中铁七局集团第三工程有限公司 748400
1.前言
我单位施工的兰渝铁路古子山隧道，处于偏压地段，地质复杂多变。其中由我单位负责施工的古子山隧道，长度2517m，在施工过程中常牵动着各级参建单位多位专家的心，多次到施工现场踏勘、研究处理方案，最终得以贯通。
古子山隧道为双线铁路隧道，隧道进口段DK193+769～ DK193+818段开挖揭示围岩为砂岩夹泥岩，岩体整体性一般，部分呈碎土状，稳定性差，部分地段岩层产状扭曲，岩体破碎，掌子面、拱顶有渗水。经围岩取样，作室内试验，岩石单轴饱和抗压强度值为1.9 ～ 2.5Mpa，属极软岩。2011年6月26日，DK193+801段发生突泥、突水，突泥涌至DK193+723处，将作业台架、挂布台架、二衬台车推出约30米，并将挖掘机、自卸车、装载机等大型设备掩埋损坏；突水涌至DK193+656处，最大水深1m左右。洞顶正上方DK193+789～DK193+831处地表形成一个41.8m（长）×33.26m（宽）×15m（深）的陷坑，且周边地表有多处裂缝。突水突泥发生时洞内各作业工序施工情况为：作业面施工里程DK193+801，二衬施工里程DK193+769，仰拱施工里程DK193+790，该处隧道洞身埋深约130m。事后DK193+769 ～ DK193+655段二次衬砌出现多条不同程度的裂缝及变形，缝宽2 ～ 6mm。
在保证安全的前提下对有病害的衬砌混凝土进行拆除，对变形侵限的初支钢架进行拆换后重新施作二衬混凝土，确保施工质量满足设计及规范要求，消除安全质量隐患，保证剩余工程施工安全和后期运营安全。
2.拆换原则及条件
2.1拆换原则
拆换施工遵循“先加固后拆换，先拱部后边墙，边拆除边更换，拆换一处加固一处，及时封闭成环，加强监控量测”的原则。拆换二衬及初支前首先对拆换段及其两侧一定范围进行临时支撑加固和径向注浆加固，来约束和抑制围岩进一步变形，确保拆换施工过程安全。在拆换时对于整个二衬断面和初支断面应由上到下，先拱后墙的顺序进行，拆除某一部位二衬混凝土后在初支注浆加固到位的情况下开始拆除该部位的初支结构并扩挖侵限断面，扩挖到位后及时的采取新的支护和加固措施后方可拆除下一部位的二衬及初支，在拆换时应拆除一榀及时更换一榀，一般更换3 ～ 5m时应及时浇筑衬砌混凝土利用二衬和初支共同承受围岩松弛荷载。
2.2拆换条件
开始进行二衬和初支的拆换前提条件是在预加固结束后，二衬和初支的变形基本趋于稳定，一般收敛速率≤0.2mm/d，沉降速率≤0.15mm/d。
3.拆换施工方案
3.1拆换部位
受掌子面前方塌方及围岩变形的影响，DK193+769 ～ 655段二衬
混凝土及初支不同程度受破坏而侵限，严重影响使用及行车安全。因此，该隧道DK193+769 ～ 655段二衬混凝土及初支部分变形侵限段
进行拆换。
3.2拆换工序组织
为了确保拆换施工的安全，拆换时严格按照以下施工流程组织
施工。具体拆换工序如下：反压回填→临时支撑→注浆加固→拆除二衬混凝土→对变形侵限地段进行量测、标识→拆除钢架接头连接螺栓→拆除钢架→扩挖→重新施工支护→支护加固、注浆→仰拱拆换→重新浇筑衬砌混凝土。
3.3拆换前准备工作
3.3.1、监测及应急处理
① 塌体周边10～15m设置警戒线，并设专人进行盯防，进行警戒工作。
② 塌体及裂缝周边布置测点，进行地表监控量测，前30天的频率为1次/8～12小时，中间30天施做完成后的频率为1次/48～72小时，监控量测延续至地表回填处理完成后不少于30天。
③ 警戒线外设置地表截水沟，截水沟应根据地形条件合理顺坡，地表水排至塌陷区线路右侧沿道路排水沟导出。截水沟应设置三七灰土垫层隔水处理，截水沟尺寸详见下图。
④ 警戒线外的裂缝进行封闭处理，采用细石混凝土灌填裂缝或采用塑料布进行遮蔽处理，便于观察、量测。
3.3.2、洞内抽水清淤
① 配备大功率的抽排水设施，确保在最短时间内抽排完洞内积水。
② 要积极做好监控量测工作，加强对地表、洞内淤积体及周边初支的监测，发现异常，及时采取措施，确保洞内作业人员安全。
③ 加强清淤作业的人员调配和组织指挥，在清淤过程中，采用领导负责制，工区安全、技术负责人必须跟班作业，确保清淤过程安全可控。
④ 清淤作业过程中要加强用电管理，确保施工用电安全。
⑤ 洞内抽排的积水应进行污水处理后合理排放，以免造成污染及引发灾害，淤泥及废弃应选择弃渣场合理堆弃。
经过三个多月，目前洞内淤泥已经清理完毕，每天的涌水量大约在70方；经试验塌体主要为砂质粉土，承载力能够达到35～60kPa，内摩插角约在22～26°；现场试验表明DK193+769～+800段土体，施工中纵向开挖的台阶高宽比控制在1：2.5以内能够自稳，其顶面完全可以作为施工平台。
3.3.3、洞内塌方处理
① DK193+769～+800段初期支护加固注浆
DK193+769～+800段拱顶120°范围内采用径向注浆加固。注浆加固前先将DK193+769～+800段堆积体顶面清理平整，高度以拱顶下挖3.0米控制。径向注浆管采用φ42小导管，长度4.5米，间距按照1.2×1.2米梅花型布置，浆液采用1：1水泥浆；在DK202+800处斜向上方施做长度6米φ42小导管，注浆加固。
② 引排水（见附图2）
DK193+769～+800段注浆加固完成后，在DK193+800工作面拱顶、腰施做5根φ89花钢管引排堆积体中积水。开挖面水平全断面旋喷加固完毕后，再利用超前钻孔排水，泄水孔1m×1m，通过泄水孔向碴体施做φ100PVC管引排塌体内积水。
③ DK193+790～+808段超前支护
利用现有的管棚室在DK193+790～+808段拱部设置φ108大管棚，管棚长度18米，环向间距0.4米，管棚外插角13°。浆液采用1：1水泥浆。
④ DK193+799～+818段上台阶旋喷桩加固堆积体
在DK193+799~801施做堵头墙，堵头墙前方进行水平旋喷作业，旋喷桩长18m，直径为60cm，桩间距50cm，咬合10cm，梅花形布置，搭接长度5m，进行拱顶以下3m全断面旋喷加固。
⑤ 开挖DK193+769～+784段堆积体，施做该段二次衬砌。
⑥ DK193+803～+818段拱顶土体加固。
在DK193+800～+803段开挖管棚室，施做两环旋喷桩加固掌子面前上方土体；水平环向旋喷桩：桩长18m，直径60cm，桩间距40cm，咬合20cm，上下层正三角形布置；旋喷同时应顶入两环φ108大管棚，管棚长18m，环向间距与旋喷桩配套，采用40cm。
⑦ DK193+790～+818段中台阶土体加固。
在DK193+790~792施做堵头墙，堵头墙前方进行水平旋喷作业，旋喷桩长18m，直径为60cm，桩间距50cm，咬合10cm，梅花形布置，搭接长度5m。旋喷范围为拱顶以下3~5m全断面旋喷加固。
⑧ 开挖至DK193+801处时，工法应调整为九部双侧壁工法。结构按照“兰渝施隧变I-23（1）-03”施工，一次支护施工完毕后随即施做径向注浆管，注浆采用6m长φ42小导管，按照1.0×1.0米梅花型布置，1：1水泥浆。
⑨ 塌方段土体开挖到原掌子面位置后2m（DK193+820处），停止开挖，对掌子面进行封闭处理，及时施做已开挖地段的仰拱及二次衬砌，塌方段二次衬砌采用加强钢筋混凝土结构。
3.4拆换施工
3.4.1拆除二衬混凝土
二衬拆除从二衬破坏程度最小的小里程方向向破坏程度最大的
大里程方向推进，二衬混凝土每拆除循环长度严格控制在1.5m以内，
环向共分五次拆除，先拆除拱顶二衬混凝土，再分别拆除左拱腰和
右拱腰，最后拆除左边墙和右边墙。
二衬混凝土拆除时首先采用机械破除，然后采用人工配合风镐清理，拆除时坚持：“少扰动”的原则。隧道消缺施工时，由于围岩自身的自承能力较差，初支极易在不均匀应力的作用下产生较大变形，尤其是在破碎围岩地段施工时由于围岩遇水极易软化，进一步加大了变形，即便是采取了较强的支护和较大的预留变形量也极有可能遭到严重的变形破坏导致初支侵限且变形持续发展。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为了确保施工安全和避免整体坍塌，我部先对衬砌混凝土进行加固，在对已施做的二衬混凝土及已变形、侵限的初支进行拆换处理。
3.4.2对变形侵限地段进行观测和标识
在每一循环二衬混凝土拆除完毕后对已拆除二衬混凝土的初支沿线路方向间隔0.5m采用断面测量仪进行断面测量，局部突出位置需加密。将实测数据断面与设计断面进行对比，确定出侵限段的位置及其具体侵限数据，然后用红油漆在初支表面进行划圈标识，标识范围要超出实际侵限范围1m。对比测量数据的同时，还要观察混凝土是否破坏，钢架是否扭曲变形。对钢架扭曲变形、初支混凝土破坏的部位也要将其纳入拆换的范围进行标识。
3.4.3初支拆除
拆换初支前应对围岩加固措施的效果进行检查、评估，若在二衬混凝土拆除之前径向注浆加固个别部位未加固到位时应在初支拆除前继续进行二次径向注浆加固，在安全可靠的前提下才可进行拆除作业。拆换过程中如发现存在安全隐患，则应立即停止拆换工作，及时进行加固处理。
在确认安全可靠的前提下，开始进行拆除工作。每次拆除钢架纵向长度为一榀钢架间距，环向长度为各个钢架单元长度且一般不超过3m。喷射混凝土破除一般采用风镐进行凿除，单次开槽宽度为一榀钢架宽度，深度至围岩表面即可。当喷射混凝土厚度较厚且设置有双层钢筋网片时，应采用机械破除，后人工风镐凿除。首先拆除钢架单元间接头连接螺栓及其余焊接部件，避免拆除时对相邻段钢架及衬砌混凝土的扰动，将影响范围减到最小。拆除钢架连接螺栓及其余焊接部件时，采用风镐对钢架接头处喷射混凝土凿除，并对连接螺栓和焊接部件进行切割拆除，使其单元间相互断开。
3.4.4围岩扩挖及初喷
为保证初支、二衬的设计厚度，同时防止初支拆换后再次出现二次侵限，围岩扩挖的具体尺寸要充分考虑预留变形量。且扩挖预留变形量不能仅根据围岩级别进行判断，而需要根据量测结果对预留量进行调整，特殊地质流变地段需结合二衬的计划施工时间和量测结果综合考虑确定。在围岩扩挖前，首先根据以上原则确定预留变形量，再结合扩挖前的断面实测值，推算扩挖后的断面尺寸，从而计算出对应部位需要扩挖的具体深度。对侵入初支限界的围岩采用人工配合风镐的方式进行扩挖、修整，扩挖的宽度不大于设计要求的钢架间距。在开挖过程中，发现拱墙部位存在溶腔或涌泥等空洞时必须采用回填混凝土或注浆的方式将其封堵密实。扩挖到位后立即采用喷射混凝土进行初喷封闭开挖面，初喷厚度3-5cm，通过初喷对围岩形成一层保护层，避免渗水的冲刷和围岩的风化加剧。局部超挖处用喷射混凝土回填找平，保证其表面基本平整。
3.4.5钢拱架安装、挂网
（1）内层钢筋网片挂设
根据每次开挖的宽度、长度来决定加工钢筋网片的尺寸，网片与预留钢筋接头采用搭接焊或绑扎，其尽量紧贴初喷混凝土面。待钢架架立完成后，钢筋网片与钢架焊接牢固。
（2）钢拱架安装
由于拆换地段变形加大，拆换后进行支护时通常采用更高强度的钢架并缩短钢架纵向间距，且二次开挖对预留量进行了调整，为保证钢拱架在空间和平面位置能够准确就位，需对钢拱架的几何参数重新设计加工，并严格按照设计要求进行加工，不得随意更改接头位置，改变钢架的受力结构，所有接头应加焊厚钢板，并采用高强螺栓连接牢固。
钢架架立前必须对钢架的线路中线位置、法线方向测量放样，然后背面紧靠内层钢筋网片及初喷混凝土面架立，准确就位后采用纵向连接钢筋固定并焊接牢固。拱架安装时要求各单元节点之间的连接板紧密贴合，所有螺栓都必须拧紧。若个别连接板不能密贴，应插入钢板塞紧，同时将两块连接板进行焊接，与之形成一个整体。
为确保钢架背面与初喷混凝土面之间密贴，故按一定的间距在拱架与初喷混凝土面之间加设垫块并楔紧。为了确保钢架在受力过程中不易发生沉降和变形，钢架拱架处的支垫尤为重要。松散或软弱围岩钢拱架底端须采用强支垫方式进行支垫。支垫一般采用厚钢板或混凝土预制块垫实塞紧，垫块可在下断面拆换过程中重复使用。
（3）外层钢筋网片挂设
变形较大的地段，为提高初支强度和承载能力，通常对网格进行加密或采用内外双层钢筋网片。外层钢筋网片紧贴钢架外侧安装，并与钢架、预留钢筋接头、纵向连接钢筋等进行有效焊接牢固。
3.4.6锁脚锚管、超前小导管、径向锚杆安装
（1）锁脚锚管
钢架接头处是受力最为薄弱，最易发生变形的地方，因此在钢架每个单元接头处附近两侧紧靠钢架位置各打入2 ～ 4根长4 ～ 6m的Ф42注浆小导管进行加固。小导管与钢架焊接牢固，并在该段围岩径向注浆加固或超前注浆加固时对锁脚锚管进行注浆。
（2）超前小导管和径向锚杆
超前小导管和径向锚杆的布置严格按照设计规定的间距和位置设置，并非每榀钢架安装后都需要施作。若该榀钢架拆换位置恰好是应该设置超前小导管或径向锚杆时，在钢架安装到位且锁脚锚管施作完毕后，立即进行超前钻孔或径向钻孔，每钻完一个孔及时安装超前小导管或径向锚杆。
3.4.7混凝土复喷和注浆
（1）混凝土复喷
安装完钢架、钢筋网片、锁脚锚管、超前小导管、径向锚杆等工作后，立即进行混凝土复喷。混凝土复喷前，必须将锁脚锚管、超前小导管、径向锚杆等预留注浆头包裹严实，以防喷射混凝土时将其堵塞，无法满足下一注浆工序施工要求。复喷时拱架外侧混凝土保护层厚度不小于3cm，同时混凝土表面平整度需满足设计及规范要求，以便防水板铺设。喷射混凝土时无论是初喷还是复喷，均应采用湿喷工艺。
（2）锁脚锚管、超前小导管、径向锚杆注浆
为增强初期支护效果和下一拆换扩挖过程的施工安全，通常对已拆换完成段的围岩进行径向注浆加固，对即将拆换和扩挖的段落进行超前注浆加固。喷射混凝土结束并初凝后，对已安装好的锁脚锚管、超前小导管、径向锚杆进行注浆作业。注浆采用水泥净浆或水泥砂浆，具体配合比和注浆压力满足设计及规范要求。
3.5拆换后应及时进行的后续工作
3.5.1加强监控量测
拆换后应加强对拆换段拱顶下沉和水平收敛情况的观测，纵向一般布点间距为1 ～ 2m一组，环向布点一般为5点法，即：拱顶、左右拱腰、左右边墙各1个测点。量测时较通常情况下提高监测频率并及时对数据进行汇总、分析，根据量测数据将变形划分为三个区域，根据各区域变形情况采取不同应对措施，对变形较大的应及时上报，及时采取措施，避免拆换后再次出现侵限的情况。
3.5.2加快仰拱拆换施工
当初支拆换长度达3 ～ 5m且基本稳定时，开始拆换仰拱。拆换仰拱时，仰拱混凝土一次拆除纵向长度严格控制在1.5m范围，尽量采用机械及人工配合风镐凿除，必要时放小炮震松。仰拱混凝土拆除后逐榀拆换仰拱钢架，并特别注意仰拱钢架与边墙钢架的连接。待1.5m范围内的钢架全部拆换完成后及时喷射仰拱混凝土，然后再开始拆换下一个1.5m段的仰拱。当3m范围内的仰拱拆换完成后，及时浇筑该段仰拱混凝土。因仰拱拆换时初支会出现较大变形，故仰拱拆换施工过程中全天候作业，各工序应紧密衔接，尽早浇筑仰拱混凝土。
3.5.3加快二衬施工
仰拱混凝土施工后应尽早施工二衬混凝土，尽可能缩短二衬与拆换工作面之间的距离，一般控制在6m以内。必要时停止二衬及初支拆换面的施工，待拆换后的二衬混凝土紧跟时再开始进行拆换作业。
4.施工注意事项
1、在正式拆换施工前，要认真检查临时支撑是否稳固，注浆固结是否达到预期效果，并分析沉降观测和水平收敛数据，从而判断拆换段是否处于基本稳定状态。通过以上检查和监测，若处于基本稳定状态，则可开始进行拆换施工。否则，还应继续进行加固处理，待基本稳定后方可进行拆换施工。
2、拆换施工开始前，对所有施工人员进行严格的安全培训和技术交底工作，让每个工人都明白拆换施工是隧道施工中的高风险作业，某一个施工环节做不到位，都极有可能导致坍塌事故的发生，故从思想上必须引起高度重视，务必按技术交底要求服从管理、严格执行拆换施工程序，确保拆换施工安全。
3、拆换施工前，必须编制相应的施工应急预案和专项安全技术措施。同时，做好应急预案的演练工作，演练时让所有拆换施工人员参加，让每个工人切实掌握应急救援及逃生要领。
4、拆换施工中，严格控制拟拆换区域及影响区域的预加固质量；构件加工、安装、连接的质量；超前小导管、径向锚杆、锁脚锚管等的注浆质量。
5、隧道扩挖时应根据监控量测数据确定合理的预留量，并对不同地段的预留量进行动态调整，防止围岩的实际变形超过预留量而造成初期支护再次侵限，同时也可以避免预留量过大增加砼回填量。6、施工过程中要加强监控量测，出现变形时要及时的采取措施，如注浆加固、临时仰拱、扇形支撑、增加锚杆、提高钢架型号、缩短钢架间距、增加预留量等措施，而不能一成不变的遵循原设计施工。
7、初支加固、围岩注浆、锁脚锚杆、钢架连接和混凝土施工等要求严格的工序，提前编制详细的作业指导书或安全技术交底，现场严格监督，技术和管理人员跟班作业。
5.结束语
在兰渝铁路古子山隧道二衬破坏、初支侵限的段落拆换施工处理中，综合运用了超前预支护、双层初期支护、反压回填、扇形支撑加固、注浆加固、旋喷桩加固等方式。拆换过程中，二衬混凝土和初支混凝土采用机械破除为主，人工破除为辅的拆除手段。拆换过程中，通过合理安排施工工序，及时调整支护参数，加强现场管理和质量监督，在拆换中未出现坍塌等安全事故及二次变形拆换的情况，达到了快速、安全拆换的目的。故认为上述措施在处理二衬及初支拆换中可行，可在同类工程中参考借鉴。
参考文献：
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[3]孙春森.隧道软弱围岩初期支护变形的处理[J].西部探矿工程，2006。
[4]《铁路隧道工程施工技术指南》，TZ204-2008。
[5]《铁路隧道工程施工质量验收标准》，TB10417-2003。
[6]铁一院，新建兰渝铁路兰州至广元段古子山隧道变更设计施工图。
论文作者:尹航
论文发表刊物:《基层建设》2016年3期
论文发表时间:2016/5/31
标签：钢架论文; 混凝土论文; 围岩论文; 注浆论文; 作业论文; 导管论文; 隧道论文; 《基层建设》2016年3期论文;