某高速公路隧道初期支護侵限段換拱施工技術研究

王艷波

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

某高速公路隧道為小凈距隧道，左線全長596 m，起止里程為ZK32+047—ZK32+643。進口端樁號ZK32+066—ZK32+231 段為V 級圍巖，圍巖主要為第四系殘坡積粉質黏土和泥盆系下統帽子峰組全-強風化泥質砂巖組成，強度低，結構面發(fā)育，結合差，碎裂狀結構，穩(wěn)定性差，地下水出水狀態(tài)為淋雨狀出水，雨季有涌流狀出水。為保證進洞安全，采用CD法施工[1]，XS-Va襯砌支護參數，其具體參數如表1 所示。

表1 XS-Va 襯砌支護參數表

1 工程背景

ZK32+127—ZK32+145 段初期支護已施工完成，仰拱尚未開挖。此段受圍巖變形和地下水作用影響，初期支護開裂、變形嚴重。經現場監(jiān)理測量初期支護斷面，結果顯示初期支護已侵入二次襯砌內，最大侵限尺寸達29.5 cm，圖1 及圖2 為ZK32+130 及ZK32+140 兩處樁號初期支護斷面示意圖。

圖1 ZK32+130 處初期支護斷面測量圖

圖2 ZK32+140 處初期支護斷面測量圖

圖3 超前中管棚設計圖

由于原初期支護侵限嚴重，無法施做二次襯砌，需對初期支護進行換拱處理。為保證此段初期支護換拱安全，在ZK32+127—ZK32+145 段增設臨時豎向、斜向支撐，同時拱部100°范圍內增設超前中管棚，管棚采用φ76、壁厚5 mm 熱軋無縫鋼管，每根長18 m，共40 根，外插角3°～5°（可根據實際情況作適當調整），環(huán)向間距30 cm，由于該段裂隙水發(fā)育，管棚注漿采用雙漿液，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.5，水玻璃濃度35 波美度，圖3 為超前中管棚設計圖。同時換拱段每榀增加8 根φ76 鎖腳注漿錨管，長6 m，注雙液漿，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.5，水玻璃濃度35 波美度。

2 施工方案

換拱前在ZK32+127—ZK32+142 段增設I20a臨時豎向、斜向支撐，縱向間距50 cm，鋼支撐底部焊接通長設置的40 cm×1 cm（寬×厚）鋼板，鋼板底端設置φ40 注漿小導管，長度6 m，縱向間距50 cm，并與鋼板焊接牢固，小導管頂部設置60 cm×60 cm（寬×高）C20 混凝土支撐縱梁；在 ZK32+126—ZK32+127 段進行超前中管棚施工，為換拱提供預支護，保證換拱施工安全。待超前中管棚內漿液達到設計強度后，再逐榀進行換拱施工。每換6 榀鋼拱架，停止換拱，進行仰拱施工，仰拱施工完成，再按前面所述進行換拱和仰拱交替施工，直至全部換拱施工完成。已換拱段根據監(jiān)控量測資料，待初期支護穩(wěn)定后，及時施工二襯，做到二襯緊跟。

2.1 超前中管棚施工

利用進口端預留60 cm 下沉量作為超前中管棚工作室，在ZK32+126—ZK32+127 段上導坑處設置內套拱；套拱內設三榀I20a 工字鋼，拱腳采用φ76鎖腳錨管，長度6 m，每榀4 根；鋼拱架外側設Φ110 導向管，間距30 cm，共40 根，并用鋼筋將導向套在鋼拱架上固定牢固；套拱混凝土采用C25 噴射混凝土，厚度30 cm。噴射混凝土達到設計強度，即進行鉆孔、安管、注漿等管棚工藝施工。

2.1.1 內套拱施工

a）根據測量組放出隧道套拱開挖輪廓線，將上半斷面輪廓線以外的土石方清除掉，洞口預留核心土，核心土待管棚施作完后才能擴挖。

b）施工隊根據測量交底及現場樁點，安裝工字鋼拱架。套拱內的鋼構件由三榀間距50 cm 的Ⅰ20a工字鋼拱架、40 根間距 30 cm 的 φ110×4 mm 孔口管、φ14 固定鋼筋及φ22 拱架連接鋼筋組成。鋼拱架縱向以φ22 螺紋鋼連接，縱向連接鋼筋的環(huán)向間距為1.0 m。鋼拱架端部焊在（22×22×1.5）cm 的鋼板上，焊接采用雙面焊，焊縫厚度不小于5 mm，鋼拱架段與段之間采用螺栓對接。

c）孔口管按照1°～3°的外插角精確定位，并用φ14 固定鋼筋與工字鋼牢固焊接為一整體。孔口管安裝完畢后，經測量組復測，滿足精度要求后安裝模板。

d）C25 套拱噴射混凝土在拌和站集中拌制，以自卸車運抵工作面，采用濕噴機噴射。

2.1.2 中管棚施工

a）噴射混凝土達到設計強度的80%后，可準備鉆孔作業(yè)，鉆孔前需對每個孔進行編號并噴上標記。

b）鉆機對位后，在技術人員和測量工的指導下，擺正大臂，按設計調正好鉆孔的水平偏角和仰角，然后開鉆。鉆孔前后仔細檢查扶正器、導向器和鉆桿三者是否同軸，避免在鉆進中套管偏斜，導致發(fā)生斜孔和加不進鉆桿及鋼套的困難。鉆孔順序為：先鉆有孔的鋼花管，即有孔管。由一臺鉆機從中間進行鉆孔，注漿后再打無孔管，無孔管作為檢查管，檢查注漿質量。

c）管棚鋼管均采用φ76×5 mm 熱軋無縫鋼管，節(jié)長3 m、6 m，管棚采用絲扣連接，絲扣長度15 cm。鋼管四周鉆設孔徑10 mm 注漿孔（靠孔口2.5 m 處的棚管不鉆孔），呈梅花型布置，管頭加工成圓錐形便于入孔，長度10 cm。

d）鋼花管頂進采用人工配合挖掘機的方式頂進鋼管，為了使鋼管接頭錯開，插管時，編號為奇數孔位的第一節(jié)鋼管如果是6 m 長，那么偶數孔眼的第一節(jié)鋼管就為3 m，避免管棚接頭在同一截面受力。

e）管棚的外露端頭安裝好閘閥，做好相關準備工作后即可進行注漿，漿液由高速制漿機拌制。

f）注漿材料為水泥漿液（添加水泥漿液體積5%水玻璃），水泥漿水灰比控制在1∶1，水玻璃濃度35波美度，注漿初壓1 MPa，終壓2.0～2.5 MPa。

g）注漿前先噴混凝土封閉掌子面以防漏液，注漿順序應由兩側拱腰開始，逐漸往上壓至拱頂。一般單管達到設計注漿量作為注漿結束的標準，未達到壓力要求，繼續(xù)注漿，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙充填飽滿。當進漿量小于20～25 L/min，注漿壓力逐步升高，達到設計終壓（2.5 MPa）后穩(wěn)定10 min以上，關掉閘閥結束單孔注漿。

2.2 換拱施工

對侵限的初期支護用炮頭挖機按從上到下的順序逐榀拆除，拆除一榀鋼拱架且斷面開挖到位后（預留下沉量30 cm），重新施作初期支護。

2.2.1 鋼拱架施工

鋼拱架采用I20a 工字鋼（Q235 鋼）組成，工字鋼在洞外分段按設計加工成型，段與段之間采用螺栓連接，I20a 工字鋼焊接在（22×22×1.5）cm 鋼板上。鋼支撐縱向采用Φ22 鋼筋連接，環(huán)向間距為0.5 m，與鋼支撐焊接。鋼支撐均采用雙面焊，焊縫厚度不小于5 mm。初噴混凝土之后在洞內進行安裝，與定位筋焊接。鋼架間設縱向連接筋，用噴混凝土填平。鋼架拱腳必須安放在牢固的基礎上，架立時垂直隧道中線，當鋼架和圍巖之間間隙過大時設置墊塊，用噴混凝土噴填。隧道各部開挖完成出噴混凝土后，分單元及時安裝鋼架，利用雙側鎖腳錨管固定，鋼架安裝前把按設計加工好的各單元鋼架組織試拼，檢查鋼架尺寸及輪廓是否合格。

2.2.2 鎖腳錨管施工

鎖腳錨管的工藝流程為：立拱架→鉆孔→驗收孔深→錨管制作及安裝→U 型或L 型卡筋焊接固定。

a）立架 按照設計要求立鋼架。

b）鉆孔 立架后即時進行鎖腳錨管施工，鉆孔前先標識出需鉆孔的位置，鉆孔角為30°，位置位于拱腳上方30 cm 處，鉆孔深度大于錨管錨固長度的95%，但超長值不大于10 cm。

c）安裝 安裝時用鑿巖機直接將鋼管打入孔中。保持錨管的外露長度為25 cm。

d）U 型或 L 型卡筋焊接固定。

e）注漿 錨管注漿采用NZ130a 型專用錨管注漿機。為了保證注漿不停頓地進行，注漿前應認真檢查注漿機的狀況是否良好，配件是否備齊；制漿的原材料是否備齊，質量是否合格等。

2.2.3 鋼筋網片施工

采用雙層φ6 鋼筋網，間距20×20 cm，全斷面布設。

2.2.4 噴射混凝土施工

噴射混凝土采用C25 早強混凝土，XS-Va型襯砌噴射厚度26 cm。噴射混凝土應采用潮噴工藝進行施工。噴射混凝土分段、分片由下而上順序進行，一次噴射厚度控制在6 cm 以下，噴射時插入長度比設計厚度大5 cm 鐵絲，每1～2 m 設1 根，用來控制施工噴層厚度。后一層噴射在前層混凝土終凝后進行，新噴射混凝土按規(guī)定灑水養(yǎng)護。

3 結語

本文以某在建高速公路隧道初期支護侵限段為工程背景，通過在初支侵限段增加豎向及斜向支撐、φ76 cm 超前中管棚及增設鎖腳錨管等工程措施，保證了換拱的順利進行，得出結論如下：

a）換拱之前應根據設計圖紙施作超前支護。

b）臨時支撐不能全部一塊拆除，應拆除一榀，換一榀拱架。換拱完成后，應立即施作仰拱，仰拱施工完成，再進行換拱作業(yè)。

c）施工中應密切關注圍巖穩(wěn)定情況，勤測量地表沉降及洞內收斂變形，掌握圍巖變化規(guī)律，以便及時采取有效措施，確保施工安全。