中铁十二局集团第二工程有限公司030032
摘要：换拱是一个针对公路隧道采取的病害处治措施，对公路隧道经常出现的使用功能退化、侵入建筑限界、危及安全等问题进行有效的修复。然而，换拱技术施工存在着施工流程复杂、施工难度大、设计难度大、施工中不确定因素多等难点需要克服，本文对换拱工程经常采取的应用方式进行详细介绍，以炎汝高速公路新家洞隧道二次衬砌换拱工程实例，通过对病害段地质情况的分析，找到合理的处治措施，采用增加套拱支撑、湿喷钢纤维混凝土、深层、贯通的方法对裂缝进行处理，取得了良好的效果，可供类似隧道换拱参考。
关键词：公路隧道；衬砌；换拱技术；应用
1引言
隧道衬砌是承受地层压力、防止围岩变形坍落、以及阻挡地下水渗漏的建筑物。根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求，公路隧道可分别采用喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌。二级公路、一级公路以及调整公路的隧道需要可以采用复合式衬砌进行修复。三级或三级以下的公路隧道可以采用整体式衬砌和复合式衬砌的方式进行修复[1]。
隧道衬砌由于一直受到突发灾害、温度、气候、腐蚀性介质、冻胀性压力等自然因素的影响以及施工和使用过程中人为因素的影响，造成公路隧道在长时间运营的过程中发生变形或裂损[2-5]。为了对相关病害进行彻底的修复，必要情况下需要对公路隧道进行换拱处理。公路隧道所遇到的病害各类中，由受力所造成的裂损病害发生的频率最高[6]。围岩的受力特性、水文地质条件以及工程地质情况对决定了地层压力的大小，同时也与支护衬砌是否及时、施工技术与方法、衬砌几何刚度与结构、隧道的埋深等因素有关[7]。
发生公路隧道拱腰处衬砌向内位移以及拱腰受弯张口型纵向裂纹这两种病害发生频率最高，通过还会造成拱顶部分边带反应，使其内线受压并形成闭口型裂纹，使拱顶处衬砌身上发生位移。本文以炎汝高速公路新家洞隧道二次衬砌换拱工程实例，研究了公路隧道衬砌换拱技术及应用。
2隧道衬砌换拱的适用条件与换拱方法
由于公路隧道围岩在长期使用过程中不断受到压力作用，使得隧道衬砌发生严重的变形与裂损，在对其进行加固修复时，需要采用有效的安全防护措施，同时在隧道内部设置特定形状的钢拱架进行隧道加固。在隧道净空足够的情况下，钢拱架可以设置在被砸外部；净空不富裕时，凿槽嵌入衬砌内[8-10]。这种加固方式是一种永久形的加固方式，如果净空条件允许，还可以对型钢结构采用混凝土套拱的方式进行进一步的加固，或者在直接利用钢筋混凝土结构加强公路隧道的承压性能。处于开裂状态下的隧道也保持着一定程度的承载能力，即使发生比较严重的错台和裂损，同样可以采用钢拱架对其进行临时性的支护[11]。在对侵限部分进行凿除作业的过程中，需要采用网喷的方法来加强钢拱架的承载能力。除此之外，对于一些裂损严重的公路隧道，可在钢拱架的临时支护下，采用凿除其侵限部分，在这个过程中，可以综合运用高强度碳纤维以及外贴钢板等措施对加固效果作进一步的增强。
对于公路隧道的修复来说，更换衬砌是一种在特殊状况下不得以而为之的做法，更换衬砌虽然具有整治彻底、可靠性高，见效快等特点。然而这种修复方式也存在着行车干扰大、工程费用相对较高、劳动强度大、施工进度慢等缺点；尤其是对旧衬砌实施爆破拆除的过程中，会严重振动隧道围岩，造成围岩应力二次分配，人为增加地层压力，很可能会发生塌方断道事故，由于爆破拆除旧衬砌的修复方式施工难度大，工作体量大，对更换衬砌的方法的选择需谨慎思考[12]。
无论是初期支护，还是二次衬砌的换拱大致均包含3个步骤，一是对裂损衬砌及围岩进行检测，摸清具体情况；二是注浆加固围岩，进行承载方式转换；三是待注浆凝固达到设计强度后，采用切槽法对原衬砌进行切割凿除。
3公路隧道衬砌技术适用的环境
当围岩周围存在的应力作用过大时，可能会引发隧道衬砌严重变形，使公路隧道侵入建筑界限地段，造成变形的原因这主包括：在对公路隧道进行施工设计时，所使用的地质勘察报告不准确，围岩级别的划分出现误差，没有正确选择衬砌类型，在项目建设时没有得到有效修正，或者在项目建设时没有按照图纸的要求进行施工，这些都是造成周岩实际荷载无法与衬砌结构相适应的主要原因。
在各种自然力量的影响下，衬砌在长期使用中受到物理性侵蚀：这种物理性分包包括混凝土碳化；由火灾造成的混凝土疏松；冻融交替部位的冻胀性残损等，这些物理性影响都会不同程度上造成混凝土承载能力降低。因地下水渗透造成的衬砌腐蚀可以分为一般酸性侵蚀、碳酸性侵蚀、软水溶出性侵蚀、镁盐侵蚀、硫酸盐侵蚀等衬砌所受到的化学性腐蚀可能造成疏松剥落，降低了混凝土结构的承载能力。
4二次衬砌需要注意的事项
在初期支护完成之后，需要对其进行二次衬砌。在开盘浇筑混凝土时，灌注混凝土应自下而上、先墙后拱、对称浇筑；带有仰拱的隧道，一定要先对仰拱进行浇注，二次衬砌与初期支护之间存在的开挖预留量需要用衬砌混凝土进行填充。二次衬砌的浇注一定要保证连续性，其间隔时间需要根据水泥各类的不同进行适当的预留。当二次衬砌混凝土达到2.5MPa时，可以拆模。由于拱段围岩的力学相关参数一般很难获取，计算所获得的结果由于精确度不高，只能作为参考，无论是设计工作还是施工工作都需要依赖以往的经验，关键是要把握“切槽凿除、加固制裁、检测摸底”三步骤，同时加强施工技术管理，提高施工质量。
5炎汝高速公路新家洞隧道二次衬砌换拱工程实例
5.1工程概况
炎陵至汝城高速公路新家洞隧道是一座分离式的四车道高速公路中隧道，隧道最大埋深153米，隧道左线长817米；隧道右线长805米。隧道炎陵端左右设计线间距约22.75米，汝城端左右设计线间距约22米。本隧道按照规范及安全要求设置了2处行人横洞，行人横洞设置间距约270米，行人横洞与隧道轴线正交。图1为新家洞隧道中部平面图。
图1新家洞隧道中部平面图
5.2病害段地质情况
隧址位于构造剥蚀中低山区地貌区。隧道穿越的山体地形切割较强烈。隧道开裂段为中风化花岗岩：灰白色，灰色，粗粒结构，块状构造，主要矿物为石英，长石，黑云母，节理裂隙呈微张开发育，断面粗糙，端面风化明显，局部石英脉极发育呈柱状，条带状，岩芯极破碎-粉砂状，少量短柱状，碎块状，块径一般为3-5cm，底部岩芯呈粉末状夹碎块状，成份为石英，少量花岗岩碎块，其中0.7-0.9m为柱状石英岩夹花岗岩，2.00-2.10m为花岗岩含石英脉，脉幅20cm，2.30-2.50m柱状石英夹少量花岗岩和砂岩；岩石质量指标（RQD）值见表1，隧道个别地段会掉块或塌落，沿洞轴线最大高程约为852.0m，最低高程约为675.0m，相对高差177.0m；坡面植被发育，多灌木丛和乔木。隧道左幅进口和出口处山坡为斜坡；山坡均处于稳定状态，图2为风化花岗岩图片。
图2风化的花岗岩图
表1风化花岗岩RQD值
水平深度（m）RQD值（％）0.72.503.6114.207.310
5.3换拱原因
新家洞隧道中部地表为为天然形成的洼地，是四面山体的汇水处，有一条河流、一片水田、一条灌溉沟渠、一条水电站引水干渠从隧道上方穿过。因在新家洞施工混凝土路面时且隧道洞顶蓄水库蓄水后发现，隧道YK47段二衬出现裂缝，经现场对裂缝勘察测试发现裂缝宽度最大宽度约为5.9mm，同时有轻微渗水。图3为YK47-081、YK47-082段二衬出现裂缝。
a:YK47-081b:YK47-082
图3YK47段二衬出现裂缝
5.4二衬裂缝监测点布置及测试
通过对裂缝应力变化值进行监测，掌握裂缝发展情况，判定裂缝是否稳定，为处置措施提供依据。在隧道YK47段布设了相应的表面应变计测点。图4为新家洞隧道二衬裂缝测点布置，图5为YK47段二衬裂缝位移变化图。
图4新家洞隧道二衬裂缝测点布置
图5YK47段二衬裂缝位移变化图
本监测时间到60天，通过对裂缝的监测，最大变化处为YK47-081段，变化最大值为0.045mm，二衬需要采取补强措施；YK47-082段测点相对变化较小，变化最大值为0.016mm，但也说明支护结构所受应力状态还未处于稳定，二衬也应采取补强措施。
5.5处治措施
采用增加套拱支撑、湿喷钢纤维混凝土、注浆加固后换拱等方法进行处理。（1）刻槽，对隧道二衬面进行凿毛处理，沿隧道每隔73.86cm环向凿出深6-8cm的三角槽，槽宽约17cm，清理三角槽内粉尘及杂物，并用高压水枪将冲洗干净。（2）安装锚杆，沿隧道二衬面进行钻孔，梅花形布置Φ25环氧砂浆锚固钢筋，纵向间距30cm×环向间距25cm，钢筋总长度不超过20cm，以防击穿防水板。（3）架立格栅钢支撑，三角槽内设置一道三角形格栅钢支撑，格栅钢支撑采用3根Φ22钢筋骨架组成；（4）挂设钢筋网，在三角形格栅钢支撑落底处放置一块15mm厚A3钢板，钢板嵌入下方基岩内；（5）喷射混凝土，在格栅钢架落底处采用Φ42×3.5mm注浆小导管锁脚，注浆加固拱脚。在三角形格栅钢支撑间环向设置间距15cmΦ22钢筋，纵向间距25cmΦ16钢筋网，并与Φ25环氧砂浆锚固钢筋末端进行连接。在二衬表喷射C25钢纤维混凝土，喷射厚度为至设计衬砌表面。（6）打设注浆小导管，在已开裂的二衬面拱墙处垂直打入6mΦ42×3.5mm注浆小导管,仰拱加固采用5mΦ42×3.5mm注浆小导管，间距纵向60cm×环向120cm，加固二衬及周边围岩。（7）二衬拆除，注浆采用水灰比为1：1的水泥净浆，为防止注浆体及注浆压力造成已开裂二衬的坍塌，注浆前采用井字形钢支撑对拆除段落前后5m进行临时支撑。注浆加固完成后，对裂缝处二衬进行拆除，每循环长度控制在2-3m。二衬拆除首先用机械从底部进行凿除，拆除过程中如必要爆破，采用欲裂控制爆破，同时设置在拆除段与不拆除段的施工缝处在拆除段内设置预裂孔（见图6），预裂孔要求在二衬拆除施工前施做，预裂孔严禁装药，预裂孔垂直二衬内轮廓打孔，孔深不小于隧道衬砌厚度的1.5倍，环向间距25~30cm，位置设在拆除段端头内离开施工缝30~35cm处设置一环，最大限度减小对围岩及既有衬砌结构的影响。拆除二衬后，对隧道进行扩挖并按设计施做初期支护，采用SF-Ⅴa加强衬砌设计锚网喷支护，27cm厚喷射混凝土，I20b工字钢（间距60cm）、拱墙设置（20×20）Φ8钢筋网、Φ42注浆小导管（长度6.0m）、50cm厚二衬钢筋混凝土。（8）拱腰侧细小裂缝且通过检测目前变形稳定的，考虑到工期节点的要求，先期采用裂缝处碳纤维粘贴加固和裂缝处环氧树脂灌浆加固。换拱通车已近两年，效果良好。
图6欲裂孔示意图
6结语
（1）结合炎汝高速公路新家洞隧道二次衬砌换拱工程，对地质情况进行观察和测试、对隧道现场裂缝进行监测，得到YK47段二衬裂缝位移变化曲线并对其进行分析，为处置措施提供依据。
（2）通过对病害段地质情况的分析，找到合理的处治措施，采用增加套拱支撑、湿喷钢纤维混凝土、深层、贯通的方法对裂缝进行处理，取得了良好的效果，可供类似隧道换拱参考。
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