重載鐵路隧道膨脹巖段換拱擴挖施工技術探討

劉天鋼

【摘要】本論文依托浩吉鐵路土建工程18標段方山1號隧道，在施工階段中，曾一度把泥灰巖判斷為白云巖、凝灰巖，泥灰巖遇水后，容易引發二襯開裂、初支開裂等多種病害，嚴重影響了隧道結構穩定與安全。針對隧道膨脹性泥灰巖造成的病害，總結了一種隧道膨脹巖段換拱擴挖施工技術，解決了膨脹巖應急處理時拱頂嚴重變形侵限，確保了應急處理是膨脹巖洞段的安全。

【關鍵詞】重載鐵路;隧道;膨脹巖;換拱擴挖? ? ? ? ? ?【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.34.057

1、依托工程概述

本文依托工程為浩吉鐵路土建工程十八標段方山1號隧道工程。在浩吉鐵路方山1號隧道在施工階段，曾一度把泥灰巖判斷為白云巖、凝灰巖，主要是因為它們在干燥情況下，顏色、強度較為接近。隨著雨季到來，泥灰巖遇水后，病害才逐漸被揭示出來，出現了二襯開裂、初支開裂、承載力不足等多種病害，嚴重影響了隧道結構穩定與安全。雖然在出現病害后進行加強支護、襯砌，但是在進行擴挖、變形鋼架換拱施工時安全隱患極大，極易發生隧頂垮塌等安全問題。泥灰巖段施工中出現了多次變形嚴重超限情況，應急加固處理為施工的關鍵。

2、隧道膨脹巖換拱擴挖施工技術工藝原理

一種隧道膨脹巖段換拱擴挖施工方法包括應急處理加強的臨時支拱和后續的換拱擴挖工藝，其中，臨時支拱和換拱擴挖工藝均采用以原相鄰支拱為一單元段、順序單元依次施工工藝;即，從隧道入口段開始，首先完成第一單元的臨時支拱施工，依次順序完成余下單元的臨時支拱后，再從隧道入口段開始，完成第一單元的換拱擴挖施工，依次順序完成余下單元的換拱擴挖施工。具體見下圖1。

一種隧道膨脹巖段換拱擴挖施工方法結構原理圖（1）

一種隧道膨脹巖段換拱擴挖施工方法結構原理上圖2（2）

具體施工工藝如下：

S1.在膨脹巖段增設5m徑向注漿進行注漿加固;

S2.拱頂增設φ42、L=3.0m超前小導管;

S3.拆除施工單元中間臨時支拱的工字鋼架;

S4.鑿除施工單元原既有鋼架支拱之間的混凝土，鑿除寬度為1.0m，噴射混凝土，拆除順序，為先拱墻后邊墻的原則進行，先拆除拱部混凝土，然后拆除變形嚴重的邊墻混凝土，然后拆除另一側邊墻混凝土;

S5.擴挖至設計斷面后，進行初噴支護，然后在施工單元原既有鋼架支拱之間安裝新格柵拱架，安裝順序原則為先安裝入口端第一拱架、再順序第二拱架;將施工單元原既有鋼架支拱之間按隧道走向長度均分為四段，于第一段設置第一拱架、第三段設置第二拱架;

S6.重復S3、S4、S5進行后續一單元的施工;

S7.拆除施工單元的原既有鋼架支拱和同一斷面的臨時支拱，擴挖至設計斷面，連接兩側鋼筋網片，噴射混凝土;

S8.重復上述步驟進行后續一單元的換拱擴挖施工。

3、隧道膨脹巖換拱擴挖施工技術主要施工方法

3.1變形段初支斷面超欠挖檢查

對初支變形地段每榀拱架進行斷面凈空檢查，并繪出超欠挖斷面圖。在現場用油漆標出換拱的起止里程、部位，方便現場換拱施工。

3.2換拱部位臨時支撐加固及拆除

換拱前，首先對已施做的初期支護進行徑向注漿及臨時加固，防止在換拱的過程中局部變形過大導致塌方，在原有的鋼架的位置架立臨時支撐。

變形段采用橫向支撐加固，采用Φ108鋼管，橫支撐每隔2.4m設置一處，在原初支鋼架A單元與B單元接頭處兩端拱架連接處上下各400mm位置設置20cm×20cm×1.5cm鋼墊板。并用Φ42mm鋼管做斜撐對橫支撐進行加固。每道橫撐之間采用Φ42mm鋼管做剪刀撐狀加固，確保橫撐不變形。

在拆除臨時支撐時，必須保證前一榀換拱拱架已封閉成環，每循環換拱施工封閉成環后拆除下榀臨時支撐。在換拱施工時要對下一拼臨時支撐進行監控量測，如果數據有突變，則需要立即停止換拱作業對臨時支撐進行加固，監測數據穩定后方可進行換拱作業。

3.3施作徑向注漿

變形段初期支護打設L=5m、Φ42mm注漿小導管，沿隧道拱墻周壁進行圍巖徑向注漿加固。注漿鋼管間距為2m（環向）×2m（縱向）。注漿采用1：1水泥漿，注漿壓力1.0～1.5MPa，具體注漿壓力根據施工過程中圍巖變化、注漿情況、范圍適當調整。

注漿前要對注漿設備及壓力表進行檢驗，每次注漿前要確保壓力表歸零，安排專人觀察注漿壓力值。待漿液凝固后，結合凈空測量數據，變形穩定后方可進行換拱處理。

3.4超前小導管

圓形擴挖斷面拱部120°范圍設Φ42超前注漿小導管，環向間距0.4m，每環設置28根;小導管每根長4.5m，縱向每2榀鋼架施作1循環;外插角控制在5°～10°，可根據實際情況調整。超前小導管配合鋼架使用，利用上一循環架立的鋼架施作隧道超前支護。

3.5拆除初期支護混凝土

對換拱部位混凝土進行拆除，先拆除變形較大一側，然后拆除變形較小一側，混凝土拆除采取挖掘機（配置破碎錘、松土器）配合人工風鎬的施工方式。

鑿除循序為先拱后墻，拆除至鋼筋網或連接筋混凝土面時，要優先切斷鋼筋網及連接筋，確保全部切斷后方可對剩余混凝土進行鑿除。在拆除噴射砼過程中對既有的鋼筋網及連接筋采用水焊進行切割處理。拆除后進行擴挖至設計輪廓線，擴挖后對巖面進行混凝土初噴。初噴封閉圍巖后再進行初期支護施工。

3.6架設工型鋼及噴射砼

變形段架設工22型鋼鋼架，鋼架間距為60cm，拱腳打設Φ50mm鎖腳錨管，兩邊拱腰、拱腳及墻角每節點各2根，每根長5m，與巖面成45°角打設，注水泥漿;安裝Φ8鋼筋網，網格尺寸20×20cm，鋼拱架處外露20cm作為搭接預留筋;縱向每2榀鋼架采用Φ22mm鋼筋縱向連接，環向間距100cm，外露10cm作為搭接預留筋;C25網噴射混凝土厚30cm。架立鋼架按照先AB單元，再C單元，最后封閉成環的支護順序進行。

3.7拆除原有鋼架、新鋼架安裝

新鋼架安裝及混凝土支護完成4榀之后，可以拆除該范圍內原有鋼架，拆除順序先拱部后邊墻原則，擴挖鑿除混凝土至設計斷面，連接兩側鋼筋網片及鋼架連接筋，噴射混凝土支護。

（1）新鋼架安裝

鋼架安裝在初噴完成后進行。鋼架間距0.6m/榀，每榀拱架之間縱向連接采用Φ22螺紋鋼，環向間距1.0m。

A.連接筋與鋼架、連接筋與連接筋應焊接牢固。

B.鋼架各段間的連接采用螺栓連接，連接板間應密貼，螺栓必須擰緊，連接板連接無法密貼到位時，必須用鋼板焊接密實。

C.鋼架安裝前應清除腳底下的虛砟及雜物，拱腳必須放在牢固的基礎上。

D.架立時測量人員全過程進行測量控制，及時調整拱架的位置和高程，保證拱架的位置和高程符合要求。

（2）鎖腳錨桿

每榀鋼架在左、右側拱腳打設Φ50mm鎖腳錨管，墻角每節點各2根，每根長5m。

（3）縱向連接

鋼架間縱向連接采用Φ22螺紋鋼連接，環向平行布置，環向間距1.0m。連接筋的加工長度應大于鋼架間距，施工過程中應預留出下一循環的搭接長度，連接鋼筋縱應與拱架及鋼筋網片焊接牢固。

（4）鋼筋網片

鋼筋網片采用φ8鋼筋焊制，在鋼筋加工場內集中加工。先用鋼筋調直機把鋼筋調直，再截成鋼筋條，鋼筋網片尺寸根據拱架間距綜合考慮確定，網格大小為20cm*20cm布置。

3.8 噴射混凝土

噴射混凝土作業應采用分段、分片、分層依次進行，噴射順序應自下而上，分段長度不宜大于6m。噴射時先將低洼處大致噴平，再自下而上順序分層、往復噴射。

噴射混凝土分段施工時，上次噴混凝土應預留斜面，斜面寬度為200～300mm，斜面上需用壓力水沖洗潤濕后再行噴射混凝土。分片噴射要自下而上進行并先噴鋼架與壁面間混凝土，再噴兩鋼架之間混凝土。邊墻噴混凝土應從墻腳開始向上噴射，使回彈不致裹入最后噴層。分層噴射時，后一層噴射應在前一層混凝土終凝后進行，若終凝1h后再進行噴射時，應先用風水清洗噴層表面。

4、實施效果

隧道膨脹巖段換拱擴挖施工技術在浩吉鐵路施工中成功用于多個隧道，不僅適用于隧道膨脹巖段施工，也適用于隧道拱頂巖溶地質處理，其中浩吉鐵路方山1號隧道采用該技術擴挖換拱30m，其他軟弱互層淺埋洞段采用該工法擴挖換拱55m;紅土嶺隧道兩個巖溶洞段采用該技術擴挖換拱32m。同時該技術也在國際工程雅萬高鐵軟巖隧道施工中應用，取得了較好地效果。

結語：

重載鐵路隧道膨脹巖段換拱擴挖施工技術針對隧道膨脹巖自由膨脹率高的特性設計，與常規的換拱方法相比，該施工技術提高了隧道初期支護加套拱組合支護的抗變形能力，換拱時合理安排了拆除順序，保證了套拱拆除過程中的隧道初期支護穩定，有效的控制了隧道膨脹巖石加固處理后的隧道凈空，能夠保證二襯厚度滿足設計要求，對國內外類似工程施工有較高的參考價值和指導意義。

參考文獻：

[1]石玉龍.膨脹巖隧道圍巖參數反演與穩定性分析[D].西安理工大學碩士學位論文.

[2]秦文濤.芒鞏隧道施工監測及初支變形超標段處治技術研究[D].中國地質大學（北京）碩士學位論文.

[3]許崇幫，王華牢.含石膏泥灰巖地質特點及隧道工程影響分析.交通運輸部公路科學研究院橋梁隧道研究中心[J].地下空間與工程學報，2020年01期.