鐵路隧道黃土 Ⅳ級圍巖換拱施工技術(shù)

吳發(fā)展，張獻偉

（1.中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201；2.中鐵隧道集團太中銀鐵路工程指揮部，陜西 靖邊 718500）

0 引言

黃土隧道的特殊工程性質(zhì)，施工常伴隨有圍巖大變形現(xiàn)象，周鵬等［1］研究穿越陡坎地形的偏壓黃土隧道大變形時空特征，基于監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，得出初期支護沿時空分布的變形特征。于新軍［2］針對黃土隧道塌方現(xiàn)象，從黃土地層、水文地質(zhì)、地形方面研究黃土隧道變形機理，指導黃土隧道支護與變形控制。張博［3］探討三車道黃土隧道穿越?jīng)_溝段圍巖易出現(xiàn)初期支護大變形的控制措施，合理的地表防排水使掌子面相對干燥是關(guān)鍵。楊偉等［4］結(jié)合黃土隧道初期支護侵限的實踐，對侵限部位采取換拱的方式，提高結(jié)構(gòu)的安全性。鐵路 SJS-Ⅴ 標隧道施工中出現(xiàn)不同程度的變形侵限，需要對侵限地段做換拱處理。

1 工程概況

鐵路 SJS-Ⅴ 標隧道進口里程為 DK345+430，出口里程為 DK 350+005，全長 4 575 m，隧道全段位于直線上，線間距均為 4.4 m，隧道范圍內(nèi)均為 11 ‰ 的上坡，隧道最大埋深 175.60 m。隧址區(qū)域?qū)冱S土梁峁溝壑區(qū)，隧道進口 DK 345+934 掌子面為第三系粉質(zhì)黏土，黃褐色，硬～軟塑，含水量較大，土體穩(wěn)定性差。DK 345+855～DK 345+934 里程段已經(jīng)按照設(shè)計黃土 Ⅳ 級圍巖非絕緣下錨段“施隧參 09-84”圖進行了施工，但在中臺階左右兩側(cè)出現(xiàn)了不同程度的變形（見圖 1、圖 2、表 1），右側(cè)因變形侵限的里程段為DK 345+855～DK 345+869，最大侵限 39.3 cm，左側(cè)因變形侵限的里程段為 DK 345+884～DK 345+925，最大侵限 57.4 cm，由于變形侵限，為保證隧道空間和結(jié)構(gòu)安全，需要對侵限地段做換拱處理。

圖1 上、中臺階拱架接頭處縱向開裂

圖2 格柵鋼架拉裂變形

表1 變形換拱施工里程部位表

2 工程數(shù)量

根據(jù)變形侵限情況，統(tǒng)計出換拱工程數(shù)量如表 2 所示。

表2 換拱工程數(shù)量表

3 施工方案

換拱應(yīng)先支撐、弱拆除、強支護［5］，從 DK 345+855開始，在中臺階底部和上臺階增加水平支撐，水平支撐增加完之后再進行兩側(cè)侵限部位的換拱；換拱采取在原有拱架割斷位置增加縱梁，在原有拱架之間增加一榀I 20a 型鋼鋼架，上部與縱梁連接，然后再割除原有格柵鋼架，換上 I 20a 型鋼鋼架，換好的拱架間距為 50 cm，所有縱梁及新?lián)Q拱架都采用 I 20a 工字鋼，換好的拱架在與原來的拱架連接處上下各增加 3 根鎖腳錨管，且換好的拱架也必須及時在中臺階底部增加水平撐。

嚴格按照審批的施工組織施工；換拱必須逐榀順序更換，且左右兩側(cè)不得同時進行，在換拱期間，加快初期支護仰拱的施工進度，縮短臺階距離；加強監(jiān)控量測，提高量測頻率，隨時指導施工；備足應(yīng)急物資；24 h 安排人員安全值班。

3.1 準備工作

3.1.1 斷面檢查

測量組對初期支護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［6］。根據(jù)斷面圖所反映出的隧道超欠挖的里程、部位，綜合研究確定出每段合理的換拱部位。

根據(jù)各段不同的換拱部位制定出有針對性的換拱方案，并進行技術(shù)交底。測量組根據(jù)技術(shù)交底在現(xiàn)場用油漆標出換拱的起止里程、部位，方便現(xiàn)場換拱施工。

3.1.2 支撐加固

在進行正式換拱前，對待換拱的部位用 I 20a 工字鋼進行加固：各支撐由洞內(nèi)掌子面向洞外方向依次進行安裝，各支撐安裝順序為頂部水平橫支撐→豎支撐→斜撐→底部水平橫支撐，支撐加固完后再由洞外方向往洞內(nèi)方向依次進行換拱施工。

1）頂部水平橫支撐。施工前把作業(yè)臺架移至待安裝橫撐位置，在測量組已標識出的換拱位置，對侵限拱架用風鎬鑿除格柵表面的混凝土，用于固定橫撐兩端。利用鑿除混凝土的時間把加工好的橫支撐用裝載機配合人工放到作業(yè)臺架上（見圖 3）。

圖3 換拱前橫支撐、豎支撐加固

在鑿好橫撐支點的位置，人工把橫撐兩端安放在預定位置，用 80 mm×80 mm×8 mm 的角鋼和 Φ22 螺紋鋼把橫撐兩端與鑿出的格柵鋼架焊接牢固。

臺架位置橫撐安裝后，用間距 1 m 的 Φ22 鋼筋把單個橫撐連接成一個結(jié)構(gòu)整體，提高橫撐的結(jié)構(gòu)力學性能。

施工時橫撐支點處格柵表面的混凝土清除干凈，焊接時保證橫撐與格柵鋼筋有足夠的焊接長度，焊接質(zhì)量應(yīng)符合規(guī)范要求［7］。橫撐與鋼格柵連接支點的施工質(zhì)量是一個重點控制部位，在施工中引起高度的重視，否則橫撐就存在安全隱患。

2）豎支撐。因橫撐只能抵抗圍巖的水平側(cè)壓力，無法抵抗圍巖豎直方向的壓力，所以在靠換拱一側(cè)增加堅向鋼支撐，鋼支撐用 I20a 工字鋼加工。

換拱位置的豎支撐立兩排，第一排在橫撐 I 20a 工鋼下方對應(yīng)支點位置，第二排在距支點 1 m 處。在施工時用垂球?qū)ωQ撐的垂直度進度校正，每排豎撐確保堅直并在同一條直線上，豎撐底部地面在施工前平整夯實并放置 28 a 槽鋼，豎撐底部全部落在槽鋼上，并與槽鋼焊接固定。為了提高單個豎撐的受力性能，設(shè)計用 Φ22 的螺紋鋼對相鄰豎撐進行連接加固。

3）斜撐。換拱部位處于隧道上中臺階，上臺階與中臺階連接板位置已嚴重開裂變形，初期支護內(nèi)的格柵拱架拉裂變形，該位置初期支護已喪失承載能力，已向隧道中線位置發(fā)生傾斜，一旦失穩(wěn)坍塌將會壓跨旁邊的豎撐而引起隧道更大范圍的坍塌，所以在上中臺階接頭開裂位置下方加斜撐對邊墻進行加固（見圖 4）。根據(jù)邊墻實際傾斜情況，現(xiàn)場確定每榀斜撐傾斜角度和長度，安裝時在斜撐端頭切斜口，以增加支點受力面積。

4）底部水平橫支撐。為了防止換拱部位中臺階底部初期支護向洞內(nèi)收斂變形，在換拱前在每榀拱架底部連接板上 20 cm 的位置安裝水平橫支撐，支撐用 I 20a 工字鋼加工。底部水平橫支撐安裝、加固方法同頂部水平橫支撐，安裝好后及時用間距 1 m 的 Φ22 鋼筋把單個橫撐連接成整體。

3.2 換拱

3.2.1 鑿除侵限部位

對侵限部位的初期支護混凝土進行逐榀鑿除，每次只鑿除一榀拱架范圍，并且等本榀拱架換完噴混凝土覆蓋后才能進行下一榀鑿除施工，采用人工風鎬鑿除施工。

施工時根據(jù)測量組標識的侵限范圍，用風鎬沿拱架上部和兩側(cè)進行切槽，并把槽內(nèi)的初期支護網(wǎng)片、縱向連接筋、鎖腳錨管、系統(tǒng)錨桿、格柵鋼架切斷，使該榀拱架范圍的初期支護與四周初期支護斷開，移除作業(yè)臺架及拱架下方的物品，用挖機挖除該榀拱架。

施工時應(yīng)注意安全，挖機挖除拱架時人員應(yīng)撤離到安全地方；在挖機挖不動時挖機不可用力拍打拱架，以免擾動初期支護后土體引起坍塌，而應(yīng)查找原因進行解決，如四周鋼筋是否完全斷開等。

3.2.2 拆換拱

拆換拱逐榀由拱頂向邊墻逐段拆除［8］，在原有拱架割斷位置增加縱梁，縱梁用 I 20a 工字鋼加工，縱梁與格柵鋼架端頭焊接牢固，在原有格柵鋼架之間增加一榀 I 20a 型鋼鋼架，上部與縱梁連接，下部打L＝4.0 m 鎖腳錨管進行固定，在割除的原格柵鋼架位置換上 I 20a 型鋼鋼架，換好的拱架間距為 50 cm，所有縱梁及新?lián)Q拱架都采用 I 20a 工字鋼，換好的拱架在與原來的拱架連接處上下各增加 3 根L＝4.0 m 鎖腳錨管。

換拱時嚴把拱架接頭連接質(zhì)量關(guān)，連接質(zhì)量的好壞直接影響新?lián)Q拱架的支護強度，新增工字鋼拱架與原格柵在接頭處的連接方式如下：在原格柵拱架割斷位置的 4 根主筋上按設(shè)計圖紙要求焊接連接角鋼，然后連接角鋼與新增工字鋼鋼架連接鋼板用螺栓連接，并且在接觸面處進行焊接加固。換拱時注意開挖面土體坍塌、掉塊傷人。

對換好的拱架進行噴混凝土進行覆蓋，噴混凝土施工工藝同正常斷面施工。施工中超挖部分必須用噴射混凝土回填密實，不許初期支護背后存在空洞。

為了防止新?lián)Q拱架地段出現(xiàn)新的變形，在拱架換完噴混凝土覆蓋后，需在中臺階底部及時增加水平撐，以使中、上臺階及時封閉成環(huán)。

3.2.3 監(jiān)控量測

換拱地段施工完后應(yīng)及時埋置量測點（見圖 5），進行拱頂下沉、周邊收斂量測（見表 3）。換拱地段量測每隔 5 m 布設(shè)一組量測點，量測頻率為 2 次/d，每 12 h 量測一次，在量測完后 2 h 內(nèi)計算出量測結(jié)果，以便及時發(fā)現(xiàn)問題、進行施工處理。

表3 變形段加固后的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)

圖5 換拱段量測點布置示意圖（單位：mm）

4 注意事項

1）保證作業(yè)環(huán)境安全，作業(yè)前檢查現(xiàn)場存在的各種隱患，及時排除，尤其加強對橫撐、豎撐和斜撐的觀測和檢查，發(fā)現(xiàn)彎曲變形等問題立即加強支護，保證臨時支護安全。

2）破拱時，保證操作順序正確，先破除兩側(cè)，再破除上部，最后割除連接鋼架、連接鋼筋和鋼筋網(wǎng)，不得同時進行，每次只允許破除一榀，不得大面積開槽［9］。

3）破拱人員要有安全的作業(yè)平臺，尤其是臨時腳手架，扣件要扣緊，腳手板要用鐵絲固定，不得有探頭板和懸挑板，作業(yè)人員做好個體防護，并隨時注意上方的情況，發(fā)現(xiàn)異常及時撤離。

4）割除連接鋼架、連接鋼筋和鋼筋網(wǎng)時，保證氣瓶使用安全，氧氣瓶、乙炔瓶不得放置在臺階或腳手架下方，應(yīng)離開作業(yè)地點 10 m 以上，氣瓶間距 5 m 以上，防止發(fā)生乙炔氣瓶燃火和爆炸。

5）挖機破除時不得在換拱段范圍內(nèi)作業(yè)，應(yīng)在換拱段后方的安全部位，并在作業(yè)過程中嚴禁擾動破除范圍外的拱架和初期支護。

6）拱架拆除后，及時清除危險因素，清理好接拱部位，上部割開的花拱部位提前焊好角鋼接頭，立拱時保證足夠的人員，嚴格按照測量組的交底保證位置正確，保證接頭平順。

5 結(jié)語

在變形嚴重地段，初期支護強度無法承擔圍巖形變壓力，采取臨時支撐等應(yīng)急措施提高圍巖整體剛度，防止突發(fā)性形變。

換好的拱架在與原來的拱架連接處上下各增加 3 根鎖腳錨管，且換好的拱架也必須及時在中臺階底部增加水平撐，保證換拱質(zhì)量及施工安全。

為了防止新?lián)Q拱架地段出現(xiàn)新的變形，在拱架換完噴混凝土覆蓋后，在中臺階底部及時增加水平撐，以使中、上臺階及時封閉，封閉成環(huán)后變形趨于穩(wěn)定。Q