中铁二十局集团第四工程有限公司 山东 青岛 266100
摘要：在隧道施工过程中，由于存在诸多不确定因素，原设计支护参数可能无法满足实际地质要求，初期支护就会出现因变形过大而导致侵限。此时，初期支护将丧失承载力，存在较大安全质量隐患，因此必须进行侵限钢架换拱处理。本文根据某重载铁路隧道DK360+806～DK360+923段因围岩压力大，处于偏压地带，周边存在水囊等，上中台阶连接处初期支护出现突发性挤压、钢架变形严重为例，对隧道初支侵限换拱技术及效益进行分析，丰富现有的初支侵限换拱体系结论。
关键词：初支变形；侵限；换拱
1.引言
近几年来，我国铁路、公路等基础设施建设不断发展。受制于地形、成本、工期等因素，隧道在基础设施项目中的应用越来越广泛。但在隧道施工过程中，经常出现拱顶下沉、拱脚收敛导致初支侵限等问题，必须进行换拱处理。
某重载铁路黄土隧道DK360+806～DK360+923段初期支护施工完毕后，出现突发性挤压，钢架严重变形。通过分析初支侵限原因，采取换拱措施，既确保了工程的安全质量，也为项目带来了一定的经济效益。
2.工程概况
2.1设计概况
DK360+806～DK360+923围岩级别为Ⅳ级，岩性特征为砂岩夹泥岩，层状构造，强风化～弱风化，岩体较破碎，呈块碎状镶嵌结构；粉质黏土，硬塑～坚硬，局部含钙质结核，呈大块状压密结构。
2.2原设计支护参数
衬砌类型为Ⅳ级复合式衬砌，初支钢架采用H150型，钢架间距1.0m，超前支护为Φ89管棚+超前小导管，开挖工法为三台阶法。
3.初支变形侵限过程及原因分析
3.1变形侵限过程
2017年3月13日，发现DK360+806～923段部分区域中上台阶连接处分别有肉眼可见的起皮裂纹，目测缝宽5mm。现场作业人员对起皮初支进行了清理，并查看监控量测值均在正常施工范围内，随即对该范围进行了补喷。2017年3月15日，复喷部位未出现起皮裂缝。2017年3月22日，复喷部位初支表面起皮开裂，但监控量测数据显示拱顶沉降及水平收敛数据变化值均在正常施工范围内。2017年3月23日，肉眼可见起皮裂缝变宽，监控量测数据显示最大侵限量已达到69cm。清除开裂初支表面混凝土后，发现钢架变形扭曲严重，上台阶锁脚锚管至连接板处钢架错台明显。上报监理、设计单位，经现场论证立即决定对该段初支进行换拱处理。
3.2原因分析
（1）根据该段初期支护裂纹处有渗水情况判断，隧道周边可能存在水囊等不良地质因素。（2）通过对现场施工顺序排列发现，该施工段地质情况变化快，每段开挖支护后围岩均变形导致初支开裂，采取加固措施后，变形趋于稳定或减小，说明初支钢架刚度不足。（3）隧道开挖改变原有地下水系,地下水顺开挖轮廓线渗出，使围岩变差，围岩级别发生变化。（4）该段处于偏压地带，洞顶地表发现顺线路方向缝宽10～15cm的裂缝,疑似滑坡体，对洞身有一定影响。（5）出现裂纹后对初支逐级进行了加强，分别采用H180、H230、H230加强型钢架，缩小了钢架间距，未能有效遏制初支开裂变形情况，说明围岩应力较设计值大。后采用H230加阻尼器，初支未发生裂缝现象。
4.换拱施工技术
该初支侵限段换拱施工分为三步：首先，初期支护径向注浆加固，防止拆除套拱后初期支护失稳，继续发生变形。其次，更换部份侵限初支拱架及拆除型钢套拱。最后，施作二次衬砌拱墙，同时对二衬拱墙进行加强。
4.1初支径向加固
4.1.1加固范围
对矮边墙以上初支面进行环向径向小导管注浆加固，加固深度3m。如图1所示。
4.1.2加固参数
注浆孔孔口环向间距约1.5m，孔底环向间距约2.3m，纵向间距1.5m，孔深3m，加固范围为初支背后环向3m。注浆管采用Φ42mm，壁厚3.5mm热轧无缝钢花管，钢管长3.0m，注浆管孔口段采用锚固剂锚固。
4.1.3注浆参数
注浆采用普通纯水泥浆，水灰比0.5:1～1:1，根据现场试验确定。注浆压力0.5～1.0Mpa，注浆顺序由下而上进行，按两序孔进行，即先跳孔跳排注单序孔，然后注剩余的二序孔。注浆结束标准以注浆压力升高至1.0Mpa且持续注浆10min以上，注浆量小于初始进浆量的1/4结束注浆。
4.2拆换拱架及套拱拆除
图2拱架拆除施工顺序图
4.2.3拆换顺序
每单元（12米）拆换时，首先拆换无套拱段侵限拱架，由两端向中间交替进行拆换，每拆除一榀更换一榀，后拆换套拱及套拱背后侵限拱架。
4.2.4拱架拆换工艺
全环拱架拆换时，每榀拱架拆除由拱顶向边墙逐榀拆除。局部拱架拆换时，由高向低进行。拆除前用红色油漆标明拆换区域，并在端头未侵限钢架（保留钢架）距拆换截面50cm处施作2根锁脚锚管锚固原有钢架。全环拱架拆除分三部分进行：第一部分拆换拱顶120度拱架，第二部分拆换边墙部分拱架，第三部分拆换剩余边墙拱架。拱架拆换前要求保证径向注浆加固长度不小于2个单元。
拱架拆除时采用破碎锤破碎钢架及周边混凝土，人工用气焊分段切断钢架钢筋及连接钢筋，逐步拆除侵限部位钢架，并修凿围岩基面保证新换拱架安装空间。新换拱架与原有钢架搭接焊，焊缝长度不小于10d(d钢筋直径)，并且确保焊接质量，每榀钢架更换完成后及时喷射C25混凝土。
每单元套拱段侵限钢架拆换完成后再进行套拱拆除。套拱拆除采用破碎锤破除套拱间喷射混凝土，破除时破碎锤与混凝土面夹角小于30度，以减少震动对原设计初支面的破坏。破碎锤无法破除部分采用风镐进行人工破除，套拱间混凝土拆除后人工用氧焊分段切割型钢钢架，并分段拆除。套拱拆除时同样采取逐榀拆除。套拱拆除一榀后及时进行初支断面测量， 油漆标识出初支拆换部位，按上述方法进行初支拆换。
4.3监控量测
监控量测是施工安全的保障，换拱地段监控量测每隔5m设置一组监控量测断面，每12小时测量一次，当量测点破坏后要及时恢复。将监控量测纳入工序作业循环，测量后及时处理量测数据，换拱过程中变形值及采取措施见表1、表2所示。
表1 变形速率管理等级及处置措施
4.4衬砌拱墙施工
每单元拱架拆换完成后，对初支断面进行检测，保证无侵限现象方可进行二衬拱墙施工。二衬拱墙施工采取加强措施，拱墙钢筋主筋直径由原设计Φ18、Φ20调整为Φ22。
5.效益分析
本次初期支护侵限换拱施工在保证该重载铁路隧道安全质量可控的前提下，也为项目带来了一定的经济效益。具体阐述如下：
（1）收入方面：根据业主合同关于变更估价原则条款（15.4.1：已标价工程量清单中有适用于变更工作子目的，采用该子目单价）及相关规定，经计算已施工48延米换拱段增加收入1037734元。（2）成本方面：结合现场实际情况，经调研市场行情及现场写实，测算成本如表3：
表3初期支护侵限换拱成本费用
经测算对比分析，该方案效益为197694元，效益率为19.05%。最大限度的降低了施工安全隐患，确保了施工质量，获得了安全效益、社会信誉及经济效益。
6.结束语
隧道初支侵限后，建议结合地质条件、施工工艺及顺序等对侵限数值、变形特点及原因进行详细分析，制定切实可行的换拱方案，同时做好超前地质预报及监控量测工作。本文通过对DK360+806～DK360+923段初支侵限换拱技术总结及效益分析，使技术人员及操作人员熟悉了工艺流程，同时增加了经济效益，对类似工程的处理具有一定的参考借鉴价值。
参考文献
[1]童威.浅谈岩溶隧道初支侵限段换拱处治技术[J].福建交通科技,2017.
[2]王书涛,李光辉.桦皮岭隧道初支侵限段换拱施工技术研究[J].公路交通科技.2016.
[3]徐立斌.浅谈隧道病害初支侵限整治的经验[J].江西建材,2016.
论文作者:高永伟
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/3
标签：钢架论文; 隧道论文; 围岩论文; 注浆论文; 量测论文; 初期论文; 拱顶论文; 《防护工程》2019年第4期论文;