軟弱圍巖大斷面隧道斜井進正洞挑頂施工技術

趙生彬，辛軍響

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

1 工程概況

喬家山隧道位于山西省靈石縣及霍州交界處，為新建鐵路大同至西安客運專線鐵路重點隧道工程，也是該鐵路高風險隧道之一，隧道全長6 510 m，為單洞雙線，線間距5 m，圍巖為Ⅴ級，共有3座斜井，其中3號斜井與正洞左中線交角51°，平距210 m，交點里程為DIK440+700，交點處井底高程為991.195 m，洞門2+10處井底高程為1 001.195 m。為安全進洞，經方案對比后，按最佳正交進正洞方案施工，在洞內0+00到0+25處設置會車道(會車道縱坡+3%)，0+25 m到0+92.26(相當于原設計里程1+23.99 m)處按9.76%坡度，與正洞初支邊正交里程為 DIK440+755.225。斜井0+79.25至0+38.68為曲線段，圓曲線半徑60 m。3號斜井進正洞正交平面見圖1。

圖1 斜井進正洞正交平面(單位:m)

2 總體施工方案

斜井小曲線過渡到與正洞線路走向成90°夾角后平坡開挖至正洞左側邊墻位置。在斜井XK0+000處設置加強環并對交叉口處斜井施做25 m二次襯砌。

在斜井XK0+000處掌子面垂直正洞線路走向采用2.4 m寬變高度異形導洞，按1∶2.3的坡度進行正洞洞身開挖，導洞拱頂高程超出正洞設計開挖線40 cm，過正洞中軸線后，再向正洞中軸線右側平坡開挖5 m。在導洞內架立型鋼鋼架、掛網噴錨形成整體加強聯合支護，以確保導洞開挖的安全。

導洞施工完畢后，在導洞鋼架內側施做套拱(套拱的左側落腳于斜井加強段門型鋼架的橫梁上，右側設擴大腳與鎖腳錨管加固)，然后分別向正洞西安端與大同端延伸套拱，各延伸3.6 m，以確保斜井與正洞的交叉口范圍內均有套拱保護。在套拱施工過程中需拆除小導洞邊墻上的臨時支護。

套拱施工完畢后，在套拱的保護下按正洞設計斷面進行開挖和初期支護，盡早將正洞初期支護封閉成環，保證正洞挑頂段施工安全。

3 施工方法及步驟

3.1 設置斜井加強環

斜井小曲線過渡到與正洞線路走向成90°夾角后平坡開挖至正洞左側邊墻位置。在斜井與正洞相交處斜井初期支護外側，增設緊密排列的3榀I32a門型鋼架，門型鋼架橫梁牢固焊接于斜井鋼拱架頂部。噴射與斜井初期支護同等級混凝土與斜井初期支護聯為一體，形成斜井加強環。加強環門架底腳處采取擴大拱腳，每側增設φ42 mm鎖腳錨管6根(L=3.5 m)，為施做正洞初期支護提供安全保證;同時避免下步正洞跨越斜井時，因應力集中導致斜井交叉口處支護及襯砌變形開裂，為交叉口段正洞擴挖施工提供安全保障。

斜井挑頂進正洞側面詳見圖2。

圖2 斜井挑頂進正洞側面(單位:cm)

考慮交叉口段正洞套拱拱架落腳穩固性，故以斜井加強環門架橫梁作為落腳平臺，并在第二榀橫梁上預先焊接I25a鋼樁頭，以便使套拱鋼架左側底腳與斜井門型鋼架牢固焊連。

3.2 施做交叉口處斜井二襯

考慮到交叉口處正洞初期支護對斜井存在縱向推力，在進行下一步施工前先對交叉口段斜井施做25 m長的二襯，以確保斜井安全。

斜井交叉口段25 m范圍內初期支護閉合成環;二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚40 cm;仰拱填充C20混凝土。

3.3 施做挑頂小導洞

斜井交叉口段二襯施工完畢以后在斜井掌子面頂部位置采用2.4 m寬變高度異形導洞按1∶2.3的坡度進行正洞洞身開挖。由于作業空間有限，導洞采用全人工開挖，手推車出砟。導洞拱頂高程超出正洞設計開挖線40 cm，過正洞中軸線后，再向正洞中軸線右側平坡開挖5 m，導洞臨時支護及時跟進。臨時支護為架立型鋼鋼架、掛網噴錨聯合支護，以確保導洞開挖的安全。

導洞底部抬高坡度1∶2.3是根據交叉口處斜井與正洞設計拱頂高差確定。進入正洞洞身范圍后，導洞拱頂高程超出正洞設計開挖線40 cm是為了預留導洞臨時支護與套拱的空間。

在拱頂抬高過程中，導洞上方采取φ42 mm小導管超前支護(L=3.5 m@30 cm)，防止開挖中上部土體掉塊坍塌;施工中按60 cm/榀施做導洞鋼架，導洞鋼架采用I20a型鋼形成封閉結構(棚洞拱架圖見圖3)，必要時導洞鋼架橫梁兩端可加設臨時豎向木(鋼)支撐。導洞臨時支護參數:邊墻、頂部設φ8 mm@20 cm×20 cm網片;邊墻設φ22 mm系統錨桿L=3 m@1 m×1 m，梅花形布置;邊墻、頂部、底部均噴射C25混凝土20 cm;邊墻底腳設2根φ42 mm，L=3.5 m鎖腳錨管。

施工中，導洞臨時支護體系中的頂部鋼架橫梁位于正洞初期支護外，后期施做套拱和進行正洞初期支護時不再取出。

圖3 棚洞拱架(單位:cm)

3.4 施做套拱

套拱為小導洞臨時支護與正洞初期支護之間的一層加強支護。支護參數為:I32a鋼架，間距60 cm;φ42 mm鋼架連接鋼管間距1 m;C25噴射混凝土，厚度20 cm。套拱左側落腳于斜井加強段門型鋼架的橫梁上;右側設置擴大腳，并在每榀鋼架右側落腿處加設φ42 mm鎖腳錨管(L=3.5 m)6根，并在鋼架底部下墊槽鋼。套拱設置見斜井挑頂進正洞立面見圖4。

圖4 斜井挑頂進正洞立面

施工方法:導洞施工完畢后，由人工繼續向線路右側開挖、修鑿套拱擴大腳輪廓。在導洞臨時支護內側一次性安裝套拱鋼架4榀，噴C25混凝土厚20 cm。拆除大同端小導洞臨時支護邊墻，向大同方向人工開挖，繼續施做套拱，1開挖循環施做1榀鋼架，繼續施做3榀。再掉頭拆除西安端小導洞臨時支護邊墻，同樣施做3榀。以保證整個交叉口范圍內均有套拱保護為準。

3.5 正洞初期支護施工

套拱施工完畢以后，在套拱內側按正洞初期支護參數進行正洞初期支護施工。正洞鋼架左側同樣落腳于斜井加強環門形鋼架的橫梁上。

套拱范圍內正洞初期支護施做完畢后按弧形導坑法先向西安端人工開挖正洞上導坑，待形成足夠大的工作面后改為人工配合機械開挖，逐漸達到2個掌子面上、中、下3個部位同時作業的能力。

套拱范圍內正洞仰拱鋼架左側要牢固焊接在斜井加強環門形鋼架的底撐上，確保該范圍內正洞鋼架閉合成環。

4 加強圍巖量測，確保施工安全

現場監控量測是隧道施工管理的重要組成部分，不僅能指導施工，預報險情，確保安全，而且通過現場監測獲得圍巖動態信息(數據)，為修正和確定初期支護參數，混凝土襯砌支護時間提供信息依據，為完善隧道工程設計與指導施工提供可靠的足夠的數據。

4.1 周邊水平收斂位移量測

采用收斂儀量測，沿隧道周邊左右對稱布置，各項位移的測點應在分部開挖后即在導坑內布置，分部開挖完后按全斷面布置測點。量測斷面5 m 1個，每個斷面設6個點。

4.2 拱頂下沉及底部上鼓量測

在拱頂設測點埋固定樁，其設置在開挖或第一次混凝土澆筑完成后迅速完成，采用水準儀、水準尺測量。拱頂和隧底各設1測點，5 m設1組。

4.3 水平收斂變形管理

挑頂施工斜井與正洞交叉處圍巖應在應力重分布和應力釋放的過程中，會引起支護結構產生位移、變形，甚至破壞支護結構，危及隧道安全。因此在施工中建立嚴密的監控量測是保證安全的主要手段，同時也是調整支護參數的信息來源。根據有關設計規范和類似工程的經驗，監控量測水平收斂變形管理等級見表1。

表1 變形管理等級

4.4 圍巖量測結果

在+755處、+750處、+745處埋點，觀測數據如表2。

經過2個月的觀測，變形管理等級為Ⅲ級，可正常施工。

5 結語

施工實踐證明，該方法對大斷面軟弱圍巖隧道斜井進正洞挑頂施工有較好的效果。其主要優點是:施工難度小，保證了施工安全，交叉口段隧道的沉降量得到了較好的控制。與傳統的由抬高斜井拱頂過渡到正洞的施工方法相比，可減少斜井二次襯砌混凝土的回填量。施工中應加強圍巖量測，并嚴格按照“短進尺、強支護、早封閉、勤量測、早成環、仰拱緊跟”的原則，合理選擇支護參數，以確保優質高效的完成挑頂。

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