高速公路隧道換拱施工方案及流程分析

摘要 隨著交通基礎設施的不斷發展，高速公路隧道的維護與更新日益重要，隧道換拱是高速公路隧道維護中的關鍵工程，涉及拆除舊拱、處理基礎、安裝新拱等多個步驟。該文重點探討了高速公路隧道換拱施工的策略及流程，介紹了換拱施工前的準備工作，闡述了拱架拆除與新拱架安裝的過程，此外還討論了換拱后監控測量的措施和標準，以確保整個換拱施工過程的順利進行和隧道結構的長期穩定性。

關鍵詞 隧道換拱；施工方案；流程分析

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）18-0098-04

0 引言

高速公路隧道作為現代交通網絡的重要組成部分，其安全性與穩定性至關重要。在長期的運營過程中，隧道拱部可能會出現各種病害，需要進行及時的維修和更換，因此該文旨在深入研究和分析高速公路隧道換拱施工的方案及流程，為實際工程提供理論依據和實踐指導。

1 工程概況

花山1號隧道進口端位于寧南縣竹壽鎮陽甸村境內，出口端位于寧南縣松林鎮花山村境內，花山1號隧道左洞起訖樁號為ZK268+219～ZK270+650，長2 431 m，V級圍巖979 m，IV級圍巖1 452 m；花山1號隧道右洞起訖樁號為K268+204～K270+660，長2 456 m，V級圍巖1 010 m，IV級圍巖1 446 m；共計2處車行橫道、6處人行橫道，全長198.85 m；緊急停車帶2處，全長140 m；寧南端及攀枝花端洞口洞門形式均采取端墻式，不良地質有斷層、沖溝、不穩定斜坡、崩塌、巖溶、瓦斯地層等。

花山1號隧道設計為雙向分離式隧道，最大埋深325 m，拱高7.15 m，洞寬11.0 m。隧道斷面采用三心圓曲線邊墻式斷面，上半圓半徑為5.53 m，隧道建筑限凈寬為11 m，凈高為5 m，左線設計縱坡2.496/2 431 m，右線設計縱坡2.480/2 445 m。隧道洞身結構按新奧法施工原理進行設計，即以系統錨桿、噴射混凝土、鋼筋網、鋼架等組成的初期支護與二次模筑混凝土相結合的復合襯砌形式，二次襯砌采用C30防水混凝土。

2 隧道換拱成因

花山1號隧道出口端左線ZK269+980～ZK270+030段初支變形開裂，滲水，監控量測數據顯示拱墻侵限嚴重，遂決定對該段初支施作護拱，加強支護，防止拱墻繼續變形。現護拱施工已完成，經監測，拱墻已趨于穩定狀態，遂決定對侵限部位拱墻進行換拱處理。

3 施工要求

（1）加強警戒與巡查

初支結構一旦發生變形或開裂，不僅可能危及施工安全，還可能給后續施工帶來極大的隱患，因此對于初支變形的預防與應對措施，必須予以高度的重視。當發現初支結構出現變形段落時，應立即設置警戒線，以阻止無關人員靠近。在警戒線的設置過程中，應確保標識明顯、易于識別，并配以必要的警示標語，以提醒人們注意安全，同時，對洞內已有的初支結構進行全面排查也是至關重要的。排查工作應細致入微，不留死角，以確保能夠及時發現其他可能存在的變形或開裂段落，在排查過程中，若發現初支變形段落有增加的趨勢，或者初支開裂變形的情況加劇，應立即啟動預警機制[1]。

預警機制的啟動意味著必須迅速撤離洞內相關人員，確保他們的生命安全，此外還應及時上報參建各方，以便各方能夠迅速作出反應，共同應對初支變形帶來的挑戰。參建各方包括設計單位、施工單位、監理單位等，其各自擁有不同的專業知識和技能，只有協同合作，才能有效地解決初支變形問題。

通過加強施工現場的安全管理，增強工人的安全意識和操作技能，可以有效地減少初支變形的發生，完善施工方法和技術措施，以提高隧道施工的安全性和效率[2]。

（2）加強監控量測

加強洞內初支變形收斂的監控量測頻率，一天監測兩次，加密測量點，建議該段5 m布設一個點[3]。如變形過大或有異常及時反饋參建各方，同時，針對目前的情況，建議施工單位也同時對初支變形情況進行監測，若監控數據有異常應及時預警并上報參建各方。

（3）施工注意事項

加強既有初支的變形監測，包含初支裂縫觀測、監控數據，若有異常立即上報，現場隱患排查、應急處治時應設置安全員旁站，若有異常及時撤出相關人員與設備。嚴禁在ZK269+980～ZK270+030段初支補強施工前，開挖此段下臺階，嚴禁在初期支護變形收斂之前澆筑二襯，二襯澆筑前必須對初期支護凈空進行掃描檢測，嚴禁二襯侵入隧道建筑限界。

4 施工工藝流程

換拱施工工藝流程如圖1所示。

5 施工方法及步驟

（1）準備工作

測量組對初支變形地段的每榀拱架進行斷面凈空檢查，檢查內容包括拱架的尺寸、形狀、位置以及變形情況等，通過數據分析和比對，測量組準確掌握每榀拱架的實際情況，基于斷面凈空檢查的結果，繪制詳細的超欠挖斷面圖，對比分析超欠挖斷面圖判斷和調整施工方案。

（2）注漿管加固

拆除施工之前，進行現場勘查，對周邊巖體的全面安全評估，檢查隧道周圍是否有開裂、掉塊或其他可能表明巖體不穩定的安全隱患，確保周邊環境安全后，進行注漿管的安裝、注漿工作。打設L=3 m、φ42 mm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1 m（環向）×1 m（縱向）。注漿采用1∶1水泥漿，注漿壓力1.2～1.4 MPa，計提注漿壓力根據施工過程中圍巖變化、注漿情況適當調整，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。

（3）監測及鑿除侵限部位混凝土

換拱施工開始前，監測圍巖變形、壓力情況及拱頂下沉情況，保證圍巖穩定和施工安全，對量測數據進行分析處理，掌握地層穩定性變化規律，及時調整、修整支護參數及施工方法。當隧道周邊變形趨勢有明顯減緩說明隧道變形基本處于穩定狀態，然后對拱架表面侵限位置的混凝土進行精細的鑿除工作。進行剝離超挖施工前，在拱頂區域噴上一層混凝土，預防剝離超挖施工過程中可能出現的拱頂零星掉塊，確保施工人員的安全。剝離完超挖部分的圍巖后，為了防止新的掉塊傷人，立即進行第二次噴漿作業，噴漿完成后，迅速架立拱架，確保隧道結構的穩定性和安全性[4]。

（4）拆除部位拱架

每次僅操作一榀拱架，遵循從上至下的順序進行，先用人工風鎬鏟除噴射混凝土后，再松動螺絲，螺絲松動順序為先一端完后，再松動另一端，松動另一端螺絲時，應用機械配合人工穩固拱架，使其兩端螺絲拆除完后拱架不直接掉下砸傷人或砸壞物。第一榀采用風鎬鑿除的寬度略比鋼支撐寬，鑿除一節，安裝一節鋼支撐。換第二榀時，鑿除寬度為第一榀與第二榀之前的設計寬度，嚴禁放炮或劇烈震動造成寬度過大，拱架安裝完成后及時搭設鎖腳錨桿進行固定，并與鋼支撐焊接牢固，鎖腳錨桿長度L=3.5 m，焊接好單層φ8 mm鋼筋網后，噴射26 cm厚C20的混凝土，施工第三榀及第四榀方法同第二榀，在此過程中，嚴禁進行交叉作業，以確保施工現場的安全和秩序。

（5）安裝新拱架

在拱架拆除后，立即更換新拱架是確保工程連續性和穩定性的關鍵步驟[5-7]，新拱架采用冷彎成型技術，冷彎成型技術能夠精確控制拱架的形狀和尺寸，從而滿足工程要求。焊接部位必須嚴格避免出現假焊、漏焊現象，因為此類問題都可能導致拱架在受力時發生斷裂，此外焊縫表面也不能有裂紋、漏焊等缺陷，為了確保拱架安裝的準確性，架設拱架時，測量人員需要精確確定拱架所在里程點的中線、法線和高程。這些參數的準確性直接關系到拱架是否能夠正確安裝并發揮應有的支撐作用，在鋼拱架架立過程中，連接螺栓的擰緊程度和數量都需要符合設計要求。此外，節點板必須緊密貼合并對正，以確保拱架的整體受力性能，拱腳下方的松渣和虛渣應及時清除，并在下方增加墊塊以確保拱架的穩定性和受力均勻性，相鄰拱架之間采用φ22 mm鋼筋進行縱向連接，并通過焊接牢固地連接在一起。焊接可以增強拱架的整體穩定性，使其能夠更好地承受來自上方的壓力，在上導拱架中，每榀鎖腳小導管的數量增加至四個，長度達到3 m。而在下導拱架中，每榀鎖腳小導管的數量增加至兩個，長度同樣為3 m，這樣的設計可以增加拱架在受力時的穩定性，并提高其承載能力。

（6）噴射混凝土

噴射混凝土的坍落度是反映混凝土流動性和可泵性的重要指標，在施工過程中，坍落度的控制至關重要。根據工程實踐和相關研究，噴射混凝土的坍落度宜控制在80～120 mm范圍內，此范圍的坍落度既能保證混凝土的流動性，又能確保其在噴射過程中不易發生離析和泌水現象，從而保證噴射混凝土的均勻性和密實性[8]。

在噴射混凝土施工過程中，鋼支撐起到了關鍵作用，首先鋼支撐能夠有效支撐噴射混凝土的初凝體，防止其變形和塌陷，其次鋼支撐與噴射混凝土之間形成良好的黏結，使兩者共同受力，提高整體結構的承載能力和穩定性，為了實現鋼支撐與混凝土的緊密連接，施工過程中需先將鋼支撐之間的空隙噴滿混凝土，然后逐步覆蓋整個鋼支撐，確保鋼支撐與混凝土之間的有效連接。

噴射混凝土作業應遵循分段、分片、分層依次進行的原則，首先從低洼處開始噴射，大致噴平后再自下而上順序進行，每一層的噴射應覆蓋前一層的一半，以保證混凝土的均勻分布和密實性，同時在噴射過程中要注意控制噴射速度和角度，避免混凝土產生沖刷和空鼓現象，此外噴射作業還應注意施工環境的溫度和濕度等因素，以確保混凝土的質量和強度。

6 監測監控措施

換拱后，監控測量是隧道施工中至關重要的環節，其目的是通過對隧道的地質狀態、拱頂沉降、地表沉降及周邊位移等進行實時的量測，對圍巖和支護、襯砌的力學行為以及其之間的力學關系進行觀察和評價，從而確保隧道的穩定性和安全性。

在監控測量過程中，要進行洞內外觀察，在隧道每次開挖完成之后，觀察工作面狀態、圍巖變形、圍巖風化情況，分析其完整性和穩定性，判斷其與設計是否一致，此外還需觀察是否存在裂隙和剝落，地表是否存在鼓起現象[9]。對于隧道洞外觀察，重點應放在洞口段及淺埋段，觀察地表是否出現裂縫、沉陷、邊坡和仰坡穩定狀態等，以判斷隧道的開挖是否影響到洞外，監測控制標準和預警標準如表1所示。

（1）實測最大值或回歸預測最大值應不大于允許值或設計最大值。

（2）根據位移速率判別：

1）當位移速率小于0.2 mm/d時，則認為圍巖位移達到基本穩定；

2）當位移速率在0.2～1.0 mm/d時，應加強觀測，做好加固的準備；

3）當位移速率大于1.0 mm/d時，圍巖處于急劇變形狀態，應加強初期支護；

4）當位移速率大于5.0 mm/d時，加大監測頻率，并報警，進行加固。

（3）根據位移時態曲線的形態判別：

1）當位移速率不斷下降時（du2/d2t<0），表明圍巖趨于穩定狀態；

2）當位移速率保持不變時（du2/d2t=0），表明圍巖不穩定，應考慮加強支護；

3）當位移速率不斷上升時（du2/d2t>0），表示圍巖進入危險狀態，必須立即停止開挖，加強支護[10]。

8 結語

高速公路隧道換拱施工是一項技術復雜、安全要求高的工程，施工方案的設計首先必須基于詳盡的現場勘查和安全評估，確保施工過程中的每一步都緊密銜接，減少安全隱患。其次，注漿作業和拱架安裝是換拱施工中的關鍵環節，需要嚴格按照規范操作，確保施工質量和穩定性，監控測量和數據分析至關重要，其為及時調整施工方案、確保后續施工效果提供了有力支持。隨著技術的不斷進步和工程需求的不斷變化，需要持續更新和完善施工方案，以適應新的挑戰和需求。

參考文獻

[1]黃俊平.不同地質條件下的隧道初支換拱施工技術及應用[J].福建交通科技，2019（2）：117-120.

[2]劉國偉，周永新，張海波，等.軟弱地質隧道初期支護下沉換拱施工技術[J].施工技術，2018（S4）：1426-1428.

[3]蒙江濤.淺談豹子岔隧道換拱施工方案[J].公路交通科技（應用技術版），2016（8）：67-68.

[4]黃景林，楊明舉.隧道洞口段仰坡失穩探析及處治措施[J].公路，2014（8）：292-295.

[5]汪風華.論寧績高速公路周灣隧道山體變形處治技術[J].廣東科技，2014（14）：109-110.

[6]孟秀元.淺談淺埋濕陷性黃土地區隧道穿越結構物施工方法[J].公路，2014（5）：189-192.

[7]李格玲.關于公路隧道軟弱圍巖初期支護施工技術的研究[J].科學之友，201（12）：60-61.

[8]夏潤禾.三臺階六部短距法在鐵路隧道施工中的應用研究[J].鐵道工程學報，2012（3）：58-63.

[9]羅琛.公路隧道軟弱圍巖超前支護與深空注漿施工技術研究[J].科技創新導報，2011（9）：70+120.

[10]楊維，張劍，侯小紅.馬埡口隧道變形換拱施工方案研究[J].交通標準化，2010（20）：125-128.