（湖南尚上市政建设开发有限公司,湖南 长沙 410000）

某高速公路隧道内围岩二衬砌及初期支护出现严重病害，为了解除隧道安全风险，计划采用置换法进行处理，经项目论证，置换法在施工质量、施工效率及工程经济性等方面具有明显优势，能够很好地解决隧道围岩衬砌及初期支护的各种病害。

1 工程概况

本文涉及的病害隧道位于二广高速常安段，隧道采用双向四车道设计标准，洞顶最大埋深为186.0m。经隧道检测发现，左幅隧洞内二衬砌出现了严重的开裂、入侵病害，病害影响长度超过200m，衬砌入侵净空的平均长度超过300mm，此外，还存在不同程度的渗漏、边墙溃塌等病害。为了彻底处治衬砌病害，施工方经现场勘查后，决定采用置换法处理，遵循“先支护、后拆除”的原则，先凿除原初期支护和二衬砌结构，再重新灌注衬砌结构，以达到支护及衬砌置换的目的[1]。

2 工艺原理

（1）为了避免因原衬砌支护凿除导致的围岩失稳，应采用工字钢对衬砌置换位置进行支撑，保证围岩受力均匀，同时为初期支护及二衬砌灌注补强提供保障[2]。

（2）初期支护及二衬砌混凝土注浆采用小导管，根据注浆量大小和注浆压力指标确定小导管直径，注浆材料选用快干型水泥混凝土，水泥等级为42.5级，注浆压力应满足初期支护及二衬砌结构要求，确保内部均匀密实，不出现空洞。

（3）随着衬砌及初期支护灌浆的推进，同步拆除临时工字钢支撑系，根据重新设计的隧道围岩参数等级，确定衬砌及初期支护的几何参数。

3 二衬与初支置换施工技术要点

3.1 临时钢拱架支撑

（1）为了保证临时拱架支撑系的强度和可靠性，应做好拱脚位置的加强，拱脚对称布置厚度为20mm的钢板[3]，以提供拱架足够的反力，钢板与拱架连接处应通过焊接紧固。

（2）为了避免拱架内的应力集中问题，拱架工字钢对接处应满足无缝拼接要求。

3.2 注浆固结

3.2.1 注浆方案

（1）首次注浆选用直径为42mm×3.5mm的小导管，导管长度为6m，环向间距控制到2.4m×2.4m，导管末端100cm范围内作为止浆段。

（2）二次注浆选用直径为42 mm×3.5mm的小导管，导管长度为4m，环向间距控制到2.4 m×2.4m，二次注浆小导管与首次注浆小导管交替连续施工，导管末端100cm范围内作为止浆段[4]。

3.2.2 现场注浆管布置及安装

（1）在二衬混凝土表面，按纵环向2.4m的间距，用风钻打孔，孔深5.6m，方向为垂直砼外表面方向。

（2）测量：按设计要求，布置小导管孔位。

（3）钻孔：采用凿岩风钻打孔。

（4）安装注浆管：钻孔完毕，进行清孔检查，在确定注浆孔内无阻塞物后，即可进行注浆管安装。

3.2.3 小导管注浆

（1）浆液配比：注浆采用单液水泥浆，采用超细快硬型硫铝盐42.5水泥，配合比(W/C)为l:1～0.75:1。

（2）试泵：当泵压达到预定注浆压力后，持续二三分钟泵管及机械设备不出故障，方可进行注浆作业施工。

（3）注浆顺序：遵循先边排、后内排、跳孔、由疏至密注浆顺序。

（4）浆液控制：先稀后浓。

（5）注浆压力：根据地层的地质条件和渗透性、灌浆时吸浆量，以及对浆液稠度考虑。

（6）注浆结束标准：吸浆量小于0.5升/分钟，若长时间压力不上升或吸浆量很大时应停止注浆，分析原因。

（7）封孔：注浆结束后，拔出套管，用C15砼封孔。

3.2.4 第二次加固注浆

首次注浆完工，待混凝土完全凝固后，进行二次注浆，二次注浆选用直径为42mm×3.5mm的小导管，导管长度为4m，环向间距控制到2.4m×2.4m，导管末端100cm范围内作为止浆段[5]。

3.2.5 注浆异常处理

（1）水泥浆液压力突然升高，则应关停注浆泵，注清水，待泵正常时再进行单液注浆。

（2）当注浆液量很大，压力长时间不升高时，则应调整浆液浓度及配合比。

3.2.6 注浆效果检测

（1）钻芯取样法：随机钻取三个芯样，取出芯样进行强度试验，对比芯体强度与岩体强度。

（2）成像法：将遥控摄像头伸入衬砌内，以检查衬砌及支护结构内部是否密实。

（3）注浆效果检查：根据注浆后是否形成质密的水泥结石判定注浆效果，如果水泥结石质地不达标，则应重新调整注浆施工参数。图1展示了钻芯法取出的芯体样本。

图1 注浆效果检测（钻芯取样）

3.3 临时钢拱架拆除

为了提高临时钢拱架支撑系的拆除效率，应借助工程机械完成拆除。

3.4 二衬拆除

（1）二衬砌拆除过程中避免采用全机械作业法，通过人工与机械配合的方式，控制衬砌拆除对围岩稳定性的影响。

（2）人工用风镐配合炮机进行二衬混凝土拆除时须自上而下，分块分段进行，如图2所示的顺序拆除，其中：I区采用人工风镐配合炮机拆除，II、III、IV区采用炮机拆除，二衬及初支钢筋采用气割切除。严格按拆除顺序，按部就班、循序渐进逐段进行[6]，在拆除过程中对该段交通进行封闭，派现场安全员进行管控。

图2 二衬与初支置换拆除顺序示意图

3.5 初支置换

（1）二衬砌拆除后，检查暴露出的初期支护断面，在断面上布置监控点[7]，一旦发现测点变形超限，应拆除对应区域的初期支护。

（2）初期支护采取全断面置换工艺，为了保证隧道围岩的稳定性，控制置换施工对围岩造成的扰动，应配合钢拱架支撑，拱架腰部及拱脚应增设加强锚杆，以保证拱架整体的稳定性。

（3）初期支护置换完工后，应在拱架腰部及拱脚位置布置沉降、变形观测点，待沉降变形趋于稳定后，再开展二衬砌置换施工作业[8]。

3.6 二衬重构

（1）现场施工组织：二衬砌应根据初期支护沉降及变形情况适当重构，重构借助衬砌台车完成，衬砌台车示意详见图3。

图3 二衬台车简图

（2）二衬砌混凝土新老界面处治：为了提高二衬砌新老混凝土交界面的防渗性能，交界处应进行必要的防水处治。

（3）防水施工：基面准备挂设土工布铺设前，应先对隧道初期支护喷射混凝土表面进行处理，确保基层平整；用专用热熔衬垫及射钉将无纺布固定在喷射混凝土上；防水布搭接宽度须不小于10cm，单条焊缝宽不得少于125mm[9]。

（4）隧洞洞顶埋设透气孔及压浆孔，以便于检查压浆密实度及补浆作业。

（5）养护：配备养护喷管，在拆模前冲洗模板外表面，拆模后用高压水喷淋混凝土表面，以降低水化热。

（6）二衬换拱采用从两头向中间逐段跳跃式进行拆除置换，如此循环加固，完成该段二衬置换，具体如图4所示。

图4 先锋隧道二衬置换组织施工示意图

4 不良地质施工阶段监测要点

4.1 超前地质预报

（1）地质超前预报的核心内容：基于工程地质理论分析结果，借助地质雷达等探测仪器，通过粗略勘测和精密勘测相结合的方式，配合钻探和物探技术，对工程地质总体情况进行全面预判。

（2）地质超前预报需委派专业技术人员完成，需借助电磁仪、地质雷达、TSP等物探设备，具体选取标准应以隧道内地质条件及不同物探技术的优劣势综合判断。

（3）地质超前预报根据地质条件划分为三等，即C1、C2、C3，其中，C1代表工程地质条件良好的区段，C2代表不良工程地质发育较成熟区段，C3代表不良工程地质完全发育区段。

（4）超前地质预报流程见图5。

图5 超前地质预报流程

4.2 监控量测注意事项

（1）对于隧道围岩等级较低或发育成熟的区段，应增加监控量测频率及断面数量。

（2）监控量测仪器及传感器应做好防护，避免出现故障影响数据采集精度和效率，监控量测仪器使用前应提前检定。

（3）监控量测点位选取应具备代表性和全局性，且不同监测指标的传感器应布置在同一隧道断面上，以便于数据比对及系统分析。

4.3 隧道监控测量数据整理、分析与反馈

（1）每次监测采集到的数据指标应及时记录，同步绘制监控量测数据散点图，通过观察散点图变化趋势，给隧道施工提供实时建议和指导。

（2）借助回归分析法，对比10～30日两图的变化趋势，预判各指标极值的范围。

（3）根据变形极值预判结果，给出隧道围岩稳定性的超前预报。

（4）回归分析法作为一种最常见的数据统计分析方法被广泛应用在隧道监控量测数据的分析统计实践中，通过回归分析法能够预判隧道围岩的变形极值范围及变形发展速率，监控量测数据可输入计算机系统，通过计算机软件快速完成回归分析，最终绘制出隧道断面地表沉降曲线及隧洞内监测点的“位移-时间”曲线。

（5）通过观察围岩“位移-时间”曲线是否发生突变，以间接判断隧道围岩的稳定性，一旦曲线出现突变，应立即开展围岩支护措施，如变形无法控制，则应果断停止开挖作业。

（6）本项目各采集点反馈的“位移-时间”曲线均趋向于收敛，表明隧道各监测断面的围岩稳定性良好，满足继续施工条件。

5 效益分析

（1）通过“先护后拆”拆除原初支和二衬，较大限度地发挥大型施工机械的优势，有效确保了不良地质段二衬与初支置换的施工安全，同时控制了处治成本[10]。

（2）如采用人工弱爆法一天只能施工0.5m，同时施工两个作业面最快进度为lm/天，且多面作业相互干扰大，对围岩的瞬间震动大，易造成坍塌、掉块现象[11]，而先锋隧道左洞218m的二衬、初支置换只用了79天时间，平均每天完成2.76m，比传统施工方法快139天。

（3）按一线施工工人110人，每人260元/天计算，节约费用达397万(218/1－218/2.76) ×110×260=397万，还不包括管理人员工资、设备费和火工品费用，且确保了先锋隧道安全、顺利贯通。

6 结论

（1）经工程论证，置换技术完全适用于处治隧道初期支护及二衬砌病害，能够彻底解决衬砌开裂、渗水及变形入侵问题。

（2）置换法采用人工和机械配合的方式，对隧道内的交通影响较小，可不封闭交通。

（3）置换法施工不受天气条件影响，满足连续施工作业条件，施工效率较高，工程经济性较好。