锡乌铁路扎尔斯台隧道沉降变形换拱专项施工技术

锡乌铁路扎尔斯台隧道沉降变形换拱专项施工技术

摘要：该技术适用于浅埋、软弱地质的锡乌铁路扎尔斯台隧道进口初期支护变

形处理。主要内容：换拱施工方案及施工工艺。

关键词：沉降变形、支护、换拱、注浆、监控量测、施工

工程概况：新建铁路锡林浩特至乌兰浩特，扎尔斯台隧道进口发生较大沉降

变形，地表出现多处裂缝并发生整体沉降，地表最大沉降量60cm。造成进口

DK380+581~DK380+655段74m范围内的初期支护全部侵限，无法进行正常的二衬混凝土施工，必须采取换拱处理。

（一）变形段地质及水文情况

该段主要岩性为泥岩、砂岩，沉降变形段处于浅埋区断层带，埋深14m~22m，岩体受构造影响围岩整体稳定性差、岩体破碎、为地下水的富集创造了条件，该

段属富水区。根据设计地质勘测本隧的正常涌水量约为15900m³/d，雨季最大涌

水量约为19080m³/d。隧址区属低山丘陵地貌，地势起伏较大。

（二）围岩情况

变形段原设计为V级围岩，开挖过程中实际掌子面围岩为：拱部系膨胀土，

较软，有渗水；中底部为压碎泥岩，强度低，伴有较大渗水；围岩稳定性较差，

开挖过程中渗水、围岩遇水浸泡后软化严重，呈泥浆状。

（三）沉降变形处理前所采取的措施

3.1发生超限沉降变形后，立即暂停掌子面施工；

3.2制定应急抢险加固方案，封闭掌子面，未施工仰拱段采用临时仰拱、临时竖撑及扇形支撑，并对DK380+581~DK380+618段增设I20b套拱加强支护，对整

个沉降变形段采用环向间距50cm，纵向间距 50cm，单根长4m的φ42小导管进

行注浆加固；

3.3隧道进口DK380+625~DK380+655段30m作为试验段，采用三台阶七步法

开挖，HW200型钢钢架、双层小导管、临时竖撑、内侧大拱脚等支护方式；

3.4完成所有的加固后，开始拆除仰拱端头与掌子面之间的临时竖撑，施工仰拱，由于发生较大沉降变形对已初支段继续增加套拱加固；

3.5加强试验段支护参数，增加两个循环超前中管棚，明确开挖进尺，加强监控量测。

（四）施工方案

4.1新支护参数设置

4.1.1超前支护

超前支护采用φ42小导管加工制作，单根长度3.5m，环向间距0.3m，纵向

间距1.6m。拱顶140°范围内设置，每循环数量62根。

4.1.2钢架

沉降变形段新换钢架全部采用I20b工字钢，纵向间距0.4m。钢架与钢架间连接均采用M20×60mm螺栓连接。钢架在钢筋加工厂统一制作，运至现场前需要

试拼，满足精度要求后方可使用。

4.1.3径向小导管

沉降变形段径向锚管采用φ42小导管加工制作，单根长度4m，环向间距

1.5m，纵向每榀设置。钢架两侧双层布置，锚管与钢架间的连接采用Φ22“U”型

钢筋帮焊，确保与钢架形成整体。

4.1.4锁脚锚管

沉降变形段的锁脚锚管采用φ42小导管加工制作，单根长度4.5m。除拱顶两

处连接板位置不需设置锁脚锚管外，其余6处连接板位置均需设置锁脚锚管，每

处设置6根。锁脚锚管与钢架间的连接采用Φ22“U”型钢筋帮焊，确保与钢架形

成整体

4.1.5钢筋网及连接钢筋

沉降变形段的钢筋网与连接钢筋均按原设计要求施作，钢筋网采用φ6圆钢，网格间距20cm×20cm，网片搭接1-2个网格。连接钢筋采用Φ22螺纹钢筋加工制作。

4.1.6喷射混凝土

沉降变形段喷射混凝土仍采用原设计的C30纤维混凝土，设计施工厚度28cm。

4.2地表处理

对变形段地表所有的裂缝进行清理，及时有效的采用粘土夯实所有的裂缝并

用薄膜覆盖封闭，防止地表水渗入。

4.3洞内径向注浆

1.对变形体初期支护进行全断面径向注浆固结，采用φ42无缝钢管，单根长4.5m，环向间距0.5m×纵向间距0.5m，采用双序孔交叉注浆，自下而上进行。注

浆过程采用“双控”，根据注浆压力和注浆量初步判断是否满足要求。注浆参数表

如下：

2.为保证注浆质量待注浆完成达到龄期后，采用钻芯取样方式核实注浆效果。通过检测

芯样中浆液的饱和程度判断是否满足注浆要求。变形段每5m一个断面，每个断面取芯3组，全长74m变形段的共取芯45组，芯样合格率达到90%则判断注浆满足要求。如达不到注浆

效果要求，则增加一倍取芯数量，根据检测结果增加相应部位的注浆，直至满足注浆效果要求。

4.4换拱

4.4.1注浆满足要求后，进行换拱施工。第一循环换拱设置为3m试验段，换拱逐榀进行，每环钢架完成封闭成环后方可进行下一榀钢架的拆换。新钢架设置35cm预留沉降。为缩短

封闭成环时间，减少封闭成环前的沉降，换拱为全断面进行，完成原钢架拆除后立即安装新

钢架，尽快封闭成环。换拱期间加强换拱段及前后的监控量测。3m试验段完成换拱后如能

保证每天沉降及收敛均在5mm以内，则暂停换拱施工，立即组织浇筑3m试验段的二衬混凝土。

4.4.2如在换拱期间或完成试验段后每天的沉降或收敛超过5mm或累计沉降超过10cm，

立即增加I20b工字钢套拱。完成套拱加设并稳定后如果能够满足设计断面轮廓则立即组织浇

筑二衬混凝土，同时第二循环开始换拱均采用双层拱架，并设置10cm预留沉降量。第二循

环换拱长度设置为5m，同样根据换拱期间及完成换拱后的沉降情况，采用与第一循环相同

的处理方式。换拱流程图如下：

4.4.3换拱工艺流程采用长臂挖机配破碎头或修边刀片在原施工的两榀钢架间进行拱顶

初支混凝土凿除→挖掘机配破碎头凿除边墙初支混凝土、矮边墙混凝土、16cm厚填充混凝土→割除侵限钢架、钢筋网、连接钢筋及部分锁脚、径向锚管→挖掘机安装刀片将断面扩挖至

设计断面（预留35cm沉降量）→初喷4cm厚混凝土封闭围岩面→安装新钢架→挂设钢筋网、焊接连接钢筋、施工锁脚、径向锚管→喷射混凝土完成换拱。

（五）沉降变形处理施工工艺流程

（六）监控量测

1.布点原则待注浆完成后，对原沉降观测及收敛观测标识进行清理，每5m一个观测断