吳 強(qiáng)

(福建廈蓉高速公路漳龍段擴(kuò)建工程有限公司，龍巖 364000)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路、公路隧道建設(shè)已然成為各施工單位關(guān)注的焦點(diǎn)。 隧道施工過程中圍巖地質(zhì)條件的復(fù)雜多樣與不可預(yù)見性， 常導(dǎo)致斷面出現(xiàn)較大沉降和洞內(nèi)圍巖變形， 嚴(yán)重時會造成初支侵限的情況。 對于初支侵限情況較輕微的隧道區(qū)段需進(jìn)行消缺處理，當(dāng)初支侵限情況十分嚴(yán)重時，則需要對其進(jìn)行換拱處理， 保證隧道二次襯砌達(dá)到設(shè)計厚度以維持支護(hù)體系的穩(wěn)定。 隧道換拱施工實質(zhì)上是打破原有受力體系的平衡， 建立新平衡的過程， 即對圍巖壓力進(jìn)行先釋放再約束。因此，隧道換拱處理危險性較大，難度較高，保證換拱施工過程的安全與質(zhì)量等技術(shù)措施顯得極為關(guān)鍵[1-2]。

目前，針對隧道施工過程中換拱處理，國內(nèi)外已有一些工程實例和研究報道。張興來[3]曾列舉了兩處工程實例分別介紹了初支、二襯的換拱過程和方法。 柴峰[4]結(jié)合黃坑一號隧道在軟弱圍巖施工過程中提出了相應(yīng)的施工處理方案和相關(guān)建議。秦海東等[5]精確計算原安裝拱架和改線后拱架位置，順利完成隧洞初期支護(hù)鋼架換拱過程。段沛[6]結(jié)合獅子壟隧道初期支護(hù)換拱施工的順利實施提出了工藝技術(shù)創(chuàng)新。蒙江濤[7]根據(jù)豹子岔隧道總結(jié)了初支變形侵限處換拱施工的主要質(zhì)量控制方法。馬志國[8]針對V級圍巖提出了換拱控制點(diǎn)。黃俊平[9]根據(jù)新塘隧道初支變形換拱總結(jié)出了不同地質(zhì)條件下隧道初支變形換拱施工的差異和共同點(diǎn)。

本文以福建廈蓉高速公路擴(kuò)建工程邦山隧道為依托工程， 對換拱前初期支護(hù)侵界及典型斷面沉降位移進(jìn)行分析，科學(xué)提出換拱方案，并對隧道換拱施工全過程進(jìn)行記錄分析與總結(jié)。 以此為今后類似圍巖隧道施工提供經(jīng)驗，達(dá)到減少或避免換拱施工，節(jié)約施工成本的目的。

2 工程概況及地質(zhì)情況

廈蓉高速公路擴(kuò)建工程邦山隧道出口段位于福建省龍巖市新羅區(qū)紅坊鎮(zhèn)，屬構(gòu)造-剝蝕低山地貌，地形起伏較大，山坡較陡；邦山隧道施工起迄樁號為右洞YK144+700～YK145+711，長1011m；左洞ZK144+703.185～ZK145+719，長1015.815m；屬長隧道。 隧道采用分離式雙洞三車道布置，三車道地段開挖跨度16.7m，緊急停車帶地段開挖跨度19.2m，屬大跨度隧道。 邦山隧道雙洞正常涌水量取值為5200m3/d， 雙洞最大涌水量取值為17146m3/d；隧道巖溶發(fā)育地段、斷層部位，為儲水部位，水量較大。邦山隧道施工圍巖以V 級圍巖為主，V 級圍巖原設(shè)計占比77%，根據(jù)現(xiàn)場情況變更后V 級圍巖占比達(dá)到91%。邦山隧道現(xiàn)場圍巖產(chǎn)狀多為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖， 夾少量碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖或砂土狀強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖， 粉質(zhì)粘土。地下水呈潮濕狀，節(jié)理裂隙發(fā)育。整體圍巖呈碎裂狀-散體狀，完整性與穩(wěn)定性均較差。 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)圍巖，加之地下水的影響，現(xiàn)場看來猶如淤泥一般。為施工帶來了較大的不便。

3 初期支護(hù)侵限情況

邦山隧道共有三段換拱段， 換拱長度為98m。 其中YK145+000～YK144+960 的40m 初支損壞情況最嚴(yán)重，地質(zhì)情況最為復(fù)雜。下面以該段作為詳細(xì)研究對象。該段采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法進(jìn)行施工。 在拱部120°范圍內(nèi)采用長度為5m，外徑為50mm，壁厚為5mm 的無縫鋼管作注漿處理設(shè)置超前支護(hù)；每環(huán)均將外插角度15°，縱向間距3.5m 無縫鋼管打入圍巖；初期支護(hù)采用工20b 鋼支撐，縱向間距0.7m；拱墻施打長度4m 環(huán)向間距1m 梅花型布置的φ25 中空注漿錨桿；鋼筋網(wǎng)片采用φ6 鋼筋，制作間距20cm×20cm； 拱墻采用C25 噴射混凝土， 厚度28cm；設(shè)計預(yù)留沉降量為12cm。

YK145+000～YK144+960 段落 在2017 年9 月20 日開始進(jìn)行上臺階施工， 于2017 年11 月23 日 完成拱腳以上部分初期支護(hù)，2017 年12 月17 日完成仰拱閉合。選取右洞YK144+990 為換拱典型斷面，其初期支護(hù)斷面掃描圖如圖1 所示。

圖1 換拱段典型斷面YK144+990 初期支護(hù)斷面掃描圖

典型斷面YK144+990 于2017 年10 月6 日進(jìn)行上臺階施工，10 月10～11 日上臺階落底逐漸穩(wěn)定，10 月12日中臺階臨近部分開挖，導(dǎo)致上臺階拱腳懸空，上臺階沉降加劇。 10 月15 日上中臺階連接，中臺階落底，10 月19日上中臺階沉降注漿趨于穩(wěn)定。 10 月20 日下臺階臨近部分開挖，上中臺階拱腳懸空導(dǎo)致沉降加劇。 10 月26 日下臺階落底，沉降速度開始趨于穩(wěn)定。 10 月23 日仰拱初支開始閉合，沉降速度逐漸趨于穩(wěn)定，此階段全部荷載直接作用于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上， 導(dǎo)致初期支護(hù)在后續(xù)一段時間開始扭曲變形、脫落，如圖2 所示。 典型斷面YK144+990 沉降情況如圖3 所示。

圖2 初期支護(hù)出現(xiàn)扭曲變形、脫落

圖3 換拱段典型斷面YK144+990 沉降數(shù)據(jù)圖

開挖過程中， 施工基本處于溶洞或軟弱土質(zhì)圍巖區(qū)域，時有地下水滲漏，圍巖自穩(wěn)能力差，現(xiàn)場揭露實際圍巖與設(shè)計圍巖有一定出入。 右洞換拱段圍巖基本上為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉質(zhì)黏土、砂土，且多為溶洞填充物，完整性差，穩(wěn)定性差，擾動易掉落。施作超前小導(dǎo)管振動時，拱頂土體容易掉落。 含水量較大，形成爛泥狀土體。該段地表上有一處棄土場，經(jīng)勘測棄土厚度比原地面高出20m，且棄土區(qū)植被稀疏、土質(zhì)松軟、地表水極易滲入。

該段在上臺階初支完成后，就出現(xiàn)了較大沉降。施工中對圍巖地質(zhì)、支護(hù)類型、預(yù)留沉降量均進(jìn)行調(diào)整。 但還是不同程度地發(fā)生初期支護(hù)拱頂噴射砼剝落， 初期支護(hù)側(cè)墻噴射砼開裂、凸起，拱架扭曲、斷裂等現(xiàn)象，部分段落初期支護(hù)局部侵入二襯達(dá)70cm、部分段落初期支護(hù)整體下沉60cm，相應(yīng)地表也產(chǎn)生多條橫向裂縫。

4 原因分析

(1)地基承載力不足。該段地下水較為豐富，尤其拱腳及仰拱開挖后，有水滲出，軟化隧道基底。 導(dǎo)致地基承載力不足支撐初期支護(hù)及圍巖的荷載， 造成初期支護(hù)有不同程度的沉降，現(xiàn)場局部掌子面圍巖產(chǎn)狀如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)場掌子面圍巖產(chǎn)狀(局部)

(2)直接荷載加大。據(jù)對原地表的測量得知，地表棄土場比原勘察地表厚20m，土堆處于換拱段正上方，局部已開裂，如圖5 所示。棄土場地表植被稀疏，無截水、排水溝槽。 再加上降雨影響，加大直接作用在初期支護(hù)的荷載。

圖5 地表棄土場

(3)初支結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。換拱段支護(hù)類型種類較多，換拱施工前有Z5、Z5-1、ZDK-1、ZDK-3 等多種支護(hù)類型，換拱后有ZDK-5 一種支護(hù)類型， 如圖6 所示。 其中，ZDK-3 支護(hù)施工工序較為復(fù)雜， 現(xiàn)場施工水平有限，并不是雙層同時施工， 且實施后實際效果并不能達(dá)到設(shè)計預(yù)想。

各支護(hù)類型及閉合后沉降量如表1 所示。

圖6 支護(hù)類型布置示意圖

表1 支護(hù)類型及閉合后沉降數(shù)據(jù)表

各支護(hù)類型現(xiàn)場監(jiān)測最大沉降量與累計沉降量如圖7 所示。

圖7 支護(hù)閉合后沉降數(shù)據(jù)對比圖

支護(hù)強(qiáng)度增強(qiáng)或者減弱都會引起沉降數(shù)據(jù)的變化，支護(hù)強(qiáng)度越強(qiáng)，閉合后沉降越小，反之亦然，故各支護(hù)形式強(qiáng)度為：ZDK-5＞ZDK-3＞ZDK-1＞Z5-1。 由各支護(hù)類型及閉合后前后現(xiàn)場監(jiān)測的沉降數(shù)據(jù)對比， 分析結(jié)果表明換拱后支護(hù)閉合沉降量明顯減小， 換拱前初期支護(hù)強(qiáng)度明顯不足。

(4)施工不當(dāng)。 隧道初期支護(hù)施工時存在諸多施工問題，施工鋼拱架時，拱架法蘭盤連接處孔位不準(zhǔn)；高強(qiáng)螺栓連接不牢固；可靠度不高，易松動；U 型連接筋焊接不牢固，焊接質(zhì)量不高；焊縫質(zhì)量不能達(dá)到規(guī)范或施工方案要求；鎖腳錨桿施打方向、角度和施作長度均不能達(dá)到設(shè)計要求；該段隧道拱腳與仰拱處鋼拱架連接不順暢；隧道施工采用人工施工為主， 較多的施工細(xì)節(jié)不能達(dá)到設(shè)計要求，如圖8 所示。

圖8 施工不當(dāng)引起的不規(guī)范處

(5)管理不足。由于隧道工程技術(shù)度較高，項目部將隧道工程全部分包出去， 導(dǎo)致了項目部在現(xiàn)場施工的管控力度不足或不到位；施工組織安排力度不足；隧道施工不能嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”十八字方針進(jìn)行施工，換拱前換拱段閉合前后累計沉降量如圖9 所示。

圖9 換拱前換拱段閉合前后累計沉降對比圖

更為重要的是，在軟弱圍巖施工，仰拱初支閉合時間的長短對初期支護(hù)沉降量具有較大影響， 初期支護(hù)產(chǎn)生的沉降量80%以上發(fā)生在閉合前。仰拱閉合后，初期支護(hù)基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，上中下臺階初支在完成后，由于管理原因，在一定程度上初期支護(hù)會發(fā)生沉降。而監(jiān)控量測屬于第三方委托性質(zhì)， 導(dǎo)致監(jiān)控量測反饋的信息存在不及時性，沉降變形已經(jīng)反生并趨于穩(wěn)定后才得到反饋信息；無法做到實時監(jiān)測或者實時監(jiān)測成本過高， 導(dǎo)致隧道施工不能在沉降變形過程中采取有效措施控制沉降變形。換拱前典型斷面YK144+985 現(xiàn)場監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 換拱前YK144+985 典型斷面監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)圖

5 換拱施工措施

(1)換拱施工工藝

換拱作業(yè)要注重施工安全， 嚴(yán)格貫徹落實 “安全第一、預(yù)防為主”的思想方針，其施工總體思路為“穩(wěn)、固、拆、換”四字。其中，“穩(wěn)”指的是通過設(shè)置環(huán)向臨時支護(hù)穩(wěn)定和支撐原來拱架與圍巖；“固” 是指利用施作環(huán)向小導(dǎo)管并進(jìn)行注漿，通過注漿固結(jié)原拱架背后的圍巖；“拆”是等到注漿達(dá)到預(yù)期效果后， 利用機(jī)械鑿除臨時拱架與原拱架，剝除侵限部分圍巖；“換”是指測量放樣后，迅速掛鋼筋網(wǎng)、初噴，然后安裝新拱架到合適位置并進(jìn)行連接，焊接鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土封閉。 施工過程前后，對換拱區(qū)間段布設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)，觀測沉降變化情況。施工工藝流程如圖11 所示。

圖11 換拱施工工藝流程圖

(2)設(shè)置環(huán)向臨時支護(hù)

邦山隧道進(jìn)行換拱施工前需要設(shè)置環(huán)向臨時支護(hù)，并進(jìn)行圍巖注漿加固。 環(huán)向臨時支護(hù)與原支護(hù)結(jié)構(gòu)之間采用砼楔形塊頂緊， 臨時環(huán)向支護(hù)的鋼支撐縱向間距為1m。 拱架之間縱向采用φ25@100 鋼筋連接， 環(huán)向采用φ25@100U 型箍嵌入初支， 并在拱頂及兩側(cè)拱腰各增設(shè)一根φ50mm 注漿小導(dǎo)管(小導(dǎo)管長L=3.5m，與U 型箍筋焊牢)。 底部采用C25 砼墊塊墊實，并采用30a 槽鋼作為托梁。 環(huán)向臨時支護(hù)的鋼拱架拱腳應(yīng)該設(shè)置在堅實的基礎(chǔ)之上，嚴(yán)禁拱腳懸空。 臨時支護(hù)的鎖腳采用φ89 鎖腳小導(dǎo)管并注漿。 臨時支護(hù)的目的是加強(qiáng)對換拱段變形的控制。 在施工過程中，換拱段還存在較大變形。 有必要在環(huán)向臨時支護(hù)加豎撐以保證結(jié)構(gòu)安全。 且注意鋼拱架各焊接接頭是否有拉裂現(xiàn)象， 若有發(fā)現(xiàn)及時進(jìn)行補(bǔ)焊和加固相鄰區(qū)域。 臨時支護(hù)安裝如圖12 所示。

圖12 臨時支護(hù)安裝圖

(3)徑向小導(dǎo)管注漿

徑向注漿加固范圍為隧道開挖輪廓線外5m，縱向范圍為侵限換拱段落。 小導(dǎo)管采用φ50mm×5mm 熱軋無縫鋼管，長度5m；拱墻：環(huán)向間距1.0m，縱向間距1.0m，梅花型布置。 注漿材料采用普通水泥漿液，水灰比為0.5∶1，設(shè)計注漿壓力(終壓值)為0.5∶1MPa(注漿施工前，先進(jìn)行注漿試驗，已調(diào)整注漿參數(shù))。 注漿施工過程中，觀察并記錄注漿情況，包括孔位、孔深、孔徑、漿液配比、注漿壓力、注漿量、跑漿。 漏漿、串漿等。 同時應(yīng)該根據(jù)漿液擴(kuò)散情況、注漿量、注漿壓力等調(diào)整注漿參數(shù)。

在注漿結(jié)束后， 待漿液凝固后及時鉆取檢查孔對注漿效果進(jìn)行檢查確認(rèn)， 檢查孔數(shù)量不少于注漿孔數(shù)量的5%；檢查孔徑均應(yīng)取芯，檢查孔應(yīng)該成孔完整，鉆孔取芯率達(dá)到80%以上，漿液填充率達(dá)到80%以上，便可認(rèn)為注漿達(dá)到效果。 注漿效果檢查完成后，檢查孔應(yīng)封填密實。注漿效果滿足設(shè)計要求后方可進(jìn)行隧道開挖(鑿除臨時支護(hù)與原支護(hù)結(jié)構(gòu))。

(4)鑿除臨時支護(hù)與原支護(hù)結(jié)構(gòu)

換拱段鑿除遵循先墻后拱、 先下后上、 一邊起一邊落、先臨時后原支護(hù)的原則，避免拱架掉落、塌方隱患。

①首次鑿除(開口)

臨時支護(hù)與原支護(hù)結(jié)構(gòu)拆除都采用沖擊錘破開鑿除，如圖13 所示。先選擇2 榀間距2.1m(鋼拱架與相鄰鋼拱架通過70cm 連接筋連接)臨時支護(hù)拱架，利用沖擊錘鑿除臨時支護(hù)的噴射混凝土、鋼拱架、連接筋等。 等環(huán)向臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)全部鑿除，再破開原支護(hù)結(jié)構(gòu)，鑿除過程與鑿除臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)一致。原支護(hù)結(jié)構(gòu)全部鑿除后，迅速進(jìn)行測量放樣，確定進(jìn)一步開挖深度(包括預(yù)留30cm)。等到開挖至符合要求的輪廓線時， 迅速進(jìn)行初噴作業(yè)封閉圍巖。

圖13 首次鑿除(開口)示意圖

②后續(xù)鑿除(兩邊走)

首次兩榀鋼拱架通過連接筋、鋼筋網(wǎng)片、錨桿、噴射混凝土等聯(lián)結(jié)在一起形成一個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 沖擊錘便可以沿著開口向兩邊繼續(xù)鑿除(鑿除過程縱向僅能向一邊進(jìn)行)，鑿除間距70cm，如圖14 所示。 鑿除臨時支護(hù)與原支護(hù)結(jié)構(gòu)，迅速進(jìn)行測量放樣，確定進(jìn)一步開挖深度(包括預(yù)留變形量30cm)。 待到開挖至符合要求的輪廓線時，迅速進(jìn)行初噴作業(yè)封閉圍巖。

圖14 后續(xù)鑿除(兩邊走)示意圖

(5)安裝新初期支護(hù)結(jié)構(gòu)

初期支護(hù)采用噴、網(wǎng)、鋼支撐支護(hù)。 對原支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面掃描圖與變更后設(shè)計斷面圖的分析， 在加工廠選用工25b 鋼材預(yù)制一定弧度，運(yùn)送至現(xiàn)場拼裝。 工25b 鋼支撐共分5 段通過法蘭盤連接。 法蘭盤采用高強(qiáng)度M20 螺栓連接，連接不牢固，不穩(wěn)定可用焊接處理。 工25b 鋼支撐采用φ25 的U 型筋連接。 搭接處雙面焊接處理。 Φ8mm鋼筋網(wǎng)片20cm×20cm 焊接在鋼拱架上， 留24cm 搭接長度。 超前小導(dǎo)管通過工25b 鋼支撐預(yù)先切割的小孔打入圍巖中，長度4m，角度在30°～45°，小導(dǎo)管端頭安裝或焊接注漿閥門。 采用厚度35cm 的C25 噴射混凝土進(jìn)行封閉，噴射穩(wěn)固，保證表面平整，強(qiáng)度符合設(shè)計要求。

(6)新舊初期支護(hù)連接處理

隧道換拱段的仰拱砼已經(jīng)澆筑完成， 為了不影響原平衡狀態(tài)與工期，避免由破除仰拱帶來的較大風(fēng)險。在安裝新鋼支撐時， 需要將新支護(hù)鋼支撐與原支護(hù)鋼支撐保持在同一斷面。 通過設(shè)置一塊搭板將兩者連接，如圖15所示。

圖15 新舊初期支護(hù)連接處理圖

(7)監(jiān)控量測

邦山隧道換拱通過監(jiān)控量測確保換拱施工安全以及確定換拱段落二次襯砌施作時間。監(jiān)控量測通過對洞內(nèi)、外觀察、拱頂下沉、凈空變化、拱腳下沉、臨時鋼架應(yīng)力等項目的觀察， 利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測隧道施工的安全性與穩(wěn)定性。在換拱施工的全過程，監(jiān)控量測必須全程布設(shè)和監(jiān)測， 為現(xiàn)場人員生命財產(chǎn)安全提供必要的保障和預(yù)警。 監(jiān)控量測作業(yè)流程如圖16 所示。

圖16 監(jiān)控量測作業(yè)流程

換拱前，應(yīng)對換拱段所有已布設(shè)測點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，記錄并匯總換拱前的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)。換拱過程中，對已換拱完成的段落必須及時重新布點(diǎn)進(jìn)行觀測， 測量后及時處理量測數(shù)據(jù)，與換拱前的原始數(shù)據(jù)對比，及時作出評價，作為調(diào)整和修改支護(hù)參數(shù)及施工方法的依據(jù)， 提供圍巖和支護(hù)襯砌最終穩(wěn)定的判斷信息。

重新布設(shè)的拱頂下沉觀測點(diǎn)及凈空收斂點(diǎn)觀測點(diǎn)按2m 一個斷面布設(shè)， 并且在換拱完成后6h 內(nèi)進(jìn)行第一次觀測，儀器采用高精度全站儀，觀測頻率為每天兩次，以充分觀測圍巖及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化， 直至二襯完成后為止；同時洞頂原地表，每5m 一個斷面布設(shè)地表下沉觀測點(diǎn)，以觀測地表沉降情況。 對初支侵限較大處，增設(shè)絕對位移監(jiān)控點(diǎn)，包括拱架連接板和應(yīng)力集中處。

需要注意的是， 監(jiān)控量測點(diǎn)的布設(shè)要與換拱作業(yè)同步進(jìn)行，每天定時分析數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制位移-時間曲線圖，根據(jù)測點(diǎn)位移變化速率判斷圍巖穩(wěn)定狀況，充分了解和掌握換拱時圍巖動態(tài)發(fā)展情況， 指導(dǎo)施工作業(yè)。

6 總結(jié)

通過對邦山隧道軟弱圍巖條件下?lián)Q拱前后施工過程的詳盡記錄、科學(xué)研究和分析，確保了換拱施工的成功。換拱后的監(jiān)控量測結(jié)果表明，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不存在二次侵限情況。此次換拱施工的成功，可為今后軟弱圍巖隧道施工提供指導(dǎo)。

此次換拱施工總結(jié)如下：

(1)事前管控。避免換拱侵限換拱情況的發(fā)生，通過上述原因分析可以采取相應(yīng)的措施。 隧道施工過程中加強(qiáng)對現(xiàn)場圍巖的勘察，對比分析，及時進(jìn)行變更施工；軟弱圍巖施工時，應(yīng)該嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”十八字原則進(jìn)行施工；隧道施工應(yīng)完善施工分包模式，加強(qiáng)現(xiàn)場管控能力。

(2)事中控制。 嚴(yán)格控制換拱施工的質(zhì)量與安全，避免二次侵限和人身財產(chǎn)損失情況的發(fā)生。 把控施工質(zhì)量，控制施工細(xì)節(jié)，換拱全程質(zhì)量監(jiān)督；換拱全程監(jiān)控量測實時跟進(jìn)并及時反饋；安全措施布置到位，避免安全事故。