隧洞钢拱架变形段处理施工方法

张 冰

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 工程概况

某工程位于北票市和朝阳县境内，主体工程为引水隧洞，主洞全长17 350 m，桩号 25+800.00～43+150.00。隧洞为无压隧洞，开挖断面为圆拱直墙，9#洞主洞控制段桩号为：28+850~32+537，长度3 687 m，坡度为0.14‰，Ⅳ类围岩开挖尺寸为6.5 m×5.8 m，成洞断面尺寸为4.6 m×5.25 m。

2 工程地质条件

根据开挖揭露情况，拱架变形段桩号：30+555~30+573段已开挖洞段，顶拱围岩距离山顶距离约为220 m，原设计围岩地质条件本段岩性为侏罗系中统髫髻山组（J2t）安山岩，灰色，灰黑色，斑状结构，块状构造，弱风化，中硬—坚硬岩。节理不发育—较发育，结构面平直光滑—平直粗糙。岩体较完整。该段施工围岩类别为Ⅲ类。

实际揭露围岩地质条件该段洞室岩性下部为侏罗系中统髫髻山组（J2t）凝灰质砂砾岩，灰白色，弱风化，碎屑结构，块状构造；其中砂砾含量占50%，一般粒径0.5～3 cm，最大粒径5 cm。点荷载试验换算饱和单轴抗压强度为20～25 MPa，为较软岩。上部为侏罗系中统髫髻山组（J2t）凝灰岩，灰绿色，弱风化，碎屑结构，块状构造。点荷载试验换算饱和单轴抗压强度为16～20 MPa，为较软岩。该段洞室节理较发育，呈微张状，岩屑或无充填，结构面平直粗糙-平直光滑。洞室岩体完整性差。在开挖过程中洞内温度较高，一般为26℃~29℃左右。该段施工围岩类别为Ⅳ类。地下水活动状态：滴水。

3 拱架变形情况

2017年8月1日晚19：00，9#主洞下游桩号30+555～30+570开挖支护后（主支洞交叉点桩号为30+153，距下游拱架变形段桩号30+555约400 m）。发现右边墙钢拱架工字钢Ⅰ12拱架支腿距离底板2 m处拱架喷射混凝土出现裂缝，裂缝宽0.5 cm左右，故对局部裂缝处进行喷护，并对此加强观测。至2017年8月2日下午17:00，发现裂缝增大，拱架右侧钢拱架工字钢Ⅰ12支腿发生变形，最大变形量20 cm。至2017年8月3日早上7点测量变形仍在增大，最大变形量增大到25 cm，且发现左侧钢拱架支腿也出现变形。至2017年8月4日早上7点测量最大变形量增大到40 cm。同时，J30+570~J30+573段3榀钢拱架也有一定程度的变形。30+555～30+573共计18榀钢拱架发生变形。钢拱架变形情况见图1。

图1 钢拱架变形情况

4 拱架变形原因分析

该段揭露凝灰岩遇水易崩解，抗风化能力差，且该段洞室围岩有滴水，后经近期多次强降雨后，滴、渗水面积及水量明显增多；根据勘探期地质资料分析该段凝灰岩上部为安山岩，比凝灰岩强度高、比重大，产生法向压应力，导致当时支护措施不足以承受竖向压应力，故钢拱架变形。同时爆破震动产生的裂缝也是一方面原因。

5 主要施工方法和工艺

5.1 临时钢管支撑

由于钢拱架变形速度快，为防止钢拱架失稳，控制及减缓围岩变形，在变形段及时加设两根双向斜向钢管支撑和横向钢管支撑，作为临时加固处理，钢管直径Φ159，壁厚4 mm，钢管两端分别焊接两根钢筋，与拱架连接的地方卡住，防止脱落。钢管横撑纵向间距随拱架间距1.05 m，上下排间距1 m，在J30+555~J30+573上布置，以抵抗洞身侧压力。临时钢管支撑见图2。

5.2 加工临时拱架

由于变形拱架依靠临时钢管支撑受力，在拆除拱架时钢管必须先行拆除，这样造成顶拱临空，存在危险，所以在拆除钢管支撑前就必须采用临时钢拱架支撑，在临时钢拱架的保护下才能拆除钢管与旧拱架，由于临时拱架只能安装在两榀旧拱架中间，而两榀旧拱架中间喷射混凝土已经随拱架一起变形，临时拱架的加工只能依据现场的测量数据进行加工，支腿应紧贴喷射混凝土面，在拱腰处打入临时锚杆固定临时拱架，每安装两榀临时拱架，才能折除一榀旧拱架。

图2 临时钢管支撑

5.3 加强设计支护参数

拱架变形后，为加强此段初期支护，设计方对拱架变形段进行设计变更：将原钢拱架采用工字钢I12@1.05 m，变更为工字钢I16@0.525 m；系统锚杆变更为，边墙即距开挖地面3 m和4 m的位置及顶拱范围内设置设置Φ22系统锚杆（原设计仅顶拱范围设置锚杆），并且在支腿3 m以上安装网片；系统锚杆长度由原2 m变更为2.5 m，系统锚杆间距由1.05 m×1.05 m改为1.05 m×0.525 m；连接筋由原Φ22螺纹钢环向间距1 m改为槽钢[10环向间距1 m；喷射混凝土厚度由原10 cm改为15 cm。

5.4 变形钢拱架更换

5.4.1 钢拱架拆除、更换步骤

1）先支立临时钢拱架“A”、“B”；

2）在确保安全的前提下，拆除变形钢拱架I12“I”；

3）在“I”位置支立新钢拱架 I16；

4）“I”位置钢拱架打设锚杆、安装钢筋网片；

5）将临时钢拱架“B”移至“2”的位置；

6）在原拱架位置中间支立I16钢拱架“1”；

7）“1”位置钢拱架打设锚杆、安装钢筋网片；

8）对钢拱架“I”和钢拱架“1”进行喷混凝土；

9）将临时钢拱架“A”移至“3”的位置；

10）重复以上步骤，直至更换并增设全部钢拱架。

具体示意图见图3。

图3 变形段钢拱架拆除更换示意图

5.4.2 钢拱架拆除、更换施工方法

在安装完临时拱加后，进行新拱架替换。对拱架变形段先采用风镐逐榀凿掉喷混凝土、用氧气、乙炔对该变形段钢架进行拆除，拆除一榀拱架立即进行两榀新拱架的安装及喷混凝土施工。拆除时，先将拱架起拱部位的连接板处断开，进行两侧支腿的拆除，将支腿换上后，再将新换的拱架与断开处的拱架在连接板对接施工。对钢拱架加固完成后及时进行监控量测，确定围岩收敛变形已稳定且钢拱架再无变形后，再撤回临时钢架支撑，最后喷射混凝土作业。

支立新拱架后再用风镐凿除拱架之间侵占断面的喷射混凝土，严禁采用爆破作业开挖侵占断面的混凝土，每次开槽处理一榀拱架，严禁一次拆除多榀拱架。

5.5 钢拱架更换施工注意事项

1）把钢拱架运至作业平台上拼装钢架，调整定位后，打锚杆锁紧钢拱架；将钢拱架间纵向连接筋更换为槽钢[10，槽钢与型钢拱架翼板采用焊接，并与翼板焊接牢固。

2）拱架连接的锁脚、锁定锚杆均采用“L”型锚杆施工并与钢拱架满焊；同时，钻设锚杆须有一定角度。

3）先支立好临时钢拱架，再逐步拆除初期支护，每循环拆除纵向长度为一榀钢架（间距1.05 m），防止塌方及冒顶。

4）拆除后必须及时初喷。

5）在支护过程中，如果锚杆钻不进去，考虑采用自进式锚杆（长度2~3 m）进行施工。

6 监控量测

加密监控量测点和量测频率，在每榀钢拱架支立完成后，布置沉降点和收敛点，以便后期观察及采取应急措施。一般在支护施工完成后6 h内进行第一次观测，取得初始读数，及时反馈信息。根据测点位移变化速率判断围岩稳定状况，当隧洞周边变形趋势有明显减缓趋势，则说明隧洞变形基本处于稳定状态，当变化速率过快、过大，或当位移-时间曲线出现反弯点时，说明位移出现反常的急剧增加现象，表明围岩及支护已呈失稳状态，应及时加强支护并停止换拱作业。

在加强新安装拱架的监控量测观测的同时，对变形区段相邻段，布点观测，及时掌握围岩及支护结构的变形情况，及时发现问题，研究对策。

7 仰拱封闭

在变形拱架完成更换后，根据围岩收敛变形监控量测情况确定是否需要仰拱封闭，如果需要，对变形段利用挖掘机进行基底清理，将混凝土、石渣、杂物、泥浆、积水清除干净，并用高压风吹洗干净，清至硬基岩面后，进行C20混凝土垫层的浇筑。