兩水隧道襯砌全斷面拆換施工技術與風險控制

王少宏，杜凌坤，王令朝

(中交二公局鐵路工程有限公司，陜西西安710065)

兩水隧道襯砌全斷面拆換施工技術與風險控制

王少宏，杜凌坤，王令朝

(中交二公局鐵路工程有限公司，陜西西安710065)

在現場勘查的基礎上，對兩水隧道襯砌侵限、開裂原因進行了分析，提出了隧道全斷面拆換的施工方案，詳細論述了全斷面拆換施工工序和重要工序的控制要點，并從拆除拱墻襯砌、拆換初支和仰拱拆除3個重要環節提出了風險控制措施。

隧道襯砌;全斷面拆換;施工技術;風險控制

1 工程概況

1.1 地質情況

新建蘭渝鐵路蘭州至廣元段兩水隧道位于甘肅省隴南市武都區白龍江左岸，為雙線大斷面鐵路隧道，全長4 945.3 m，隧道最小埋深26 m﹑最大埋深346 m［1］。自2009年4月開工至2013年12月12日貫通。在修建過程中遇到的最大問題就是高地應力條件下的軟巖大變形。

隧道地層以深灰、灰黑色炭質千枚巖為主，局部夾有板巖，巖體受構造影響，褶皺發育，且薄片、薄層狀巖層被節理切割成角礫狀松散結構，局部地段尚有滲水現象。

隧道沿著山體半側山腰或山腳穿行，高地應力及偏壓作用十分明顯。隧道以Ⅴ級軟巖為主，除出口段1 140 m為Ⅳ級圍巖外，其余3 805.3 m皆為Ⅴ級軟巖。隧道共設進口、出口及灰崖子斜井3個工區4個作業面。

1.2 隧道襯砌侵限和開裂情況

兩水隧道施工期間及貫通后部分襯砌出現較大的侵限現象，最大侵限21.9 cm。隧道襯砌左側斷面內擠，并伴有拱頂下沉現象，右側斷面有向外擴張的跡象。

隧道洞身襯砌先后出現不同程度的開裂、剝落和掉塊現象。開裂剝落、掉塊共計21段，總長668 m。襯砌開裂具有集中成段性，裂縫以斜裂縫、環向裂縫為主，嚴重地段出現拱部脫落。拱頂襯砌開裂掉塊見圖1。

圖1 拱頂襯砌開裂掉塊

2 隧道襯砌侵限開裂原因

經現場監測分析，引起兩水隧道襯砌侵限開裂的原因既有地質條件，又有高地應力等綜合因素。主因是地質條件［2-3］。該隧道穿越的地層巖體強度低，褶皺、斷裂等構造異常發育。

在高地應力作用下，軟巖變形大且變形持續時間長，初期支護變形難以穩定，造成噴層開裂、剝落，鋼架扭曲、折斷，初期支護侵限［4-5］。嚴重時，最大初期支護變形達到1.3 m，圍巖收斂變形達到400～800 mm。持續難以遏制的變形進一步引起二襯過早承載，二襯部分地段發生開裂、掉塊，甚至在隧道貫通后，依然面臨著高地應力軟巖大變形引起的諸多地質災害。

3 全斷面拆換風險

面對隧道襯砌嚴重侵限開裂問題，必須進行全斷面拆換施工。初支鋼架拆換、仰拱拆換，以及多工作面同時作業風險較大。

初支鋼架拆換。尤其是拱頂部位的拆換，鋼架背后的圍巖較破碎，且整體性、穩定性差，鋼架承受著巨大的圍巖壓力，鋼架拆除后可能會產生掉塊、坍塌現象。

仰拱拆換時拱墻第2層初支鋼架懸空，可能出現的大變形會導致拱墻初支擠入洞室，引起坍塌等嚴重后果。

多工序、多作業面交叉拆換施工，也嚴重影響到施工人員及車輛的通行安全。

4 施工工序及控制要點

4.1 施工工序

經過現場調查分析、施工工法試驗，確定施工工序如下:

施工準備→套拱加固→拱墻背后圍巖注漿加固→拆除拱墻襯砌→拆除拱墻初支→施作第1層初支→拱腳打設鎖腳鋼管并注漿加固→施作第2層初支→拆除仰拱填充→拆除仰拱→拆換隧底初支→隧底豎向注漿→施作仰拱及仰拱填充→施作拱墻襯砌。

4.2 重要工序控制要點

1)拱墻背后圍巖注漿加固

拱墻襯砌拆除前對背后圍巖進行徑向注漿加固，設置長4.6 m、間距1.5 m(環向)×1.5 m(縱向) φ42 mm徑向注漿小導管，呈梅花形布置，注漿壓力1～3 MPa。對拱架后圍巖進行固結灌注，注漿應密實。注漿小導管靠近拱架位置布設，待新拱架更換后，采用焊接方法將注漿小導管與新拱架連接成整體，以加強拱架受力。

2)拱墻襯砌拆除

注漿加固完成并達到一定強度后，方可拆除拱墻襯砌，拆除整環二襯混凝土，深度達到初支表面，但不得破壞初支。二襯開裂處理應結合原施工縫分布情況進行拆換，保留段應為整板襯砌，以確保結構的整體性。

3)拱墻初支拆換

初支拆除寬度每次不超過1榀鋼架寬度，擴挖到位后應立即對巖面初噴混凝土，然后進行鋼架支護、噴混凝土等作業。在拆換施工過程中考慮一定的初支預留量［6］。第2層初支鋼架與第1層初支鋼架應錯開布置，第2層鋼架連接板位置應高于第1層鋼架連接板15～20 cm，避免在同一截面。整個初支施作后，應立即布設監控測量點，觀測記錄其變形數據。

4)拱腳打設鎖腳鋼管并注漿

在仰拱拆換前，采用機械鉆孔，在兩側拱腳分別設置2根長6 m、縱向間距1 m，φ89 mm的鎖腳鋼管，并注漿，其注漿壓力應≥3 MPa［7-8］。

5)仰拱填充及仰拱拆除(見圖2)

圖2 仰拱填充及仰拱拆除

在拱墻初支拆換長度達到9 m時可進行仰拱拆除。每次仰拱拆除控制在3 m范圍內，突破口選擇在中心排水管處。仰拱拆除前，明確標出拆除區，并在拆除區和保留區之間切割減震槽，切槽完成后，用液壓破碎錘對拆除段進行拆除，拆除順序應從中間往兩側方向進行。

6)拆換隧底初支及隧底豎向注漿

仰拱拆除完成后，方可進行仰拱初支拆換，且每次拆換的縱向長度不得＞3 m。新仰拱拱架與邊墻拱架應采用連接板及高強螺栓進行可靠連接，以增強鋼架的整體性。拆換完成后，對隧底進行注漿加固，采用長4 m、間距1.5m×1.5m，呈梅花形布置的豎向φ89 mm鋼管進行高壓注漿，注漿壓力可控制在1～3 MPa。

當隧底初期支護拆換長度達到3 m時，應停止拆換，施作仰拱。

7)施作仰拱及仰拱填充、拱墻襯砌

①拱墻襯砌長度每次施作6 m，當仰拱施作長度滿足拱墻襯砌施工長度時，應在變形監測數據穩定的情況下及時進行拱墻襯砌作業。

②拱墻襯砌作業時，應在初支表面重新鋪設環向盲管、土工布、防水板等防排水設施，并在拱墻新、舊混凝土連接處靠圍巖一側增設1道環向盲管，以增加二襯背后的透水性，確保與既有防排水設施良好搭接;在保留區二襯接頭處，應用手持切割機沿環向切割1條深50 mm的人工凹槽，并在二襯2個端頭加設止水條和止水帶。

5 風險控制措施

為了保證拆換任務的安全順利進行，除了優化施工方案外，還需采取針對性的風險控制措施。以下從拆除拱墻襯砌、拆換初支鋼架、拆除仰拱等重要工序來分析控制施工安全風險的措施。

5.1 拱墻襯砌拆除

兩水隧道襯砌開裂處理段的二襯混凝土均為強度等級C35～C45的鋼筋混凝土，破除難度大。拆除應對以下環節進行重點控制。

1)切割減震槽。拆除前對保留區與拆除區邊界測量定線，確定拆除邊界，在分界處切割1條20～30 cm的凹槽作為減震槽，以避免拆除時的過大振動對保留區結構造成影響。

2)突破口拆除。在分界處拆除區一側標定寬度2 m的突破口。拆除突破口時，應在距分界線1.5m處從二襯墻腳逐步向拱頂推進，直至對面墻腳的相應位置。在突破口形成后，按照拆除突破口的順序拆除其他段落，最后對距分界線1.5m內進行拆除。

3)拱墻襯砌拆除(見圖3)

圖3 拱墻襯砌拆除作業

按“先裂損段、后影響段”的順序進行施工，對裂損嚴重地段優先拆除。整個襯砌拆除應采用人工與機械配合作業，由挖掘機配液壓破碎錘進行襯砌鋼筋混凝土破除，在排除松散物掉落危險后，再由人工使用風鎬逐個清除剩余襯砌塊。

5.2 初支拆換

初支作為承載結構最早承載受力，在襯砌前為承載體，一旦拆除將破壞承載形式，導致應力重新分布，假如拆除不當或盲目拆除就會導致掉塊或坍塌等嚴重后果。因此應嚴格控制以下重要環節確保施工安全。

1)初支拆除時嚴禁交叉作業，每1 m的拱墻襯砌拆除單元施工完成后，應立即停止拆除襯砌工作，并及時進行拱墻初支的拆換。1 m初支拆換完成后再進入下一循環襯砌拆除。

2)拆除初支前對拱墻初支背后圍巖進行徑向注漿加固，固結厚度應≥4 m，在其周圍形成護拱“硬殼”，以確保拆除作業安全。

3)拱墻初支鋼架拆除時應每次施工1榀，從上往下進行(見圖4)，先用人工風鎬鏟除噴射混凝土，再松開螺絲，螺絲應先在一端松開，再松開另一端，在松開另一端螺絲時，應用機械配合人工穩固拱架，以確保兩端螺絲拆除后拱架不直接掉落，并依次拆除下部拱架，直至整榀拱架拆除完畢。

圖4 拱墻初支鋼架拆除順序

4)拆除拱墻初支鋼架時應將鋼架連接筋、鋼筋網、小導管等一次切斷，以避免強力拆除對相鄰段落造成不良影響。

5.3 仰拱拆除

仰拱拆除前應在兩側拱腳設置φ89鎖腳鋼管并進行注漿，并采用15 mm厚鋼板與拱墻初支鋼架焊接加固。與此同時，應加強全過程的監控測量與數據分析工作，直至仰拱初支封閉為止。

6 結論

2015年底，蘭渝鐵路兩水隧道安全順利完成了668 m襯砌拆換任務。實踐證明，在兩水隧道襯砌侵限開裂處理施工中，采取上述施工技術和風險控制措施，不僅沒有發生任何安全質量事故，而且各項技術指標均達到設計規范要求，可為今后隧道的全段面拆除施工提供借鑒。

［1］中鐵設計咨詢集團．蘭渝施隧(1-46)新建鐵路蘭州-重慶設計圖(兩水隧道設計圖)［Z］．西安:中鐵設計咨詢集團，2010．

［2］李明耿．大斷面超偏壓黃土隧道出口段換拱施工技術［J］．鐵道建筑，2012(11):50-52．

［3］付迎春．胡麻嶺隧道大變形力學行為及控制技術研究［J］．鐵道建筑，2011(5):56-59．

［4］蔣宗鑫，吳斌．小凈距淺埋偏壓軟巖隧道支護結構受力實測分析［J］．鐵道建筑，2015(7):50-53．

［5］孫春森．隧道軟弱圍巖初期支護變形的處理［J］．西部探礦工程，2016(2):35-36．

［6］中華人民共和國建設部．GB 50086—2001錨桿噴射混凝土支護技術規范［S］．北京:中國計劃出版社，2001．

［7］鐵道部經濟規劃研究院．鐵路隧道工程施工技術指南［M］．北京:中國鐵道出版社，2008．

［8］中華人民共和國鐵道部．TB 10003—2005鐵路隧道設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

Construction Technology and Risk Control in Replacing Whole Lining of Liangshui Tunnel

WANG Shaohong，DU Lingkun，WANG Lingchao
(CCCC-SHEC Railway Engineering Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710065，China)

Based on field investigations，the causes of cracking and clearance interfering of lining of Liangshui tunnel were analyzed．A construction plan of replacing whole lining of tunnel was proposed．T he construction procedures and key points during replacement were elaborated．T he risk control measures during key procedures including arch wall lining removing，primary support removing and tunnel invert removing were provided．

T unnel lining;Replacing whole lining;Construction technology;Risk control

U455．91

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．16

1003-1995(2016)12-0057-04

(責任審編葛全紅)

2016-07-10;

2016-10-20

王少宏(1972—)，男，高級工程師。