高速公路隧道换拱施工方案及流程分析

摘要 随着交通基础设施的不断发展，高速公路隧道的维护与更新日益重要，隧道换拱是高速公路隧道维护中的关键工程，涉及拆除旧拱、处理基础、安装新拱等多个步骤。该文重点探讨了高速公路隧道换拱施工的策略及流程，介绍了换拱施工前的准备工作，阐述了拱架拆除与新拱架安装的过程，此外还讨论了换拱后监控测量的措施和标准，以确保整个换拱施工过程的顺利进行和隧道结构的长期稳定性。

关键词 隧道换拱；施工方案；流程分析

中图分类号 U455 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）18-0098-04

0 引言

高速公路隧道作为现代交通网络的重要组成部分，其安全性与稳定性至关重要。在长期的运营过程中，隧道拱部可能会出现各种病害，需要进行及时的维修和更换，因此该文旨在深入研究和分析高速公路隧道换拱施工的方案及流程，为实际工程提供理论依据和实践指导。

1 工程概况

花山1号隧道进口端位于宁南县竹寿镇阳甸村境内，出口端位于宁南县松林镇花山村境内，花山1号隧道左洞起讫桩号为ZK268+219～ZK270+650，长2 431 m，V级围岩979 m，IV级围岩1 452 m；花山1号隧道右洞起讫桩号为K268+204～K270+660，长2 456 m，V级围岩1 010 m，IV级围岩1 446 m；共计2处车行横道、6处人行横道，全长198.85 m；紧急停车带2处，全长140 m；宁南端及攀枝花端洞口洞门形式均采取端墙式，不良地质有断层、冲沟、不稳定斜坡、崩塌、岩溶、瓦斯地层等。

花山1号隧道设计为双向分离式隧道，最大埋深325 m，拱高7.15 m，洞宽11.0 m。隧道断面采用三心圆曲线边墙式断面，上半圆半径为5.53 m，隧道建筑限净宽为11 m，净高为5 m，左线设计纵坡2.496/2 431 m，右线设计纵坡2.480/2 445 m。隧道洞身结构按新奥法施工原理进行设计，即以系统锚杆、喷射混凝土、钢筋网、钢架等组成的初期支护与二次模筑混凝土相结合的复合衬砌形式，二次衬砌采用C30防水混凝土。

2 隧道换拱成因

花山1号隧道出口端左线ZK269+980～ZK270+030段初支变形开裂，渗水，监控量测数据显示拱墙侵限严重，遂决定对该段初支施作护拱，加强支护，防止拱墙继续变形。现护拱施工已完成，经监测，拱墙已趋于稳定状态，遂决定对侵限部位拱墙进行换拱处理。

3 施工要求

（1）加强警戒与巡查

初支结构一旦发生变形或开裂，不仅可能危及施工安全，还可能给后续施工带来极大的隐患，因此对于初支变形的预防与应对措施，必须予以高度的重视。当发现初支结构出现变形段落时，应立即设置警戒线，以阻止无关人员靠近。在警戒线的设置过程中，应确保标识明显、易于识别，并配以必要的警示标语，以提醒人们注意安全，同时，对洞内已有的初支结构进行全面排查也是至关重要的。排查工作应细致入微，不留死角，以确保能够及时发现其他可能存在的变形或开裂段落，在排查过程中，若发现初支变形段落有增加的趋势，或者初支开裂变形的情况加剧，应立即启动预警机制[1]。

预警机制的启动意味着必须迅速撤离洞内相关人员，确保他们的生命安全，此外还应及时上报参建各方，以便各方能够迅速作出反应，共同应对初支变形带来的挑战。参建各方包括设计单位、施工单位、监理单位等，其各自拥有不同的专业知识和技能，只有协同合作，才能有效地解决初支变形问题。

通过加强施工现场的安全管理，增强工人的安全意识和操作技能，可以有效地减少初支变形的发生，完善施工方法和技术措施，以提高隧道施工的安全性和效率[2]。

（2）加强监控量测

加强洞内初支变形收敛的监控量测频率，一天监测两次，加密测量点，建议该段5 m布设一个点[3]。如变形过大或有异常及时反馈参建各方，同时，针对目前的情况，建议施工单位也同时对初支变形情况进行监测，若监控数据有异常应及时预警并上报参建各方。

（3）施工注意事项

加强既有初支的变形监测，包含初支裂缝观测、监控数据，若有异常立即上报，现场隐患排查、应急处治时应设置安全员旁站，若有异常及时撤出相关人员与设备。严禁在ZK269+980～ZK270+030段初支补强施工前，开挖此段下台阶，严禁在初期支护变形收敛之前浇筑二衬，二衬浇筑前必须对初期支护净空进行扫描检测，严禁二衬侵入隧道建筑限界。

4 施工工艺流程

换拱施工工艺流程如图1所示。

5 施工方法及步骤

（1）准备工作

测量组对初支变形地段的每榀拱架进行断面净空检查，检查内容包括拱架的尺寸、形状、位置以及变形情况等，通过数据分析和比对，测量组准确掌握每榀拱架的实际情况，基于断面净空检查的结果，绘制详细的超欠挖断面图，对比分析超欠挖断面图判断和调整施工方案。

（2）注浆管加固

拆除施工之前，进行现场勘查，对周边岩体的全面安全评估，检查隧道周围是否有开裂、掉块或其他可能表明岩体不稳定的安全隐患，确保周边环境安全后，进行注浆管的安装、注浆工作。打设L=3 m、φ42 mm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1 m（环向）×1 m（纵向）。注浆采用1∶1水泥浆，注浆压力1.2～1.4 MPa，计提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。

（3）监测及凿除侵限部位混凝土

换拱施工开始前，监测围岩变形、压力情况及拱顶下沉情况，保证围岩稳定和施工安全，对量测数据进行分析处理，掌握地层稳定性变化规律，及时调整、修整支护参数及施工方法。当隧道周边变形趋势有明显减缓说明隧道变形基本处于稳定状态，然后对拱架表面侵限位置的混凝土进行精细的凿除工作。进行剥离超挖施工前，在拱顶区域喷上一层混凝土，预防剥离超挖施工过程中可能出现的拱顶零星掉块，确保施工人员的安全。剥离完超挖部分的围岩后，为了防止新的掉块伤人，立即进行第二次喷浆作业，喷浆完成后，迅速架立拱架，确保隧道结构的稳定性和安全性[4]。

（4）拆除部位拱架

每次仅操作一榀拱架，遵循从上至下的顺序进行，先用人工风镐铲除喷射混凝土后，再松动螺丝，螺丝松动顺序为先一端完后，再松动另一端，松动另一端螺丝时，应用机械配合人工稳固拱架，使其两端螺丝拆除完后拱架不直接掉下砸伤人或砸坏物。第一榀采用风镐凿除的宽度略比钢支撑宽，凿除一节，安装一节钢支撑。换第二榀时，凿除宽度为第一榀与第二榀之前的设计宽度，严禁放炮或剧烈震动造成宽度过大，拱架安装完成后及时搭设锁脚锚杆进行固定，并与钢支撑焊接牢固，锁脚锚杆长度L=3.5 m，焊接好单层φ8 mm钢筋网后，喷射26 cm厚C20的混凝土，施工第三榀及第四榀方法同第二榀，在此过程中，严禁进行交叉作业，以确保施工现场的安全和秩序。

（5）安装新拱架

在拱架拆除后，立即更换新拱架是确保工程连续性和稳定性的关键步骤[5-7]，新拱架采用冷弯成型技术，冷弯成型技术能够精确控制拱架的形状和尺寸，从而满足工程要求。焊接部位必须严格避免出现假焊、漏焊现象，因为此类问题都可能导致拱架在受力时发生断裂，此外焊缝表面也不能有裂纹、漏焊等缺陷，为了确保拱架安装的准确性，架设拱架时，测量人员需要精确确定拱架所在里程点的中线、法线和高程。这些参数的准确性直接关系到拱架是否能够正确安装并发挥应有的支撑作用，在钢拱架架立过程中，连接螺栓的拧紧程度和数量都需要符合设计要求。此外，节点板必须紧密贴合并对正，以确保拱架的整体受力性能，拱脚下方的松渣和虚渣应及时清除，并在下方增加垫块以确保拱架的稳定性和受力均匀性，相邻拱架之间采用φ22 mm钢筋进行纵向连接，并通过焊接牢固地连接在一起。焊接可以增强拱架的整体稳定性，使其能够更好地承受来自上方的压力，在上导拱架中，每榀锁脚小导管的数量增加至四个，长度达到3 m。而在下导拱架中，每榀锁脚小导管的数量增加至两个，长度同样为3 m，这样的设计可以增加拱架在受力时的稳定性，并提高其承载能力。

（6）喷射混凝土

喷射混凝土的坍落度是反映混凝土流动性和可泵性的重要指标，在施工过程中，坍落度的控制至关重要。根据工程实践和相关研究，喷射混凝土的坍落度宜控制在80～120 mm范围内，此范围的坍落度既能保证混凝土的流动性，又能确保其在喷射过程中不易发生离析和泌水现象，从而保证喷射混凝土的均匀性和密实性[8]。

在喷射混凝土施工过程中，钢支撑起到了关键作用，首先钢支撑能够有效支撑喷射混凝土的初凝体，防止其变形和塌陷，其次钢支撑与喷射混凝土之间形成良好的黏结，使两者共同受力，提高整体结构的承载能力和稳定性，为了实现钢支撑与混凝土的紧密连接，施工过程中需先将钢支撑之间的空隙喷满混凝土，然后逐步覆盖整个钢支撑，确保钢支撑与混凝土之间的有效连接。

喷射混凝土作业应遵循分段、分片、分层依次进行的原则，首先从低洼处开始喷射，大致喷平后再自下而上顺序进行，每一层的喷射应覆盖前一层的一半，以保证混凝土的均匀分布和密实性，同时在喷射过程中要注意控制喷射速度和角度，避免混凝土产生冲刷和空鼓现象，此外喷射作业还应注意施工环境的温度和湿度等因素，以确保混凝土的质量和强度。

6 监测监控措施

换拱后，监控测量是隧道施工中至关重要的环节，其目的是通过对隧道的地质状态、拱顶沉降、地表沉降及周边位移等进行实时的量测，对围岩和支护、衬砌的力学行为以及其之间的力学关系进行观察和评价，从而确保隧道的稳定性和安全性。

在监控测量过程中，要进行洞内外观察，在隧道每次开挖完成之后，观察工作面状态、围岩变形、围岩风化情况，分析其完整性和稳定性，判断其与设计是否一致，此外还需观察是否存在裂隙和剥落，地表是否存在鼓起现象[9]。对于隧道洞外观察，重点应放在洞口段及浅埋段，观察地表是否出现裂缝、沉陷、边坡和仰坡稳定状态等，以判断隧道的开挖是否影响到洞外，监测控制标准和预警标准如表1所示。

（1）实测最大值或回归预测最大值应不大于允许值或设计最大值。

（2）根据位移速率判别：

1）当位移速率小于0.2 mm/d时，则认为围岩位移达到基本稳定；

2）当位移速率在0.2～1.0 mm/d时，应加强观测，做好加固的准备；

3）当位移速率大于1.0 mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护；

4）当位移速率大于5.0 mm/d时，加大监测频率，并报警，进行加固。

（3）根据位移时态曲线的形态判别：

1）当位移速率不断下降时（du2/d2t<0），表明围岩趋于稳定状态；

2）当位移速率保持不变时（du2/d2t=0），表明围岩不稳定，应考虑加强支护；

3）当位移速率不断上升时（du2/d2t>0），表示围岩进入危险状态，必须立即停止开挖，加强支护[10]。

8 结语

高速公路隧道换拱施工是一项技术复杂、安全要求高的工程，施工方案的设计首先必须基于详尽的现场勘查和安全评估，确保施工过程中的每一步都紧密衔接，减少安全隐患。其次，注浆作业和拱架安装是换拱施工中的关键环节，需要严格按照规范操作，确保施工质量和稳定性，监控测量和数据分析至关重要，其为及时调整施工方案、确保后续施工效果提供了有力支持。随着技术的不断进步和工程需求的不断变化，需要持续更新和完善施工方案，以适应新的挑战和需求。

参考文献

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[3]蒙江涛.浅谈豹子岔隧道换拱施工方案[J].公路交通科技（应用技术版），2016（8）：67-68.

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[10]杨维，张剑，侯小红.马垭口隧道变形换拱施工方案研究[J].交通标准化，2010（20）：125-128.