吳發(fā)展，張獻(xiàn)偉

（1.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201；2.中鐵隧道集團(tuán)太中銀鐵路工程指揮部，陜西 靖邊 718500）

0 引言

黃土隧道的特殊工程性質(zhì)，施工常伴隨有圍巖大變形現(xiàn)象，周鵬等［1］研究穿越陡坎地形的偏壓黃土隧道大變形時(shí)空特征，基于監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，得出初期支護(hù)沿時(shí)空分布的變形特征。于新軍［2］針對(duì)黃土隧道塌方現(xiàn)象，從黃土地層、水文地質(zhì)、地形方面研究黃土隧道變形機(jī)理，指導(dǎo)黃土隧道支護(hù)與變形控制。張博［3］探討三車道黃土隧道穿越?jīng)_溝段圍巖易出現(xiàn)初期支護(hù)大變形的控制措施，合理的地表防排水使掌子面相對(duì)干燥是關(guān)鍵。楊偉等［4］結(jié)合黃土隧道初期支護(hù)侵限的實(shí)踐，對(duì)侵限部位采取換拱的方式，提高結(jié)構(gòu)的安全性。鐵路 SJS-Ⅴ 標(biāo)隧道施工中出現(xiàn)不同程度的變形侵限，需要對(duì)侵限地段做換拱處理。

1 工程概況

鐵路 SJS-Ⅴ 標(biāo)隧道進(jìn)口里程為 DK345+430，出口里程為 DK 350+005，全長(zhǎng) 4 575 m，隧道全段位于直線上，線間距均為 4.4 m，隧道范圍內(nèi)均為 11 ‰ 的上坡，隧道最大埋深 175.60 m。隧址區(qū)域?qū)冱S土梁峁溝壑區(qū)，隧道進(jìn)口 DK 345+934 掌子面為第三系粉質(zhì)黏土，黃褐色，硬～軟塑，含水量較大，土體穩(wěn)定性差。DK 345+855～DK 345+934 里程段已經(jīng)按照設(shè)計(jì)黃土 Ⅳ 級(jí)圍巖非絕緣下錨段“施隧參 09-84”圖進(jìn)行了施工，但在中臺(tái)階左右兩側(cè)出現(xiàn)了不同程度的變形（見圖 1、圖 2、表 1），右側(cè)因變形侵限的里程段為DK 345+855～DK 345+869，最大侵限 39.3 cm，左側(cè)因變形侵限的里程段為 DK 345+884～DK 345+925，最大侵限 57.4 cm，由于變形侵限，為保證隧道空間和結(jié)構(gòu)安全，需要對(duì)侵限地段做換拱處理。

圖1 上、中臺(tái)階拱架接頭處縱向開裂

圖2 格柵鋼架拉裂變形

表1 變形換拱施工里程部位表

2 工程數(shù)量

根據(jù)變形侵限情況，統(tǒng)計(jì)出換拱工程數(shù)量如表 2 所示。

表2 換拱工程數(shù)量表

3 施工方案

換拱應(yīng)先支撐、弱拆除、強(qiáng)支護(hù)［5］，從 DK 345+855開始，在中臺(tái)階底部和上臺(tái)階增加水平支撐，水平支撐增加完之后再進(jìn)行兩側(cè)侵限部位的換拱；換拱采取在原有拱架割斷位置增加縱梁，在原有拱架之間增加一榀I 20a 型鋼鋼架，上部與縱梁連接，然后再割除原有格柵鋼架，換上 I 20a 型鋼鋼架，換好的拱架間距為 50 cm，所有縱梁及新?lián)Q拱架都采用 I 20a 工字鋼，換好的拱架在與原來的拱架連接處上下各增加 3 根鎖腳錨管，且換好的拱架也必須及時(shí)在中臺(tái)階底部增加水平撐。

嚴(yán)格按照審批的施工組織施工；換拱必須逐榀順序更換，且左右兩側(cè)不得同時(shí)進(jìn)行，在換拱期間，加快初期支護(hù)仰拱的施工進(jìn)度，縮短臺(tái)階距離；加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，提高量測(cè)頻率，隨時(shí)指導(dǎo)施工；備足應(yīng)急物資；24 h 安排人員安全值班。

3.1 準(zhǔn)備工作

3.1.1 斷面檢查

測(cè)量組對(duì)初期支護(hù)變形地段每榀拱架進(jìn)行斷面凈空檢查，并繪出超欠挖斷面圖［6］。根據(jù)斷面圖所反映出的隧道超欠挖的里程、部位，綜合研究確定出每段合理的換拱部位。

根據(jù)各段不同的換拱部位制定出有針對(duì)性的換拱方案，并進(jìn)行技術(shù)交底。測(cè)量組根據(jù)技術(shù)交底在現(xiàn)場(chǎng)用油漆標(biāo)出換拱的起止里程、部位，方便現(xiàn)場(chǎng)換拱施工。

3.1.2 支撐加固

在進(jìn)行正式換拱前，對(duì)待換拱的部位用 I 20a 工字鋼進(jìn)行加固：各支撐由洞內(nèi)掌子面向洞外方向依次進(jìn)行安裝，各支撐安裝順序?yàn)轫敳克綑M支撐→豎支撐→斜撐→底部水平橫支撐，支撐加固完后再由洞外方向往洞內(nèi)方向依次進(jìn)行換拱施工。

1）頂部水平橫支撐。施工前把作業(yè)臺(tái)架移至待安裝橫撐位置，在測(cè)量組已標(biāo)識(shí)出的換拱位置，對(duì)侵限拱架用風(fēng)鎬鑿除格柵表面的混凝土，用于固定橫撐兩端。利用鑿除混凝土的時(shí)間把加工好的橫支撐用裝載機(jī)配合人工放到作業(yè)臺(tái)架上（見圖 3）。

圖3 換拱前橫支撐、豎支撐加固

在鑿好橫撐支點(diǎn)的位置，人工把橫撐兩端安放在預(yù)定位置，用 80 mm×80 mm×8 mm 的角鋼和 Φ22 螺紋鋼把橫撐兩端與鑿出的格柵鋼架焊接牢固。

臺(tái)架位置橫撐安裝后，用間距 1 m 的 Φ22 鋼筋把單個(gè)橫撐連接成一個(gè)結(jié)構(gòu)整體，提高橫撐的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。

施工時(shí)橫撐支點(diǎn)處格柵表面的混凝土清除干凈，焊接時(shí)保證橫撐與格柵鋼筋有足夠的焊接長(zhǎng)度，焊接質(zhì)量應(yīng)符合規(guī)范要求［7］。橫撐與鋼格柵連接支點(diǎn)的施工質(zhì)量是一個(gè)重點(diǎn)控制部位，在施工中引起高度的重視，否則橫撐就存在安全隱患。

2）豎支撐。因橫撐只能抵抗圍巖的水平側(cè)壓力，無法抵抗圍巖豎直方向的壓力，所以在靠換拱一側(cè)增加堅(jiān)向鋼支撐，鋼支撐用 I20a 工字鋼加工。

換拱位置的豎支撐立兩排，第一排在橫撐 I 20a 工鋼下方對(duì)應(yīng)支點(diǎn)位置，第二排在距支點(diǎn) 1 m 處。在施工時(shí)用垂球?qū)ωQ撐的垂直度進(jìn)度校正，每排豎撐確保堅(jiān)直并在同一條直線上，豎撐底部地面在施工前平整夯實(shí)并放置 28 a 槽鋼，豎撐底部全部落在槽鋼上，并與槽鋼焊接固定。為了提高單個(gè)豎撐的受力性能，設(shè)計(jì)用 Φ22 的螺紋鋼對(duì)相鄰豎撐進(jìn)行連接加固。

3）斜撐。換拱部位處于隧道上中臺(tái)階，上臺(tái)階與中臺(tái)階連接板位置已嚴(yán)重開裂變形，初期支護(hù)內(nèi)的格柵拱架拉裂變形，該位置初期支護(hù)已喪失承載能力，已向隧道中線位置發(fā)生傾斜，一旦失穩(wěn)坍塌將會(huì)壓跨旁邊的豎撐而引起隧道更大范圍的坍塌，所以在上中臺(tái)階接頭開裂位置下方加斜撐對(duì)邊墻進(jìn)行加固（見圖 4）。根據(jù)邊墻實(shí)際傾斜情況，現(xiàn)場(chǎng)確定每榀斜撐傾斜角度和長(zhǎng)度，安裝時(shí)在斜撐端頭切斜口，以增加支點(diǎn)受力面積。

4）底部水平橫支撐。為了防止換拱部位中臺(tái)階底部初期支護(hù)向洞內(nèi)收斂變形，在換拱前在每榀拱架底部連接板上 20 cm 的位置安裝水平橫支撐，支撐用 I 20a 工字鋼加工。底部水平橫支撐安裝、加固方法同頂部水平橫支撐，安裝好后及時(shí)用間距 1 m 的 Φ22 鋼筋把單個(gè)橫撐連接成整體。

3.2 換拱

3.2.1 鑿除侵限部位

對(duì)侵限部位的初期支護(hù)混凝土進(jìn)行逐榀鑿除，每次只鑿除一榀拱架范圍，并且等本榀拱架換完噴混凝土覆蓋后才能進(jìn)行下一榀鑿除施工，采用人工風(fēng)鎬鑿除施工。

施工時(shí)根據(jù)測(cè)量組標(biāo)識(shí)的侵限范圍，用風(fēng)鎬沿拱架上部和兩側(cè)進(jìn)行切槽，并把槽內(nèi)的初期支護(hù)網(wǎng)片、縱向連接筋、鎖腳錨管、系統(tǒng)錨桿、格柵鋼架切斷，使該榀拱架范圍的初期支護(hù)與四周初期支護(hù)斷開，移除作業(yè)臺(tái)架及拱架下方的物品，用挖機(jī)挖除該榀拱架。

施工時(shí)應(yīng)注意安全，挖機(jī)挖除拱架時(shí)人員應(yīng)撤離到安全地方；在挖機(jī)挖不動(dòng)時(shí)挖機(jī)不可用力拍打拱架，以免擾動(dòng)初期支護(hù)后土體引起坍塌，而應(yīng)查找原因進(jìn)行解決，如四周鋼筋是否完全斷開等。

3.2.2 拆換拱

拆換拱逐榀由拱頂向邊墻逐段拆除［8］，在原有拱架割斷位置增加縱梁，縱梁用 I 20a 工字鋼加工，縱梁與格柵鋼架端頭焊接牢固，在原有格柵鋼架之間增加一榀 I 20a 型鋼鋼架，上部與縱梁連接，下部打L＝4.0 m 鎖腳錨管進(jìn)行固定，在割除的原格柵鋼架位置換上 I 20a 型鋼鋼架，換好的拱架間距為 50 cm，所有縱梁及新?lián)Q拱架都采用 I 20a 工字鋼，換好的拱架在與原來的拱架連接處上下各增加 3 根L＝4.0 m 鎖腳錨管。

換拱時(shí)嚴(yán)把拱架接頭連接質(zhì)量關(guān)，連接質(zhì)量的好壞直接影響新?lián)Q拱架的支護(hù)強(qiáng)度，新增工字鋼拱架與原格柵在接頭處的連接方式如下：在原格柵拱架割斷位置的 4 根主筋上按設(shè)計(jì)圖紙要求焊接連接角鋼，然后連接角鋼與新增工字鋼鋼架連接鋼板用螺栓連接，并且在接觸面處進(jìn)行焊接加固。換拱時(shí)注意開挖面土體坍塌、掉塊傷人。

對(duì)換好的拱架進(jìn)行噴混凝土進(jìn)行覆蓋，噴混凝土施工工藝同正常斷面施工。施工中超挖部分必須用噴射混凝土回填密實(shí)，不許初期支護(hù)背后存在空洞。

為了防止新?lián)Q拱架地段出現(xiàn)新的變形，在拱架換完噴混凝土覆蓋后，需在中臺(tái)階底部及時(shí)增加水平撐，以使中、上臺(tái)階及時(shí)封閉成環(huán)。

3.2.3 監(jiān)控量測(cè)

換拱地段施工完后應(yīng)及時(shí)埋置量測(cè)點(diǎn)（見圖 5），進(jìn)行拱頂下沉、周邊收斂量測(cè)（見表 3）。換拱地段量測(cè)每隔 5 m 布設(shè)一組量測(cè)點(diǎn)，量測(cè)頻率為 2 次/d，每 12 h 量測(cè)一次，在量測(cè)完后 2 h 內(nèi)計(jì)算出量測(cè)結(jié)果，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、進(jìn)行施工處理。

表3 變形段加固后的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)

圖5 換拱段量測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：mm）

4 注意事項(xiàng)

1）保證作業(yè)環(huán)境安全，作業(yè)前檢查現(xiàn)場(chǎng)存在的各種隱患，及時(shí)排除，尤其加強(qiáng)對(duì)橫撐、豎撐和斜撐的觀測(cè)和檢查，發(fā)現(xiàn)彎曲變形等問題立即加強(qiáng)支護(hù)，保證臨時(shí)支護(hù)安全。

2）破拱時(shí)，保證操作順序正確，先破除兩側(cè)，再破除上部，最后割除連接鋼架、連接鋼筋和鋼筋網(wǎng)，不得同時(shí)進(jìn)行，每次只允許破除一榀，不得大面積開槽［9］。

3）破拱人員要有安全的作業(yè)平臺(tái)，尤其是臨時(shí)腳手架，扣件要扣緊，腳手板要用鐵絲固定，不得有探頭板和懸挑板，作業(yè)人員做好個(gè)體防護(hù)，并隨時(shí)注意上方的情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)撤離。

4）割除連接鋼架、連接鋼筋和鋼筋網(wǎng)時(shí)，保證氣瓶使用安全，氧氣瓶、乙炔瓶不得放置在臺(tái)階或腳手架下方，應(yīng)離開作業(yè)地點(diǎn) 10 m 以上，氣瓶間距 5 m 以上，防止發(fā)生乙炔氣瓶燃火和爆炸。

5）挖機(jī)破除時(shí)不得在換拱段范圍內(nèi)作業(yè)，應(yīng)在換拱段后方的安全部位，并在作業(yè)過程中嚴(yán)禁擾動(dòng)破除范圍外的拱架和初期支護(hù)。

6）拱架拆除后，及時(shí)清除危險(xiǎn)因素，清理好接拱部位，上部割開的花拱部位提前焊好角鋼接頭，立拱時(shí)保證足夠的人員，嚴(yán)格按照測(cè)量組的交底保證位置正確，保證接頭平順。

5 結(jié)語

在變形嚴(yán)重地段，初期支護(hù)強(qiáng)度無法承擔(dān)圍巖形變壓力，采取臨時(shí)支撐等應(yīng)急措施提高圍巖整體剛度，防止突發(fā)性形變。

換好的拱架在與原來的拱架連接處上下各增加 3 根鎖腳錨管，且換好的拱架也必須及時(shí)在中臺(tái)階底部增加水平撐，保證換拱質(zhì)量及施工安全。

為了防止新?lián)Q拱架地段出現(xiàn)新的變形，在拱架換完噴混凝土覆蓋后，在中臺(tái)階底部及時(shí)增加水平撐，以使中、上臺(tái)階及時(shí)封閉，封閉成環(huán)后變形趨于穩(wěn)定。Q