隧道换拱施工方法及用于隧道换拱施工中的施工结构

摘要

本发明公开了一种隧道换拱施工方法，包括以下步骤：在隧道侵限段下方搭建临时支撑，在隧道原初期支护的拱部表面钻注浆孔，将钢花管伸入到注浆孔内并压注水泥浆，以加固隧道开挖轮廓线外的围岩；再在隧道拱部沿环向设置超前管棚，最后按照原初期支护钢拱架的间距逐榀拆除原初期支护，每拆除一榀后紧接着重做一榀，拆除-重作交替进行，直至完成隧道侵限段的全部换拱施工。本发明的施工结构包括基础梁、临时支撑和钢拱架，临时支撑的基础架设于基础梁上，临时支撑的顶部支承住钢拱架；钢拱架上方均匀分布有注浆孔和超前管棚，注浆孔中设有钢花管，超前管棚主要由钢花管组成。本发明具有工序简单明了、安全系数高、承载能力恢复程度快等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道施工过程中的施工工法及施工结构，尤其涉及一种隧道换拱施工方法及用于隧道换拱施工中的施工结构。

背景技术

目前公路隧道施工一般采用钻爆法，设计一般采用新奥法，即在开挖过程中充分利用围岩自身的承载能力，先在开挖时施作初期支护限制围岩变形，并和围岩一起受力，共同变形，后在围岩变形基本收敛后施作二次衬砌协同初期支护一起受力。在隧道初期支护施工过程中，由于地质条件较差，在浅埋、偏压、地下水较发育、施工组织不到位或施工工艺不合理的情况下，易在隧道开挖过程中或初期支护完成后，出现拱部下沉侵限、侧墙内敛过大而侵限的现象，更严重的是拱部和侧墙同时侵限。隧道变形过大，超过二次衬砌厚度最小容许值后，为保证结构安全，就须进行换拱作业，处理这种问题传统的方法是把初期支护爆破炸掉，再次进行初期支护施工。

当前，隧道换拱作业一般在替撑、人工拆除、注浆固结等方面存在一些困难，以下将分别予以叙述：

1. “替撑”：所谓“替撑”就是先做好新支撑，然后拆除旧支撑，这种做法在过去矿山法施工时，是一个重要、常用的施工理念和施工工艺，当时没有喷锚支护，用木支撑支护，开挖1.5m后，即进行模筑衬砌（先拱后墙法），木支撑不能留在混凝土里，当混凝土浇筑到支撑位置后即拆除支撑，将荷载传递至模板和拱架上。这样做很安全，如今将这种理念用在换拱作业里，表面上看是个不错的想法，但在实际操作中却有新旧钢架的节点薄弱、拆除困难、钢架纵向连接实现困难等诸多弊端。

2. 人工拆除：隧道管理者一般认为围岩变形大、脆弱，宜尽量减少扰动，而爆破的扰动是最大的，所以严控爆破拆除，要采取人工或机械拆除。围岩脆弱，减少扰动，这个判断是正确的，但是，爆破震动就比机械拆除震动大、以及人工作业就安全的判断有严重偏差。建设部关于对砖木结构房屋的爆破震速标准是2cm/s，也就是说，只要将爆速控制在一个合理范围内，爆破就是安全的；而所谓机械拆除在目前主要是指冲击锤，冲击锤的震动不一定比爆破小；更重要的是，司机坐在驾驶室内，视线难以达到嵌槽，这就可能造成误操作，凿到钢架，形成安全隐患。而人工拆除的主导思想就是要做到“隧道安全”，其实，最大的安全是人员安全，其次才是隧道，人工进行位于人体上方的拆除作业，脱落的物体都会直接砸到人体上，安全性同样难以得到保障。

3. 注浆固结：围岩变形很大，一般认为围岩必然松散，目前大多是采用打孔注浆、注入普通水泥浆粘结松散围岩的方法。事实上，变形的围岩未必松散，许多项目就存在普通静压注浆渗透及固结无效的问题；此外，所注入的固结浆液与其说是“水泥浆”，不如说是“泥水浆”，水泥浆注入围岩，首先起到的作用不是像“胶水粘纸一样”将松散围岩“粘”在一起，而是水先对围岩软化，这在隧道施工中十分危险的，很多隧道就是在灌浆过程中坍塌的。

基于此，为了更有效地节约工期，确保施工人员安全，也为了保证换拱后结构的承载能力能满足要求，有必要开发行之有效的施工工法及施工结构，为隧道换拱施工提供指导以集中推广，提高换拱操作的有效性、规范性和安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工序简单明了、安全系数高、承载能力恢复程度快的隧道换拱施工方法，还相应提供一种结构简单、易于安装和拆除、安全性好的用于隧道换拱施工中的施工结构。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种隧道换拱施工方法，包括以下步骤：

（1）临时支撑：在需要进行换拱处理的隧道侵限段下方搭建临时支撑，临时支撑的基础部位设置在隧道底面的基础梁上，临时支撑的顶部支承住隧道原初期支护的钢拱架；所述初期支护一般为喷射混凝土和型钢组合结构；

（2）径向灌浆加固：在隧道原初期支护的拱部表面钻注浆孔，注浆孔沿隧道拱部环向均匀分布且沿径向伸入到侵限段上方的岩体中；然后将钢花管伸入到注浆孔内并压注水泥浆，以加固隧道开挖轮廓线外的围岩；

（3）超前管棚：在隧道拱部沿环向设置超前管棚，超前管棚从拱顶沿隧道开挖方向斜向伸入到侵限段上方的岩体中；

（4）拆除支护：按照原初期支护钢拱架的间距逐榀拆除侵入隧道复合衬砌中的二次衬砌（二次衬砌一般为钢筋混凝土结构）净空的原初期支护；所述拆除包括采用冲击锤松动、人工凿除、小药量爆破等方法拆除已经变形或侵限的初期支护，每拆除一榀初期支护的钢拱架，则对应拆除一榀临时支撑的竖向支撑架；拆除顺序优选采用由下至上、先墙后拱的顺序进行；一般不能大面积拆除初期支护，以防塌方及冒顶；

（5）重作衬砌：采用喷射混凝土和钢件（优选型钢）逐榀重新施作隧道复合衬砌（复合衬砌包括初期支护和二次衬砌）中的初期支护，即在满足原二次衬砌净空的基础上重新架立钢拱架，并采用挂双层钢筋网喷射混凝土的形式恢复被拆除的初期支护，以便在临时支撑拆除后能恢复初期支护的承载能力，完成隧道的换拱施工（注意，拆除一榀后紧接着重作一榀衬砌，再拆除、重作第二榀，按此顺序交替进行）。

上述的隧道换拱施工方法，所述步骤（1）中，优选的，所述临时支撑主要由沿隧道掘进方向分布的多个钢质竖向支撑架和串联各竖向支撑架的钢质水平连杆组成（均优选为型钢），且每个竖向支撑架位于隧道原初期支护的每榀钢拱架下方。所述竖向支撑架优选包括位于同一竖直平面内且相互连接的横向支撑、竖向支撑和斜向支撑，所述水平连杆串联在各竖向支撑架的横向支撑、竖向支撑或斜向支撑上。

上述的隧道换拱施工方法，所述步骤（1）中，所述临时支撑的顶部与隧道原初期支护的钢拱架的接触点优选至少为3点（更优选为5点或7点）。通过接触点将隧道初期支护所受的外力传递给临时支撑，减少换拱和压浆过程中初期支护的变形。所述临时支撑主要由型钢搭建而成，各构件之间的连接形式一般采用焊接。

上述的隧道换拱施工方法，所述步骤（3）中，所述超前管棚优选主要由钢花管和压注水泥浆构成。这种优选的超前管棚结构形式可以保护隧道前方施工安全、减少塌方风险。

上述的隧道换拱施工方法，所述超前管棚在隧道拱部沿环向上的钢管分布密度优选大于所述径向注浆孔沿隧道拱部环向上的分布密度；所述超前管棚在隧道纵向上的钢管水平间距优选大于所述径向注浆孔在隧道纵向上水平间距。

上述的隧道换拱施工方法，所述钢花管优选是采用无缝钢管经裁制、打孔加工后制成，所述钢花管四周开设注浆孔。

上述的隧道换拱施工方法，所述水泥浆优选为掺有速凝剂的纯水泥浆，水灰比优选为1∶（0.6～1）。

上述的隧道换拱施工方法，所述重作衬砌优选是在灌浆加固后的灌注浆液强度达到75%以上时开始进行。

本发明的上述施工方法中，整个工序由拆除和重做两大部分组成，必须在确保拆除安全的前提下才能重新施作衬砌。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用于隧道换拱施工方法中的施工结构，所述施工结构包括基础梁、临时支撑和隧道原初期支护的钢拱架，所述临时支撑的基础架设于隧道底面的基础梁上，所述临时支撑的顶部支承住隧道原初期支护的钢拱架；所述钢拱架上方沿隧道拱部环向均匀分布有延伸到隧道侵限段岩体中的注浆孔，注浆孔中设有钢花管，所述钢拱架上方沿隧道拱部环向均匀分布有延伸到隧道侵限段岩体中的超前管棚，所述超前管棚主要由钢花管组成。

作为对上述施工结构的进一步改进，所述临时支撑主要由沿隧道掘进方向分布的多个钢质竖向支撑架和串联各竖向支撑架的钢质水平连杆组成，且每个竖向支撑架位于隧道原初期支护的每榀钢拱架下方。所述竖向支撑架包括位于同一竖直平面内且相互连接的横向支撑、竖向支撑和斜向支撑，所述水平连杆串联在各竖向支撑架的横向支撑、竖向支撑或斜向支撑上；所述临时支撑的顶部与隧道原初期支护的钢拱架的接触点至少为3点。

作为对上述施工结构的进一步改进，所述超前管棚在隧道拱部沿环向上的钢管分布密度优选大于所述径向注浆孔沿隧道拱部环向上的分布密度；所述超前管棚在隧道纵向上的钢管水平间距优选大于所述径向注浆孔在隧道纵向上水平间距。

本发明提出的上述隧道换拱施工方法及施工结构采用的是一种先加固后拆除思想，该工法先对变形较大的初期支护采用临时支撑支顶，在临时支撑的保护下对隧道周边的松散围岩灌浆加固，待浆液强度形成后在超前管棚的保护下逐榀拆除变形大的初期支护，然后逐榀恢复正常的初期支护。

目前通行的换拱工法一般是整体拆换侵限段，此法存在拆除范围较大、易引发塌方、难以保证作业人员人身安全等弊端；与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的施工方法及施工结构在压浆加固隧道开挖轮廓线周围有限空间的围岩前先设置临时支撑，这限制了初期支护在灌浆压力下的继续变形，并将拆除衬砌的影响限制在一榀或两榀钢架范围内，其他区域的衬砌可受到临时支撑或已经恢复好的初期支护的保护；本发明的施工方法及施工结构可处理因地质条件差、偏压严重等不良地形地质条件而造成初期支护变形过大或破坏而影响结构安全的隧道段，在临时支撑和超前管棚的保护下，施工人员可安全在底部施工，减少了拆除初期支护过程中顶部掉块或塌方的危险。

综上，本发明可为隧道换拱施工提供规范性、程序性的指导，大大提高施工的标准化作业，为今后存在病害的公路隧道换拱施工提供了实用、明确、安全、经济的换拱方法，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中换拱前隧道施工标准断面图（为使换拱工法描述更清楚，在图1中未示出复合衬砌中初期支护的系统锚杆和双层钢筋网片）。

图2为图1中A-A处的剖视图（图中箭头所示为隧道掘进方向）。

图3为本发明实施例中搭建临时支撑后的施工状态示意图。

图4为图3中B-B处的剖视图。

图5为本发明实施例中灌浆加固时的施工状态示意图。

图6为图5中C-C处的剖视图。

图7为本发明实施例中注浆钢花管的结构示意图。

图8为本发明实施例中设置超前管棚时的施工状态示意图（图中亦可看到本发明的施工结构）。

图9为图8中D-D处的剖视图。

图10为本发明实施例中第一、二榀临时支撑范围内拆除及换拱纵面示意图。

图11为本发明实施例中第三榀临时支撑范围内拆除及换拱纵面示意图。

图例说明：

11. 上台阶； 12. 中台阶； 13. 下台阶； 21. 拱墙部喷射混凝土； 22. 仰拱底部喷射混凝土； 23. 上台阶型钢拱架； 24. 中台阶型钢拱架；25. 下台阶型钢拱架； 26. 仰拱底部支护型钢拱架； 27. 二次衬砌； 3. 竖向支撑架； 31. 斜向支撑； 32. 竖向支撑； 33. 横向支撑； 34. 纵向水平连杆； 35. 基础梁； 4. 注浆孔； 41. 封闭区； 42. 灌浆区； 43. 导向头；5. 超前管棚。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

某高速公路有一座双向六车道分离式公路隧道，施工过程中发现围岩基本为泥盆系锡矿山组碳质页岩和泥岩，岩质软弱，构造运动强烈，不利于隧道施工。

隧道结构断面采用马蹄形，开挖跨度达18m，开挖高度12m，拱部矢跨比为0.55。隧道采用钻爆法施工，按新奥法方式进行支护。支护结构采用复合式衬砌，初期支护为锚杆喷射混凝土，内含工字钢骨架。二次支护为现浇模筑钢筋混凝土，一般滞后初期支护2～3个月左右施作。

隧道施工采用三台阶七步开挖法，上台阶施工采用留核心土环形掏槽法。中下台阶一般在1～1.5个月左右实施完毕，掌子面彼时才封闭成环。受隧道地质情况及施工工法限制，上台阶开挖以后初期支护结构的变形较大。变形较大地段的水平收敛值达9.5mm/d，拱顶沉降较大地段达25mm/d。设计预留变形量为15cm，承包人施工时实际预留30cm～35cm。在持续的变形过程中，局部段落初期支护侵入二次衬砌范围，最大侵入量达60cm，已经完全没有二次衬砌的位置。

为保证隧道施工安全，防止隧道塌方，保证二次衬砌的厚度，需对侵限段进行换拱施工，拆除原初期支护重做，本实施例采用了一种如图1～图11所示本发明的隧道换拱施工方法，具体包括以下步骤。

1. 临时支撑：如图1、图2所示，图1为本实施例的隧道换拱施工前的施工标准断面图，其主要由上台阶11、中台阶12、下台阶13三个台阶分步开挖组成，上台阶11掌子面和中台阶12掌子面间距30m～40m，中台阶12掌子面和下台阶13掌子面相距20m～30m，需要换拱的侵限段位于上台阶11掌子面和中台阶12掌子面之间。在需要进行换拱处理的隧道侵限段下方搭建如图3、图4所示的临时支撑，临时支撑的基础部位设置在隧道底面的基础梁35上，临时支撑的顶部支承住隧道原初期支护的钢拱架。本实施例中，隧道原初期支护为喷射混凝土和钢拱架组合结构。其中，喷射混凝土包括拱墙部喷射混凝土21和仰拱底部喷射混凝土22；隧道原初期支护的钢拱架包括原初期支护的上台阶型钢拱架23、中台阶型钢拱架24、下台阶型钢拱架25以及仰拱底部支护型钢拱架26，由于本实施例的侵限段位于上台阶部位，因此，本实施例的临时支撑搭建于上台阶11处，临时支撑的顶部支承住上台阶型钢拱架23即可。如图3和图4所示，本实施例的临时支撑主要由沿隧道掘进方向分布的多个钢质竖向支撑架3和串联各竖向支撑架3的纵向水平连杆34组成，竖向支撑架3和纵向水平连杆34均由型钢制作。各竖向支撑架3均落底于基础梁35上（基础梁35采用混凝土或喷射混凝土），且每个竖向支撑架3分别位于隧道原初期支护的每榀上台阶型钢拱架23下方以支承住上台阶型钢拱架23。竖向支撑架3包括位于同一竖直平面内且相互连接的横向支撑33、竖向支撑32和斜向支撑31，纵向水平连杆34串联在各竖向支撑架3的斜向支撑31上。本实施例中单个竖向支撑架3与上台阶型钢拱架23的接触点为5点（参见图3），通过接触点将隧道初期支护所受的外力传递给临时支撑，减少换拱和压浆过程中初期支护的变形。临时支撑主要由型钢搭建而成，各构件之间的连接形式均采用焊接。本实施例中，临时支撑下部预留有一“人”字形施工通道，以保证施工机械和车辆能够通行。

2. 径向灌浆加固：如图5、图6所示，当临时支撑搭建完成后，在隧道原初期支护的拱部表面钻注浆孔4，注浆孔4沿隧道拱部环向120°范围内均匀分布（沿隧道纵向梅花形布置），本实施例中单个竖直平面内共开钻有19个注浆孔4（参见图5），且每个注浆孔4沿径向伸入到侵限段上方的岩体中；然后将钢花管伸入到注浆孔4内并向隧道拱部周围围岩压注水泥浆，以加固隧道开挖轮廓线外的围岩。如图7所示，钢花管是采用无缝钢管经裁制、打孔加工后制成，其主要由导向头43、灌浆区42和封闭区41三部分组成，钢花管四周开设注浆孔。钢花管在开钻注浆孔4后顶入围岩，钻孔采用风动式钻机，灌浆顺序从下至上，灌浆结束条件根据终压和单孔注浆量两个指标控制。压注的水泥浆为掺有速凝剂的纯水泥浆，水灰比为1∶（0.6～1）。

3. 超前管棚：如图8和图9所示，在隧道拱部沿环向设置超前管棚5，超前管棚5从拱顶沿隧道开挖方向斜向伸入到侵限段上方的岩体中；超前管棚5的主体同样是由钢花管和压注水泥浆组成，超前管棚5中的钢花管构造与图7中灌浆用钢花管的构造基本相同。在采用风动式钻机钻孔后将钢花管顶入隧道前方，钢花管顶进后适当灌浆（灌注的水泥浆与步骤2中的水泥浆基本相同）形成则超前管棚5，超前管棚可起保护拆除衬砌时人员安全的作用。本实施例中，超前管棚5与注浆孔4的显著区别在于超前管棚5不是沿隧道拱部的径向延伸，而是斜向伸入到隧道前方的岩体中，且超前管棚5在隧道拱部沿环向上的钢管分布密度要明显大于注浆孔4沿隧道拱部环向上的分布密度（参见图8，本实施例中在某一横断面上可见到有设置55根钢花管组成的超前管棚，但是注浆孔4只设置19个）；超前管棚5在隧道纵向上的钢管水平间距则大于注浆孔4在隧道纵向上水平间距（由图9可见，在隧道纵向上每设置三排注浆孔4则对应设置一排超前管棚5）。

4. 拆除支护：如图10和图11所示，拆除侵入隧道复合衬砌中的二次衬砌（二次衬砌一般为钢筋混凝土结构）净空的原初期支护；拆除包括采用冲击锤松动、人工凿除、小药量爆破等方法拆除已经变形或侵限的初期支护，每拆除一榀初期支护的钢拱架，则对应拆除一榀临时支撑的竖向支撑架3；拆除顺序采用由下至上、先墙后拱的顺序进行；一般不能大面积拆除初期支护，以防塌方及冒顶。图10为本实施例中临时支撑的第一榀和第二榀竖向支撑架3的拆除及换拱示意图（参见图10中的E处），待围岩灌浆的浆液强度达到75%以上时，再拆除第一榀及第二榀竖向支撑架3上方对应的上台阶型钢拱架23，拆除拱部变形的初期支护。

待初期支护喷射混凝土强度达到设计要求时再进行下一步工作。

（5）重作衬砌：第一榀和第二榀处的临时支撑及初期支护拆除完毕后，重新在该处施作初期支护，采用喷射混凝土和型钢重新施作隧道复合衬砌（复合衬砌包括初期支护和二次衬砌27）中的初期支护，即在满足原二次衬砌27净空的基础上重新架立上台阶型钢拱架23，并采用挂双层钢筋网喷射混凝土的形式恢复被拆除的初期支护，以便在临时支撑拆除后能恢复初期支护的承载能力，完成隧道的换拱施工。第一榀和第二榀处的换拱完成后，则开始进行第三榀处的换拱（参见图11中的F处），第三榀处的拆除换拱操作与前述第一榀和第二榀处的换拱操作基本相同，依此类推，逐榀进行，直至完成侵限段所有的换拱施工（后续各榀的换拱操作图中未示出）。

本实施例的施工方法和施工结构可避免因隧道灌浆引起围岩松弛、进而结构变形加剧甚至垮塌的风险，有效地保证了施工人员的安全，贯彻了以人为本的理念。本实施例的施工方法可应用到类似隧道、地下结构物等因变形较大而结构尺寸受限项目的修补和加固，具有安全、高效、经济的优点，甚至可作为标准工法予以推广。

在上述本实施例的施工方法中用到了本发明的施工结构，如图8和图9所示，该施工结构包括基础梁35、临时支撑和隧道原初期支护的上台阶型钢拱架23，临时支撑的基础架设于隧道底面的基础梁35上，临时支撑的顶部支承住上台阶型钢拱架23；上台阶型钢拱架23上方沿隧道拱部环向均匀分布有延伸到隧道侵限段岩体中的注浆孔4，注浆孔4中设有钢花管，上台阶型钢拱架23上方沿隧道拱部环向均匀分布有延伸到隧道侵限段岩体中的超前管棚5，超前管棚5主要由钢花管组成。

上述施工结构中的临时支撑主要由沿隧道掘进方向分布的十六个钢质竖向支撑架3和串联各竖向支撑架3的钢质纵向水平连杆34组成，且每个竖向支撑架3位于隧道原初期支护的每榀上台阶型钢拱架23下方。竖向支撑架3包括位于同一竖直平面内且相互连接的横向支撑33、竖向支撑32和斜向支撑31，纵向水平连杆34串联在各竖向支撑架3的斜向支撑31上；临时支撑的顶部与隧道原初期支护的上台阶型钢拱架23的接触点为5点。

上述施工结构中的超前管棚5在隧道拱部沿环向上的钢花管分布密度大于注浆孔4沿隧道拱部环向上的分布密度；超前管棚5在隧道纵向上的钢花管水平间距大于注浆孔4在隧道纵向上水平间距。

上述实施例仅仅是为了进一步阐释和描述本发明所提出的优选技术方案，以帮助本领域技术人员进一步理解本发明技术方案的核心思想。本领域的普通技术人员在应用本发明的过程中，在具体实施方式及细节上所作的非实质性改变（包括结构物形式、变形破坏程度、临时支撑形式等），均在本发明的保护范围内。