铁路隧道黄土 Ⅳ级围岩换拱施工技术

吴发展，张献伟

（1.中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201；2.中铁隧道集团太中银铁路工程指挥部，陕西 靖边 718500）

0 引言

黄土隧道的特殊工程性质，施工常伴随有围岩大变形现象，周鹏等［1］研究穿越陡坎地形的偏压黄土隧道大变形时空特征，基于监控量测数据，得出初期支护沿时空分布的变形特征。于新军［2］针对黄土隧道塌方现象，从黄土地层、水文地质、地形方面研究黄土隧道变形机理，指导黄土隧道支护与变形控制。张博［3］探讨三车道黄土隧道穿越冲沟段围岩易出现初期支护大变形的控制措施，合理的地表防排水使掌子面相对干燥是关键。杨伟等［4］结合黄土隧道初期支护侵限的实践，对侵限部位采取换拱的方式，提高结构的安全性。铁路 SJS-Ⅴ 标隧道施工中出现不同程度的变形侵限，需要对侵限地段做换拱处理。

1 工程概况

铁路 SJS-Ⅴ 标隧道进口里程为 DK345+430，出口里程为 DK 350+005，全长 4 575 m，隧道全段位于直线上，线间距均为 4.4 m，隧道范围内均为 11 ‰ 的上坡，隧道最大埋深 175.60 m。隧址区域属黄土梁峁沟壑区，隧道进口 DK 345+934 掌子面为第三系粉质黏土，黄褐色，硬～软塑，含水量较大，土体稳定性差。DK 345+855～DK 345+934 里程段已经按照设计黄土 Ⅳ 级围岩非绝缘下锚段“施隧参 09-84”图进行了施工，但在中台阶左右两侧出现了不同程度的变形（见图 1、图 2、表 1），右侧因变形侵限的里程段为DK 345+855～DK 345+869，最大侵限 39.3 cm，左侧因变形侵限的里程段为 DK 345+884～DK 345+925，最大侵限 57.4 cm，由于变形侵限，为保证隧道空间和结构安全，需要对侵限地段做换拱处理。

图1 上、中台阶拱架接头处纵向开裂

图2 格栅钢架拉裂变形

表1 变形换拱施工里程部位表

2 工程数量

根据变形侵限情况，统计出换拱工程数量如表 2 所示。

表2 换拱工程数量表

3 施工方案

换拱应先支撑、弱拆除、强支护［5］，从 DK 345+855开始，在中台阶底部和上台阶增加水平支撑，水平支撑增加完之后再进行两侧侵限部位的换拱；换拱采取在原有拱架割断位置增加纵梁，在原有拱架之间增加一榀I 20a 型钢钢架，上部与纵梁连接，然后再割除原有格栅钢架，换上 I 20a 型钢钢架，换好的拱架间距为 50 cm，所有纵梁及新换拱架都采用 I 20a 工字钢，换好的拱架在与原来的拱架连接处上下各增加 3 根锁脚锚管，且换好的拱架也必须及时在中台阶底部增加水平撑。

严格按照审批的施工组织施工；换拱必须逐榀顺序更换，且左右两侧不得同时进行，在换拱期间，加快初期支护仰拱的施工进度，缩短台阶距离；加强监控量测，提高量测频率，随时指导施工；备足应急物资；24 h 安排人员安全值班。

3.1 准备工作

3.1.1 断面检查

测量组对初期支护变形地段每榀拱架进行断面净空检查，并绘出超欠挖断面图［6］。根据断面图所反映出的隧道超欠挖的里程、部位，综合研究确定出每段合理的换拱部位。

根据各段不同的换拱部位制定出有针对性的换拱方案，并进行技术交底。测量组根据技术交底在现场用油漆标出换拱的起止里程、部位，方便现场换拱施工。

3.1.2 支撑加固

在进行正式换拱前，对待换拱的部位用 I 20a 工字钢进行加固：各支撑由洞内掌子面向洞外方向依次进行安装，各支撑安装顺序为顶部水平横支撑→竖支撑→斜撑→底部水平横支撑，支撑加固完后再由洞外方向往洞内方向依次进行换拱施工。

1）顶部水平横支撑。施工前把作业台架移至待安装横撑位置，在测量组已标识出的换拱位置，对侵限拱架用风镐凿除格栅表面的混凝土，用于固定横撑两端。利用凿除混凝土的时间把加工好的横支撑用装载机配合人工放到作业台架上（见图 3）。

图3 换拱前横支撑、竖支撑加固

在凿好横撑支点的位置，人工把横撑两端安放在预定位置，用 80 mm×80 mm×8 mm 的角钢和 Φ22 螺纹钢把横撑两端与凿出的格栅钢架焊接牢固。

台架位置横撑安装后，用间距 1 m 的 Φ22 钢筋把单个横撑连接成一个结构整体，提高横撑的结构力学性能。

施工时横撑支点处格栅表面的混凝土清除干净，焊接时保证横撑与格栅钢筋有足够的焊接长度，焊接质量应符合规范要求［7］。横撑与钢格栅连接支点的施工质量是一个重点控制部位，在施工中引起高度的重视，否则横撑就存在安全隐患。

2）竖支撑。因横撑只能抵抗围岩的水平侧压力，无法抵抗围岩竖直方向的压力，所以在靠换拱一侧增加坚向钢支撑，钢支撑用 I20a 工字钢加工。

换拱位置的竖支撑立两排，第一排在横撑 I 20a 工钢下方对应支点位置，第二排在距支点 1 m 处。在施工时用垂球对竖撑的垂直度进度校正，每排竖撑确保坚直并在同一条直线上，竖撑底部地面在施工前平整夯实并放置 28 a 槽钢，竖撑底部全部落在槽钢上，并与槽钢焊接固定。为了提高单个竖撑的受力性能，设计用 Φ22 的螺纹钢对相邻竖撑进行连接加固。

3）斜撑。换拱部位处于隧道上中台阶，上台阶与中台阶连接板位置已严重开裂变形，初期支护内的格栅拱架拉裂变形，该位置初期支护已丧失承载能力，已向隧道中线位置发生倾斜，一旦失稳坍塌将会压跨旁边的竖撑而引起隧道更大范围的坍塌，所以在上中台阶接头开裂位置下方加斜撑对边墙进行加固（见图 4）。根据边墙实际倾斜情况，现场确定每榀斜撑倾斜角度和长度，安装时在斜撑端头切斜口，以增加支点受力面积。

4）底部水平横支撑。为了防止换拱部位中台阶底部初期支护向洞内收敛变形，在换拱前在每榀拱架底部连接板上 20 cm 的位置安装水平横支撑，支撑用 I 20a 工字钢加工。底部水平横支撑安装、加固方法同顶部水平横支撑，安装好后及时用间距 1 m 的 Φ22 钢筋把单个横撑连接成整体。

3.2 换拱

3.2.1 凿除侵限部位

对侵限部位的初期支护混凝土进行逐榀凿除，每次只凿除一榀拱架范围，并且等本榀拱架换完喷混凝土覆盖后才能进行下一榀凿除施工，采用人工风镐凿除施工。

施工时根据测量组标识的侵限范围，用风镐沿拱架上部和两侧进行切槽，并把槽内的初期支护网片、纵向连接筋、锁脚锚管、系统锚杆、格栅钢架切断，使该榀拱架范围的初期支护与四周初期支护断开，移除作业台架及拱架下方的物品，用挖机挖除该榀拱架。

施工时应注意安全，挖机挖除拱架时人员应撤离到安全地方；在挖机挖不动时挖机不可用力拍打拱架，以免扰动初期支护后土体引起坍塌，而应查找原因进行解决，如四周钢筋是否完全断开等。

3.2.2 拆换拱

拆换拱逐榀由拱顶向边墙逐段拆除［8］，在原有拱架割断位置增加纵梁，纵梁用 I 20a 工字钢加工，纵梁与格栅钢架端头焊接牢固，在原有格栅钢架之间增加一榀 I 20a 型钢钢架，上部与纵梁连接，下部打L＝4.0 m 锁脚锚管进行固定，在割除的原格栅钢架位置换上 I 20a 型钢钢架，换好的拱架间距为 50 cm，所有纵梁及新换拱架都采用 I 20a 工字钢，换好的拱架在与原来的拱架连接处上下各增加 3 根L＝4.0 m 锁脚锚管。

换拱时严把拱架接头连接质量关，连接质量的好坏直接影响新换拱架的支护强度，新增工字钢拱架与原格栅在接头处的连接方式如下：在原格栅拱架割断位置的 4 根主筋上按设计图纸要求焊接连接角钢，然后连接角钢与新增工字钢钢架连接钢板用螺栓连接，并且在接触面处进行焊接加固。换拱时注意开挖面土体坍塌、掉块伤人。

对换好的拱架进行喷混凝土进行覆盖，喷混凝土施工工艺同正常断面施工。施工中超挖部分必须用喷射混凝土回填密实，不许初期支护背后存在空洞。

为了防止新换拱架地段出现新的变形，在拱架换完喷混凝土覆盖后，需在中台阶底部及时增加水平撑，以使中、上台阶及时封闭成环。

3.2.3 监控量测

换拱地段施工完后应及时埋置量测点（见图 5），进行拱顶下沉、周边收敛量测（见表 3）。换拱地段量测每隔 5 m 布设一组量测点，量测频率为 2 次/d，每 12 h 量测一次，在量测完后 2 h 内计算出量测结果，以便及时发现问题、进行施工处理。

表3 变形段加固后的监控量测数据

图5 换拱段量测点布置示意图（单位：mm）

4 注意事项

1）保证作业环境安全，作业前检查现场存在的各种隐患，及时排除，尤其加强对横撑、竖撑和斜撑的观测和检查，发现弯曲变形等问题立即加强支护，保证临时支护安全。

2）破拱时，保证操作顺序正确，先破除两侧，再破除上部，最后割除连接钢架、连接钢筋和钢筋网，不得同时进行，每次只允许破除一榀，不得大面积开槽［9］。

3）破拱人员要有安全的作业平台，尤其是临时脚手架，扣件要扣紧，脚手板要用铁丝固定，不得有探头板和悬挑板，作业人员做好个体防护，并随时注意上方的情况，发现异常及时撤离。

4）割除连接钢架、连接钢筋和钢筋网时，保证气瓶使用安全，氧气瓶、乙炔瓶不得放置在台阶或脚手架下方，应离开作业地点 10 m 以上，气瓶间距 5 m 以上，防止发生乙炔气瓶燃火和爆炸。

5）挖机破除时不得在换拱段范围内作业，应在换拱段后方的安全部位，并在作业过程中严禁扰动破除范围外的拱架和初期支护。

6）拱架拆除后，及时清除危险因素，清理好接拱部位，上部割开的花拱部位提前焊好角钢接头，立拱时保证足够的人员，严格按照测量组的交底保证位置正确，保证接头平顺。

5 结语

在变形严重地段，初期支护强度无法承担围岩形变压力，采取临时支撑等应急措施提高围岩整体刚度，防止突发性形变。

换好的拱架在与原来的拱架连接处上下各增加 3 根锁脚锚管，且换好的拱架也必须及时在中台阶底部增加水平撑，保证换拱质量及施工安全。

为了防止新换拱架地段出现新的变形，在拱架换完喷混凝土覆盖后，在中台阶底部及时增加水平撑，以使中、上台阶及时封闭，封闭成环后变形趋于稳定。Q