埔头隧道初支换拱技术应用

范立峰

（三明市公路事业发展中心，福建三明365000）

1 工程概况

1.1 项目简介

埔头隧道位于国道G356 线永安曹远樟林至泥坪公路工程，起讫桩号K4+053—K4+378,隧道处于东西走向展布的丘陵地貌，山体最大高程约310m，设计长325m，进口设计高程242.63m，出口设计高程241.66m；最大埋深60m；为单洞双向短隧道。

埔头隧道出口地势平缓，开挖方案决定从出口向进口开挖，隧道出口地质为强风化凝灰质砂砾岩及残坡积粉质黏性土，岩石强分化、岩体破碎，为极软岩，无自稳能力，侧壁和拱部易发生较大的坍塌，隧道洞口施工采用经专家论证的三台阶预留核心土法施工，进洞段V 级围岩设计支护参数：长30mφ108mm 超前长管棚，L=4.5m、φ42mm 超前小导管，I20b 工字钢拱架纵向间距0.6m，C25 喷射混凝土厚26cm。二次衬砌采用厚50cm 的C30 钢筋混凝土。

1.2 拱顶下沉情况

洞身施工严格按照安全专项施工方案的挖掘方式，当上台阶掌子面施工至K4+333、进洞35m 时，第三方监控量测报告K4+338—K4+360 段拱顶连续3d存在异常下沉，其中K4+348 下沉量达到110mm，且喷射混凝土存在三条明显裂缝，有严重的安全隐患。参建各方研究决定暂时封闭掌子面，同时第三方监控量测单位加密对隧道监测。经过七天的观测，洞内拱顶还在持续下沉，现场最后监测点（K4+348）最大的下沉量达到345mm，钢拱架已经严重变形，裂缝缝宽持续加大、裂缝数量增加，隧道存在重大危险。K4+348和K4+348 初支拱顶下沉-时间曲线图见图1。

图1 K4+348 和K4+348 初支拱顶下沉-时间曲线图

2 拱顶下沉原因分析

根据隧道地质水文资料和隧道施工围岩情况，结合现场监控量测数据，分析拱顶下沉有以下主要原因。

2.1 施工扰动

通过分析数据发现，洞口段围岩在上台阶开挖支护后有一定的自稳能力，自稳时间在10d 左右,当下台阶及仰拱开挖支护（即10d）后围岩变形加大，下台阶至仰拱的施工步距加大、仰拱未及时闭合和掌子面的施工对围岩的扰动加快了前期初支的变形。

2.2 围岩等级差

掌子面开挖后，实际揭露围岩比设计围岩等级更差，洞口段勘探地质为强风化凝灰质砂砾岩及残坡积粉质黏性土，岩石强分化，隧道开挖后发现实际围岩呈砂土状黏性土结构，岩芯破碎，岩体力学强度极低，围岩的自承力仅为颗粒之间的摩擦力，开挖扰动后自稳能力差，变形大，易坍塌。

2.3 地表水作用

因持续的下雨，洞顶截水沟排水不畅，雨水渗入山体，山体水饱和，增加拱上荷载，洞口段围岩在水和施工机械的振动作用下易发生液化现象，加剧了围岩的变形。

2.4 支撑不足

K4+338—K4+360 段按照设计应该处于超前长管棚和超前小导管的交叉支护范围内，发生拱顶下沉可能是管棚不足以支撑上部围岩土体荷载，而使洞身受压严重变形。无论何种进洞开挖方式，洞口段软弱围岩段的超前支护都是长管棚，发生拱顶下沉是隧道基底过于软弱，地基承载力不足以支撑上部围岩和土体荷载，隧道整体下沉，洞身严重变形。隧道进洞前应该加强对洞体周围及洞基的加固处理，防止地表水下渗，提高基底的承载力。

综上分析，该地段的软弱围岩在施工扰动、洞口地质差异和地表水作用下发生液化现象并增加拱上荷载是导致隧道拱顶下沉的主要原因。

3 处理方案

因拱顶还在持续下沉，极易发生隧道整体坍塌，为了防止坍塌造成质量安全事故，对设计单位提出的加固方案经专家论证，决定立即采取“掌子面封闭、洞内回填、山顶卸载、地表注浆、重新开挖、加强监控量测”的处理方案。

4 处理步骤

4.1 掌子面封闭

在拱顶下沉事件发生异常时，施工单位已经对掌子面进行10cm 厚C25 喷射混凝土封闭，同时对隧道口进行全封闭，以防安全事故发生。

4.2 洞内回填和山顶卸载

洞内回填和山顶卸载采用顺序作业，为防止拱顶持续下沉，先对整个隧道进行回填，再按照设计卸载方案把隧道K4+330—K4+368 洞顶山体宽度26m 的土方挖除，保留覆土层5m，山顶卸载和洞内回填不能同时作业，防止隧道安全事故发生。洞内回填采用挖机和装载机配合尽量回填充实。

4.3 地表注浆

4.3.1 完善平台排水系统和边坡防护

隧道上方山体平台注浆前，按照设计完善洞顶平台截水沟及排水沟的施工，防止水继续渗入山体，同时二级仰坡采用锚杆、钢筋网、喷射混凝土相结合的方法，及时安装Φ22mm 砂浆锚杆，并挂上Φ6.5mm钢筋网，湿喷10cm 厚C20 喷射混凝土进行防护[1]。

4.3.2 地表注浆

在平台表面按设计间距梅花形布置，间距1m 标示出锚杆位置，长度延伸至洞口上方，钻眼时按标示位置开钻。采用风钻钻孔，严格控制钻杆方向，钻孔深度不小于设计长度的95%。

钻眼完成后用高压风清孔，并将锚杆边旋边送入眼孔，检查眼孔是否平直畅通，不合格者重新钻眼。

在合格的眼孔中安装好锚头的Φ42mm 热轧无缝钢花管锚杆，安装止浆塞、垫板和螺母。

锚杆安设完毕后，注入水泥浆。采用42.5 级普通硅酸盐水泥单浆液，水泥浆水灰比采用1∶1，注浆压力0.5～1.0MPa，注浆时要注意将管中的气体排出，确保浆液注满孔体，并向周围土体扩散。水泥浆宜边拌边用，停留时间不多于0.5h，注浆方式采用分段注浆，开泵前旋转压力调节旋钮将油压调到要求的油压刻度上，随注浆阻力的增大，泵压随之升高，当达到调定值时，会自动停机，不至于产生超压注浆的危险[2]。

4.4 地表监控量测

地表下沉量测在隧道洞口和隧道通过浅埋段时应作为监控量测的必测项目。在洞室中心线上，每5m 设一个测点，横断面沿衬砌中线隧道拱顶范围设定每2～3m 一个测点，其他每3～5m 一个测点。注浆完成后，通过每天的地表监控量测数据绘制每一横断面沉降槽、最大沉降量随时间的变化关系图，并进行回归分析，当发现洞口段地表下沉速度具有稳定趋势时，方可进行洞身重新挖掘工作。通过分析变化关系图，发现在注浆完成后第三天埔头隧道洞口段地表下沉具有稳定趋势。

4.5 实施换拱施工步骤和工艺流程图

《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2017）中隧道洞身开挖和混凝土衬砌应符合的基本要求为：应严格控制欠挖，拱脚、墙角以上1m 范围内严禁欠挖；当石质坚硬时，岩石个别凸出部分可突入衬砌断面，但凸入不得大于30mm，衬砌时欠挖值不得大于50mm；衬砌施工前初期支护断面严重侵限时应及时处理；90%的检查点的衬砌厚度≥设计厚度，且最小厚度≥0.5 设计厚度[3]。

利用全站仪测出初期支护断面侵限的起点，更换到隧道的初支断面符合设计要求为止。K4+360 初支变形横断面、K4+338 初支变形横断面见图2 和图3。

图2 K4+360 初支变形横断面

图3 K4+338 初支变形横断面

按照隧道洞口换拱安全专项施工方案的专家论证和洞内回填土的实际状况，决定拱架更换采用三台阶预留核心土法开挖施工，施工过程中严格遵循“管超前、浆严注、短进尺、弱爆破、强支护、早成环、勤量测”的原则。在进行K4+360 上台阶挖掘前，先对K4+360—K4+368 初支稳定段施作仰拱和仰拱回填，保证隧道洞口处稳定，然后按照三台阶法开挖施工顺序进行初支换拱。三台阶法开挖施工工序示意图见图4。

图4 三台阶法开挖施工工序示意图

施工换拱步骤：

第一步，拱部超前小导管注浆预支护。超前小导管采用外径φ42mm、壁厚4mm，长度4.5m 的热轧无缝钢管加工制成，环向间距40cm，纵向间距为300cm；

第二步，环形开挖上台阶I-1。为减少对围岩的扰动，采用风镐凿除初期支护喷射混凝土，并按顺序切断原有的钢筋网、连接筋和钢拱架；

第三步，施作上台阶初期支护①(包括安装钢拱架、挂钢筋网、安装系统锚管、锁脚锚管、喷混凝土)；

第四步，开挖中台阶两侧Ⅱ、Ⅲ；

第五步，施作中台阶初期支护②、③(包括安装钢拱架、挂钢筋网、安装锁脚锚管、喷混凝土)；

第六步，开挖下台阶两侧Ⅳ、Ⅴ；

第七步，施作下台阶初期支护④、⑤(包括安装钢拱架、挂钢筋网、安装锁脚锚管、喷混凝土)；

第八步，封闭仰拱初期支护；

第九步，施作仰拱和仰拱回填。

5 更换拱架技术要点

要点一，地表注浆水泥浆进浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小泵量低压力注浆或间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝胶，但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间。

要点二，超前小导管在钻眼过程中，如碰到长管棚钢管，需重新定位钻眼，严格按照设计图纸要求做好超前支护，防止隧道拱顶坍塌及掉块；超前小导管以紧靠开挖面的钢架为支点，小导管尾段与钢架焊联，打入钢管后注浆，形成管栅支护环，施工中必须保证注浆质量。

要点三，进行上台阶换拱作业时，每循环仅能一榀一榀进行更换作业，中下台阶左右两侧必须跳槽开挖并及时施作初期支护，双侧交错落底，避免上台阶两侧拱脚同时悬空，在事故段落单侧每次落底长度不大于1 榀拱架；在正常围岩单侧每次落底长度不大于2 榀拱架。

要点四，仰拱要及时跟进。在初期支护形成“闭合”结构前，为减少初支下沉量，每个台阶安装钢拱架时，严格按照设计要求做好锁脚锚管，并在钢拱架基底设一块钢质“托板”，以增大受力面积，减少下沉量；钢拱架安装时注意钢架的垂直度，防止出现左前右后或前倾后倒现象，并与锚杆及纵向连接钢筋焊接，使之成为整体。

要点五，加强对已支护地段的量测，不仅能掌握围岩变形特征，也是直接判断初期支护是否安全可靠的一个重要方法，对预防塌方有着不可估量的作用。加强洞内拱顶下沉监控观测频率和地表裂缝发展情况，并结合地表下沉量测数据，决定是否进行下一道工序，保证隧道的稳定安全。如果发现量测数据有异常趋势时暂停施工，对监测数据进行分析并及时调整开挖方式和修正支护参数再组织施工作业。

要点六，隧道主洞开挖按设计要求预留变形量，根据围岩监控量测结果及时调整预留变形量。当隧道水平位移收敛速度为0.1～0.2mm/d，拱顶下沉位移速度为0.1mm/d 时，可以认为围岩已基本稳定，及时施作二次衬砌。

要点七，在作业区域设置逃生通道、急救箱等救援物质。

6 结语

目前埔头隧道已经贯通，结合该项目工程实例，对软弱围岩隧道施工有如下几点经验。一是隧道进洞开挖前，应做好洞口截排水措施，防止地表水下渗，降低隧道基底地基承载力；二是对于洞口地质处于残坡积或全风化砂土状地层，地表地下水较为丰富情况下，隧道进洞前可采用井点降水结合地表注浆等措施，降低地下水位，加固洞体周围土体，提高隧道的整体稳定性；三是软弱围岩段落施工应尽量采用短进尺，预留核心土分步开挖，下台阶及时跟进，二衬及时跟进，并尽量早施工闭合成环，提高隧道整体的刚度和稳定性；四是软弱围岩段落隧道开挖，可加大隧道预留变形量，防止隧道开挖后变形侵限。