本发明涉及隧道的换拱施工方法，具体为隧道塌方处的换拱施工方法。
背景技术：
v1级围岩，岩性以糜棱岩为主，断层碎裂岩饱和湿软，断层上盘张性裂隙较发育，相对富水，沿断裂上盘接触带可能存在股状涌水或淋雨状出水，断层带局部可能短时发生突泥突水，属中等富水洞身段，围岩整体稳定性差。
这类围岩在施工后，极容易出现初期支护受拱顶围岩压力，拱部变形造成初期支护侵入二衬轮廓线，而由于塌方部位的岩石还不稳定，仍有继续塌方可能，故人员和设备处理塌方的难度较大，危险性高，处理方法不当极易导致安全事故和较大的工期延误。
技术实现要素：
本发明为了解决由于隧道塌方部位的岩石还不稳定，仍有继续塌方可能，从而导致处理隧道塌方处的难度较大、危险性高，极易导致安全事故发生的问题，故提供了一套相对成熟、完善、安全系数高的隧道塌方处的换拱施工方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：隧道塌方处的换拱施工方法，包括下列步骤：
1）洞渣反压回填：将洞渣运至二衬端头，利用机械作业将洞渣向塌方段落逐渐推进，形成反压形式，减少临空面；
2）超前注浆：采用超前小导管进行超前支护，从拱脚到拱顶全断面注浆：采用风动凿岩机沿隧道拱部开挖轮廓线外10cm施钻，成孔后安装超前小导管,将小导管尾部与钢拱架焊接牢固，并用钢板将小导管与纵向钢拱架固定，然后沿小导管布置线喷砼形成止浆盘；
3）径向注浆：径向注浆采用梅花状布置的中空注浆锚杆；
4)初期支护凿除：采用人工风镐加破碎锤开挖法进行施工，拆除时，按照从上往下、先外后内的原则进行拆除；
a.利用洞渣在施工段落垫出施工平台后，破碎锤从拱顶向两侧均匀拆除初支，局部位置用人工风镐进行拆除；
b.在拆除钢拱架前，采用地质雷达对隧道围岩进行扫描，监控量测数据显示围岩初期支护稳定后，进行钢拱架的拆换，钢拱架按照每次更换一榀的原则，对拆除段落钢拱架进行拆除，环向钢拱架按照从上到下的顺序进行拆除；
c.拆除钢拱架时，破碎锤破除钢拱架背后的岩土，当用破碎锤不便于操作时，采用风镐凿除钢拱架背后的岩土；
钢拱架切割应沿半径方向，一次割除一个钢拱架单元，割除前采用顶撑顶住被割除段的钢拱架单元，每个钢拱架单元两端用气焊割除后，再割除钢拱架原有的纵向连接钢筋、钢筋网片，然后用锤头先轻敲震动钢拱架单元，使钢拱架单元松动，此时采用机械设备对钢拱架单元进行支撑，再由多名工人配合拖住钢拱架单元，1人用撬棍从一端到另一端逐步撬动，直至钢拱架单元顺利拆除；
在钢拱架拆除完成后，人工进行欠挖处理，对于局部残留的砼采用风镐破除，锚管支护类钢结构采用气焊切除，直至轮廓满足施工和设计要求；
5)钢拱架更换：把加工好的钢拱架运至作业面，调整后定位安装；每节钢拱架打设2根锁脚锚管，锁脚锚管的尾端弯制成l型与钢拱架焊接牢固；
按设计要求将纵向连接筋与钢拱架焊接，焊接长度双面焊不小于5d，相邻两榀钢拱架之间采用梅花型布置连接钢筋；
焊接钢筋网片，搭接长度1个网格；
6)空腔处理：
a.管棚施工；
①测量放样，标注孔位：沿掌子面右侧塌方范围起拱线至左侧塌方范围内标注管棚孔位；②安放并固定钻机，根据现场实际情况调整钻孔方位与线路轴线外插角；③开动钻机，钻进时低速低压，钢管随进度一根一根连续接长，直到预定位置，钢管尾端焊接法兰与止浆阀；
b.管棚注浆：采用水泥砂浆将钢管内空腔填满；
c.加强塌方段支护:①初期支护加强，采用工字钢支护，交错布置,全环布设双层钢筋网片，用喷射混凝土封闭；②空腔分层回填：初期支护施做时，先埋设两根预留管，一根用于泵混凝土，另一根用于排气管,塌方段初期支护完成后，先用混凝土回填，形成保护壳，再用粉煤灰回填。
隧道塌方后，塌方体未封闭整个隧道而形成了较大的塌方空腔，塌方部位的岩石还不稳定，仍有继续塌方可能，人员和设备无法在塌方空腔内采取塌方处理措施来稳定塌方部位。此类塌方处理难度很大，危险性高，处理方法不当会导致安全事故和较大的工期延误。本发明的隧道塌方处的换拱施工方法，采用隧道洞渣反压回填加超前注浆施工，既有效的保证了安全、质量，又节省了临时支护等。
本发明所产生的有益效果如下：
1、本发明的隧道塌方处的换拱施工方法的安全性好，处理塌方人员和机械基本是在安全作业面施工，无安全隐患；
2、本发明的隧道塌方处的换拱施工方法的施工速度快，操作简便，劳动强度低；
3、本发明的隧道塌方处的换拱施工方法的处理塌方成本低，经济效益好；
4、节约工期约50%；
5、利用洞渣反压回填，可以减少临时支护材料的投入，既保证了安全，又节约了成本。
附图说明
图1为本发明的施工工艺流程图；
图2为钢拱架的拆除顺序。
具体实施方式
本实施例以大万隧道右洞k38+990-k39+200段初期支护换拱施工工艺进行详细说明。
大万山隧道右线k38+990-k39+200段为v1级围岩，埋深452m，洞体穿越f6压扭性断层破碎带，岩性以糜棱岩为主，断层碎裂岩饱和湿软，断层上盘张性裂隙较发育，相对富水，沿断裂上盘接触带可能存在股状涌水或淋雨状出水，断层带局部可能短时发生突泥突水。属中等富水洞身段。围岩整体稳定性差。
在施工后，初期支护受拱顶围岩压力，拱部变形造成初期支护侵入二衬轮廓线，局部塌方现象。根据现场的具体情况，需要对侵限段进行超前加固和换拱处理，施工中大胆实施，积极创新，形成了自己一套相当成熟、完善的换拱施工工法。
隧道塌方处的换拱施工方法，包括下列步骤：
1）洞渣反压回填：将洞渣运至二衬端头附近，利用装载机及挖掘机配合工作从而将洞渣向塌方段落逐渐推进，形成反压形式，减少临空面，防止塌方段进-步扩大；
2）超前注浆：采用φ42×4mm小导管超前支护，环向间距0.3m，每根长3.5m，从拱脚到拱顶全断面注浆：施工前提前加工成注浆花管（注浆花管即小导管），小导管外插角为10°～15°，采用风动凿岩机沿隧道拱部开挖轮廓线外10cm施钻，成孔后安装小导管,将小导管尾部与钢拱架焊接牢固，并用钢板将小导管与纵向钢拱架固定，然后沿小导管布置线喷砼形成止浆盘；
注浆材料为水泥水玻璃双浆液，重量比水泥：水：水玻璃=1:1：0.23，凝结时间在30分钟左右，注浆压力达到1.0mpa停止注浆，注浆设备采用kby50/70双液注浆泵进行注浆作业。
3）径向注浆:径向注浆采用梅花状布置的中空注浆锚杆，锚杆长度为3.5m，纵向间距为0.6m，环向间距为1m；
4)初期支护凿除：初期支护拆除采用钻爆法施工会引起相邻衬砌和围岩发生爆破震动，会对隧道围岩和邻近结构物力学性能产生不利影响，故采用人工风镐加破碎锤开挖法进行施工，减少施工时对相邻初支的震动，拆除时，为避免隧道初支拆除过程中出现整体脱落，按照从上往下、先外后内的原则进行拆除;
a.先利用洞渣在施工段落垫出一个施工平台，满足破碎锤从上往下施工的条件，破碎锤从拱顶向两侧均匀拆除初支，局部位置用人工风镐进行拆除;
b.钢拱架的拆除至关重要，钢拱架拆除后会导致围岩应力重新分布，岩面外露，故在拆除钢拱架前，采用地质雷达对隧道围岩进行扫描、监控量测数据显示围岩初期支护稳定后，方可进行钢拱架的拆换，如拆除过程中遇围岩掉块，应及时撤离人员，上报上级单位；钢拱架按照每次更换一榀的原则，对拆除段落钢拱架进行拆除，环向钢拱架连接点分为5次拆除，且按照从上到下的顺序进行拆除，具体拆除顺序如图2所示；
c.拆除钢拱架时，破碎锤破除钢拱架背后的岩土，当用破碎锤不便于操作时，采用风镐凿除钢拱架背后的岩土；
钢拱架切割应沿半径方向，一次割除一个钢拱架单元，割除前采用顶撑顶住被割除段的钢拱架单元，每个钢拱架单元两端用气焊割除后，再割除钢拱架原有的纵向连接钢筋、钢筋网片，然后用锤头先轻敲震动钢拱架单元，使钢拱架单元松动，此时采用机械设备对钢拱架单元进行支撑，再由四名工人配合拖住钢拱架单元，1人用撬棍从一端到另一端逐步撬动，直至钢拱架单元顺利拆除，；
在钢拱架拆除完成后，人工进行欠挖处理，对于局部残留的砼采用风镐破除，锚管支护类钢结构采用气焊切除，直至轮廓满足施工和设计要求；
5)钢拱架更换：把加工好的钢拱架运至作业面，调整后定位安装；每节钢拱架打设2根锁脚锚管，锁脚锚管的尾端弯制成l型与钢拱架焊接牢固，锁脚锚管采用长3.5m的φ42*4mm小导管；
按设计要求将环向间距为0.5m的纵向连接筋与钢拱架焊接，焊接长度双面焊不小于5d，相邻两榀钢拱架之间采用梅花型布置连接钢筋。
钢筋网片采用φ8mm钢筋，网格间距为20×20cm，搭接长度1个网格。
6)空腔处理：
为确保塌方区施工安全，采用自进式跟钻孔机施作管棚通处理该段。自进式跟管机的原理：准备工作→架设工作平台→孔口测量定位→安放钻机→跟管钻进→接管→跟管钻进→结束或移孔→注浆。自进式跟管机的优点：钻杆旋转推动钻头前进，到预定位置后钻杆形成管棚，无需打孔退钻送管，避免塌孔和钢管送不到位的状况发生；钻进的同时用水冷却钻头，无粉尘，施工环境更加健康。
a.管棚施工:管棚采用直径为φ108mm、壁厚6mm的钢管，总长30m，节长3m和6m两种规格，且相邻钢管之间用套筒连接；
①测量放样，标注孔位。沿掌子面右侧塌方范围起拱线至左侧塌方范围内，标注管棚孔位，环向间距50cm;②安放并固定钻机，根据现场实际情况调整钻孔方位与线路轴线外插角;③开动钻机，钻进时低速低压，钢管随进度一根一根连续接长，直到预定位置，钢管尾端焊接法兰与止浆阀;
b.管棚注浆：管棚注浆采用m30水泥砂浆，目的是将钢管内空腔填满，增加钢管的强度，让管棚具有更好的支撑作用。注浆完毕，用水清洗注浆机与注浆管,待浆液凝结，管棚具有一定强度和刚度后，在进行空腔回填处理;
c.加强塌方段支护:①初期支护加强，加强塌方空腔段初期支护，采用i22a工字钢支护，工字钢间距调整为50cm，φ22连接钢筋调整为上下两层，环向间距调整为50cm/根，交错布置,全环布设双层钢筋网片，用c25喷射混凝土封闭;②空腔分层回填，初期支护施做时，先埋设两根预留管，一根用于泵混凝土，另一根用于排气管,塌方段初期支护完成后，先用c30混凝土回填，厚度3m，形成保护壳，再用粉煤灰回填,混凝土每次回填厚度不宜超过50cm，待混凝土强度达到设计60%，再进行回填，保证混凝土具有一定的自稳能力，回填期间，要不间断观测初期支护变化情况。
施工中所需的材料与设备如表1所示
表1
质量控制
超前注浆及径向注浆要保证，注浆质量。
1、严把初期支护拆除采用钻爆法施工，避免引起相邻衬砌和围岩发生爆破震动，造成对隧道围岩和邻近结构物力学性能产生不利影响。
2、拱架拆除时，为避免隧道初支拆除过程中出现整体脱落，钢拱架按照每次更换一榀的原则，拆除从上往下进行，按照先外后内的原则进行拆除。
3、拆换后的拱架单元恰巧不能螺栓连接时，要采用型钢或16mm钢板对连接处楔紧并四面满焊。
4、拆换拱架前，对施工作业人员进行安全技术交底，施工时尽量减少正面对着换拱作业面的时间。
大万山隧道右线k39+083-k39+143段处理是采用洞渣固结封闭掌子面，管棚超前，增强支护。在进行开挖过程中，小间距逐步推进，支护及时到位。同时加强监控量测，特别是拱顶沉降和周边位移，及时掌握围岩和支护受力状况，避免了在施工过程中的安全隐患，运用本工法共计一个月浇筑任务，保证了大万山隧道后期施工的安全，节约了施工时间，产生了较好的社会效益。
技术特征：
1.隧道塌方处的换拱施工方法，其特征在于，包括下列步骤：
1）洞渣反压回填：将洞渣运至二衬端头，利用机械作业将洞渣向塌方段落逐渐推进，形成反压形式，减少临空面；
2）超前注浆：采用超前小导管进行超前支护，从拱脚到拱顶全断面注浆：采用风动凿岩机沿隧道拱部开挖轮廓线外10cm施钻，成孔后安装超前小导管,将小导管尾部与钢拱架焊接牢固，并用钢板将小导管与纵向钢拱架固定，然后沿小导管布置线喷砼形成止浆盘；
3）径向注浆:径向注浆采用梅花状布置的中空注浆锚杆；
4)初期支护凿除：采用人工风镐加破碎锤开挖法进行施工，拆除时，按照从上往下、先外后内的原则进行拆除；
a.利用洞渣在施工段落垫出施工平台后，破碎锤从拱顶向两侧均匀拆除初支，局部位置用人工风镐进行拆除；
b.在拆除钢拱架前，采用地质雷达对隧道围岩进行扫描，监控量测数据显示围岩初期支护稳定后，进行钢拱架的拆换，钢拱架按照每次更换一榀的原则，对拆除段落钢拱架进行拆除，环向钢拱架按照从上到下的顺序进行拆除；
c.拆除钢拱架时，破碎锤破除钢拱架背后的岩土，当用破碎锤不便于操作时，采用风镐凿除钢拱架背后的岩土；
钢拱架切割应沿半径方向，一次割除一个钢拱架单元，割除前采用顶撑顶住被割除段的钢拱架单元，每个钢拱架单元两端用气焊割除后，再割除钢拱架原有的纵向连接钢筋、钢筋网片，然后用锤头先轻敲震动钢拱架单元，使钢拱架单元松动，此时采用机械设备对钢拱架单元进行支撑，再由多名工人配合拖住钢拱架单元，1人用撬棍从一端到另一端逐步撬动，直至钢拱架单元顺利拆除；
在钢拱架拆除完成后，人工进行欠挖处理，对于局部残留的砼采用风镐破除，锚管支护类钢结构采用气焊切除，直至轮廓满足施工和设计要求；
5)钢拱架更换：把加工好的钢拱架运至作业面，调整后定位安装；每节钢拱架打设2根锁脚锚管，锁脚锚管的尾端弯制成l型与钢拱架焊接牢固；
按设计要求将纵向连接筋与钢拱架焊接，焊接长度双面焊不小于5d，相邻两榀钢拱架之间采用梅花型布置连接钢筋；
焊接钢筋网片，搭接长度1个网格；
6)空腔处理：
a.管棚施工；
①测量放样，标注孔位：沿掌子面右侧塌方范围起拱线至左侧塌方范围内标注管棚孔位；②安放并固定钻机，根据现场实际情况调整钻孔方位与线路轴线外插角；③开动钻机，钻进时低速低压，钢管随进度一根一根连续接长，直到预定位置，钢管尾端焊接法兰与止浆阀；
b.管棚注浆：采用水泥砂浆将钢管内空腔填满；
c.加强塌方段支护：①初期支护加强，采用工字钢支护，交错布置,全环布设双层钢筋网片，用喷射混凝土封闭：②空腔分层回填：初期支护施做时，先埋设两根预留管，一根用于泵混凝土，另一根用于排气管,塌方段初期支护完成后，先用混凝土回填，形成保护壳，再用粉煤灰回填。
技术总结
本发明涉及隧道的换拱施工工法，具体为隧道塌方处的换拱施工方法。本发明为了解决由于隧道塌方部位的岩石还不稳定，仍有继续塌方可能，从而导致处理隧道塌方处的难度较大、危险性高，极易导致安全事故发生的问题，故提供了一套相对成熟、完善、安全系数高的隧道塌方处的换拱施工方法，施工步骤如下：洞渣反压回填?超前注浆?径向注浆?初期支护凿除?钢拱架更换?空腔处理，该施工方法既有效的保证了安全、质量，又节省了临时支护等。
技术研发人员：刘恩滔;金路;刘钊;徐宏雷;罗强;陆阳;高昌伟;安晋哲;靖博;任爱虎;王浩天;郭昭;支京亮;宋元元;陈传明;秦雷雷;兰星;刘志平;易建华;杨伟强;高荣鑫;王瑞哲;李帅;梁梓懿;张超;赵杰;闫淑琦;王超
受保护的技术使用者：中铁六局集团太原铁路建设有限公司;中铁六局集团有限公司
技术研发日：2021.04.09
技术公布日：2021.06.22
声明：
“隧道塌方处的换拱施工方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：中冶有色技术网
来源：中铁六局集团太原铁路建设有限公司;中铁六局集团有限公司
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2024年05月24日 ~ 26日 
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