隧道围岩变形换拱施工安全管理

刘平成

（甘肃路桥第四公路工程有限责任公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

在公路工程施工中难度最大的分项目为隧道工程，在施工期间会受到地质情况的影响，一旦出现土体塑性变形、滑坡断层等问题，将会造成塌方、初支喷射混凝开裂、钢拱架变形等灾害的发生。为保证隧道工程施工的顺利进行，需结合Ⅴ级围岩隧道围岩变形实际情况，强化变形换拱施工技术安全管理。因此对于Ⅴ级围岩隧道围岩变形换拱施工技术安全管理的探究具有重要意义。

1 工程概况

某高速公路隧道工程原设计属于V形冲沟，埋深较浅，属于分离式隧道，左行线与右行线长分别为2.086km、2.067km，进口与出口采用端式门洞与削竹式门洞。公路等级为Ⅰ级，行车速度为100km/h。隧道净宽与净高分别为10.76m 与5.1m。隧道初期采用锚网喷混凝土和钢拱架的支护方式，由于地质条件相对较差，需采取不同的超前支护方式，保证施工质量，二次衬砌确定为钢筋混凝土。

病害段地质情况：经过调查发现在病害地质段右线距进洞口22.6～42.6m 的范围内，围岩为厚层块状砂岩。顶板相对比较稳定，但是也有部分地段存在掉块与塌落情况。为避免形成大面积塌落，需及时封闭洞口。换拱的原因：混凝土疏松剥落比较严重，强度下降，难以满足实际使用要求。为保证隧道的使用安全性，需及时换拱。

2 换拱技术简介

公路隧道工程施工中当属于Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩条件时，会使用复合式衬砌或整体式衬砌的方式在隧道洞口施工[1]。在实际施工过程中地层压力、围岩膨胀性压力等都会影响隧道衬砌施工质量，导致公路隧道衬砌出现裂损变形等问题，影响其安全性能，所以换拱是病害处治的重要手段。对受损变形严重的隧道衬砌加固时，新钢拱架是较常使用的方法。应用时要求隧道有足够的净空，便于在衬砌外架设钢拱架；但如果净空没有富余可以采取凿嵌入衬内的方式进行加固。净空有富余时，将钢筋混凝土或型钢混凝土套拱增设到隧道内侧。对于有开裂的衬砌，可通过钢拱架临时利用支护方式局部加固，将侵蚀严重的部分凿除，采取网喷的方式提升错台的承载力。二次衬砌加固可以采取的方法有外贴钢板、高强度碳纤维等。换衬砌需慎重选择，这种方法虽然治理相对比较彻底，但由于费用高、劳动强度等问题无法有效推广。

换拱对于初期支护与二次衬砌而言，具体步骤如下：检测裂损衬砌与围岩，了解具体损坏程度，制订更换方案；为加固围岩，使用注浆方式，更换承载方式；注浆凝固并达到设计强度后，将原有衬砌切割凿除，切除的方法为切槽法[2]。

3 Ⅴ级围岩隧道围岩变形换拱施工安全管理措施

Ⅴ级围岩隧道围岩变形换拱施工安全管理需重视多个细节与要点，首先要做好准备工作，为换拱施工的开展奠定基础，其次需完善监控管理工作，然后开展换拱施工，确保施工的有效性。

3.1 做好准备工作

换拱前需做好准备工作，确保换拱工作的顺利进行。具体需做好下面几项工作。

（1）了解地质资料。通过地资料，明确隧道进口段地质情况，围岩属于Ⅵ级，容易发生变形、塌方等问题[3]。

（2）现场调查。在现场调查时发现拱顶位移较大，且速率不在允许范围内。裂缝产生于初期支护与管棚套拱，裂缝发育较快。

（3）绘制隧道超欠挖断面图。通过检查榀拱架断面净空，为图形绘制提供支持。

（4）标识。根据检测结果，在所需换拱处治的部分进行标记，标记材料为红油漆，标记需精准清晰。

（5）确定换拱方案，做好技术交底[4]。

（6）将换拱的起止里程使用红油漆予以明确，便于换拱施工的开展。

（7）准备好施工机械设备，在施工中所需的机械设备有模板台车、混凝土输送泵、搅拌机等。

3.2 完善监控管理工作

围岩监控是本工程的关键所在，在监控工作开展期间，洞内监控与地表沉降监控是重点所在。地表沉降监控需保持精细化，监控点位需在变形换拱前布置好，布置时需按照10m 纵向间距与5m 横向间距进行确定[5]。在确定中线监测范围时，需合理控制，确保范围在隧道开挖宽度与埋深之和以内。在对洞内进行监控期间，监控点位需布置在护拱上，断面测点要在5～10m内布置，监测工作需每天开展一次，精准记录监测结果，并建立监测台账。同时也要精准计算用水量，为施工的安全开展提供支持。为提升监测精准度，还需使用信息化设备，确保数据监测的可靠性，并为施工安全提供帮助。

3.3 临时加固初期围护

3.3.1 支撑加固

临时加固需在初期支护侵限段使用，在加固前需明确支撑加固要求。通过对施工现场的了解与分析，选择扇形临时支撑架设的方法，临时护拱钢架每两榀设一环；钢板楔紧并焊接为斜向支撑，为固定焊接需使用斜接工字钢于接头处焊接；为保证各个节点与支点能紧密连接，需做好节点紧固工作；支撑拱架间距需针对变形情况予以调整。

3.3.2 隧道全断面径向5m小导管帷幕注浆加固

（1）全断面径向注浆加固工作需在洞内临时钢支撑架设结束，变形稳定后开展。将ϕ42径向注浆小导管设置在洞内全断面，加固处理需从初期支护背后进行。通过梅花形布置注浆孔，保持孔口环向间距、纵向间距分别为100cm、120cm[6]。

（2）注浆钢花管采用ϕ42nm，选择长度为5m 的热轧无缝钢管，壁厚为4mm，管口需埋设牢固，且能做好止浆工作。使用风机钻开注浆孔，水泥-水玻璃双液浆为注浆材料，合理控制注浆压力，宜控制在0.5～1.5MPa。

（3）注浆结束有一定标准，操作人员需确保各项指标符合要求后方可停止注浆。其中注浆量需达到设计标准；注浆压力确保能达到1.5MPa，压力稳定需控制在10min以上，注浆量需在设计注浆量的80%以上。

（4）注浆效果检查。完成注浆后需做好检查工作，了解注浆效果。打设检查孔，深度为4m，检查孔内要无明显渗水现象，允许滴水出现，渗水量控制在2L/h以内，而且要求单轴抗压强度为1.5MPa，这时就说明注浆效果良好。检查孔布置，一般情况下为每个工作区段在拱部及两边墙各一个。检查合格后需及时做全孔封堵处理，封堵材料为M10 水泥砂浆，检查不合格则需补充注浆，确保符合设计标准[7]。

（5）做好安全防护。为避免发生安全事故，在施工过程中需做好安全防护。在施工过程中空间不足，施工人员交叉作业比较常见，为防止发生高空坠物等安全事故，要求在施工现场架设安全网，将防护棚设置在施工出入口。施工人员在施工全过程，必须按照安全管理制度进行操作，并做好安全防护，严格按照安全制度进行操作，设置防护栏，防护栏高度需大于1m。

3.4 做好钢支撑架设

3.4.1 钢支撑的制作要求

侵限换拱施工前，钢支撑制作是关键所在。完成首榀支撑加工后，在水泥地上开展试拼工作，确保尺寸符合要求后，按照图纸开始批量生产。偏差控制十分重要，周边拼装允许偏差、平面翘曲、拱架加工预留变形量需分别控制为±3cm、＜2cm、10～15cm。

3.4.2 初期支护拆除

为确保能满足要求，完成注浆后初期支护的拆除需在围岩变形稳定后进行，拆除的部分为变形超限部分的初期支护单元，拆除需按层进行，从小里程开始向大里程递进，拆除设备为液压破碎炮机辅助风镐，从下向上，先墙后拱进行拆除，每拆除一段就要支护一段。初期支护拆除需严格执行相关要求，确保施工整体质量，在保证安全基础上，保证施工的有序开展。

3.4.3 架设换拱钢支撑

架设换拱钢支撑需注意以下方面：①在正式安装前，需将杂物清除干净，然后使用C25喷射混凝土对超挖部分进行填充；②安装过程中需合理控制偏差，横向高程允许的偏差值为±5cm，垂直度允许偏差需控制为±2°[8]；③在作业面需人工组装钢支撑，使用螺栓将各个节点拧紧，连接接缝需三面焊满；④在钢架外缘需利用混凝土楔子临时楔紧，楔紧间隔距离为2m；⑤对拱顶下沉问题进行控制，钢支撑必须落到实地，严格按照设计要求使用锁脚钢管。

拱架的更换需保证与支护形式的一致性，而且布置间距需根据实际情况进行纵向调整。换拱结束后要立即喷射混凝土，拆换长度需合理控制，不宜过长，同时也要做好防水处理，严格控制二衬混凝土的浇筑[9]。如果支护初期变形情况比较严重，可以将一模二衬长度拆换。在混凝土强度达到设计的75%，台车可以后退，并继续进行换拱工作，对二次侵限进行有效控制，要通过专业的工作人员对工程进行监控与测量。如果在监测期间发现异常需及时处理。

3.4.4 侵限处控制要点

侵限处控制要点如下：①为保证施工安全，换拱前需先设置临时支撑，保证结构安全，避免发生安全事故；②临时支撑架设结束，且注浆后能达到设计要求，才能开展换拱施工；③一榀一榀换拱，严禁两榀同时更换；④对于侵限部分，需做好清除工作，防止发生二次侵限问题；⑤为对拱架进行有效锁固，需使用锁脚锚杆将所有系统锁固；⑥垫实预制混凝土块底部；⑦为控制施工质量，还要对断面进行观测，观测点设置保持3m 间距，监测频率需按照2 次/d、1 次/d、1 次/3d、1次/7d予以确定。

3.5 形成健全的施工保险制度

Ⅴ级围岩隧道围岩变形换拱施工技术安全管理工作的顺利开展，要求能辅助以健全的施工保险制度。施工人员必须购买工程保险，为其提供保障。工程保险对施工人员具有较大的保障，投入较少，但在发生工程事故后能得到一定量的经济补偿，降低事故对施工人员产生的不利影响。同时保险制度对施工人员而言，也有一定激励作用，能不断提升其安全意识，确保安全施工。

4 结语

Ⅴ级围岩隧道围岩变形换拱施工技术安全管理工作的顺利开展，能确保换拱施工的整体质量，减少在施工期间发生的安全事故。在做好施工准备工作的基础上，结合工程实际情况，制订个性化施工方案，优化施工细节，保证施工的安全性。为有效控制Ⅴ级围岩隧道围岩变形换拱施工，还需完善施工保险制度，为施工人员提供一份保障。公路隧道工程施工难度大、专业性强，如何确保施工安全性成为人们关注的重点，尤其是在我国社会经济快速发展背景下，更要重视Ⅴ级围岩隧道围岩变形换拱施工，强化施工技术安全管理，落实安全责任与制度，降低发生安全事故的概率。