段边顶拱二次衬砌时，在卡机段将衬砌台车顶部高程降低30.0 cm，根据拱架侵限情况，卡机段两端设置2～3模渐变段，渐变段衬砌台车两端高差为10.0～15.0 cm。T8-2段边顶拱衬砌由12号、18号台车进行编组跳仓施工，安排12号台车施工119+564.00～119+532.00，119+500.00～119+468.00段共4模渐变段，18号台车施工119+532.00～119+500.00段2模整体下降段及119+468.00～119+452.00段1模渐变段。

4.3 台车降15.0 cm方案

为最大程度降低处理拱架对边顶拱衬砌的影响，拟在不改变现有拱架侵限现状、小幅度降低边顶拱衬砌台车高程的情况下，提高衬砌混凝土标号，采用C40钢纤维混凝土进行119+452.00～119+548.00段边顶拱衬砌施工，加强隧洞衬砌结构强度。拟对119+484.00～119+532.00段3模整体下降15.0 cm，下降后的该段拱架部位的衬砌厚度在15.0～20.0 cm，拱架之间部位的衬砌厚度在35.0 cm以上。施工时安排12号台车施工119+468.00～119+484.00，119+532.00～119+548.00段共2模渐变段，18号台车施工119+484.00～119+532.00段3模整体下降15.0 cm段。

钢纤维混凝土可显著地改善混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，提高衬砌混凝土耐久性。拟采用钢丝端勾型钢纤维，长35.00 mm、直径0.75 mm，长径比45，体积掺量控制在1%，每立方掺量78.5 kg。

5 方案比选

5.1 工艺比选

5.1.1 换拱方案

优点：采用换拱方案可以不改变设计断面尺寸。

缺点：1）换拱方案在实施过程中需要作业台架，方案中为缩短工期使用钢筋台架，但这势必将影响洞内钢筋绑扎进度，若加工新台架，则直线工期将再延后5～7 d。2）TBM衬砌台车主门架内尺寸为3 100 mm×4 012 mm（宽×高），门架内为钢栈桥，台车在地面上的支撑靠两侧钢轨承担，在回填塌腔施工时，不能进行边顶拱衬砌施工。该年度TBM台车施工任务量较大，2台衬砌台车工序安排紧凑，在回填灌浆塌腔段时施工进度将受到影响。3）由于塌方段顶部堆积体情况不明，前期处理时，在拱顶处打设大管棚、注浆管、钢筋排等结构物，钻进回填孔时将多次遭遇这些钢构物，施工难度极大，可能引起工期延后。4）塌方段拱架更换存在极大的安全隐患。

5.1.2 台车降30.0 cm方案

优点：施工安全、便捷，台车降30.0 cm方案对拱部拱架不作任何调整，仅更换边墙处C单元拱架；施工效率高，左右侧错开施工，每次可施工2榀，且循环时间短，施工快捷、高效；工序简单、易操作，台车降30.0 cm方案在处理拱架时均为边墙处理，工序转换简单，可连续作业。

缺点：需变更此段衬砌设计断面；仰拱钢筋变形较大，需要做好完善的保护措施，施工完成后恢复钢筋线型工程量较大；台车定位较难，每模预计将延长定位时间2～3 h，施工至该段边顶拱衬砌时将无法达到2 d1模的进度指标。

5.1.3 台车降15.0 cm方案

优点：施工安全、便捷，台车降15.0 cm方案不对整个侵限拱架处理，施工过程中不对初期支护产生任何扰动，施工安全性高；对衬砌设计断面尺寸改变较小；仰拱钢筋不需要作处理。

缺点：需变更此段衬砌设计断面尺寸；钢纤维混凝土施工需要严格控制钢纤维掺量，否则在现场施工时容易产生堵管。

因此，台车降15.0 cm方案施工最为便捷、施工安全性最高，对洞内结构物几乎无影响。

5.2 经济比选

换拱方案预计总投入115.96万元，台车降30.0 cm方案预计总投入33.61万元，台车降15.0 cm方案预计总投入44.4万元。

5.3 工期比选

根据施工工期计划，换拱方案施工需要71 d，且不可预见性延期点多，在2017年6月30日才能施工完毕，边顶拱衬砌需要进行跳段施工；台车降30.0 cm方案需23 d，不影响边顶拱衬砌施工；台车降15.0 cm方案影响衬砌直线工期2 d。台车降30.0 cm方案对T8-2边顶拱衬砌直线工期无影响，台车降15.0 cm方案的影响可忽略不计，换拱方案对工期影响较大。

综上所述，台车降15.0 cm方案从安全性、可控性、工期要求等方面均要优于其他两个方案，在经济性上略差于台车降30.0 cm方案，但对衬砌结构尺寸的改变相对较小。综合考虑，台车降15.0 cm方案为最优施工方案。

6 结语

通过对TBM施工段拱架侵限原因的分析，并结合工程实际对拟定处理方案进行可行性分析及比选，最终确定出最优方案，为类似工程提供了较好的借鉴参考。