干陽溝隧道0號斜井挑頂方案比選和優(yōu)化

柳福鑫

(中交一航局第二工程有限公司，山東青島 266071)

0 引言

山西中南部大能力鐵路對外通道是西起瓦塘東至日照南站的新建貨運專線，是一條“西煤東運”的能源運輸動脈，也是我國東西向路網(wǎng)干線鐵路之一，對我國國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要的能源安全保障作用。干陽溝隧道位于臨汾市浮山縣境內(nèi)，全長8 460 m，為單洞雙線隧道，處于丘陵區(qū)，地面標(biāo)高720 m～920 m，相對高差約200 m，依次通過第四系松散堆積層、上三系粉質(zhì)黏土、第三系延長組砂巖夾泥巖、中統(tǒng)銅川組砂巖夾泥巖等地層，隧道正常涌水量46 m3/d～329 m3/d，圍巖穩(wěn)定性極差，成洞困難。今年2月5日劃歸晉中南鐵路項目部時，全隧道僅完成17%的工程量，成為全線制約鋪架的控制性工程，剩余施工任務(wù)量巨大、施工工期極度緊張，已經(jīng)引起業(yè)主的高度重視，為順利完成0號斜井施工任務(wù)，確保鋪架工期，選定安全可控的挑頂施工方案具有舉足輕重的意義。

1 工程概況

干陽溝隧道0號斜井位于線路前進方向右側(cè)，與線路相交于DK363+125里程處，XODK0+000～XODK0+190段與平面交角為40°，斜井綜合坡度為10.66%，斜井斜長191.16 m，與隧道采用斜交單聯(lián)式，無軌運輸單車道襯砌斷面，XODK0+190～XODK0+ 275段為拉槽段，斜井全長范圍內(nèi)均為Ⅴ級圍巖，承擔(dān)正洞1 133 m施工任務(wù)。

0號斜井與正洞交接段為上第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，棕紅色，土質(zhì)均勻、結(jié)構(gòu)緊密，含砂量較高，堅硬，斜井上臺階潮濕，下臺階有地下水滲出，局部垂直節(jié)理發(fā)育明顯，掌子面穩(wěn)定性較差，排水量達160 m3/d。

2 斜井挑頂正洞施工方案

結(jié)合黃土隧道施工特點和干陽溝隧道0號斜井圍巖地質(zhì)情況，共制定了3套斜井挑頂正洞施工方案。

2.1 換拱法施工方案

斜井施工至正洞右線邊緣后，按斜井?dāng)嗝嬉郧€轉(zhuǎn)體進入正洞，待斜井中心線與正洞中心線重合后(轉(zhuǎn)角90°)，上坡開挖斜井?dāng)嗝嬷敝列本敇?biāo)高與正洞頂標(biāo)高一致，并繼續(xù)按正洞斷面尺寸施作5 m～10 m上臺階初期支護，形成作業(yè)空間后反向按正洞尺寸擴挖臨時支護，直至挑頂段施工完成。斜井進入正洞平面關(guān)系見圖1。

2.1.1 施工步驟

1)施作曲線段異型鋼架支護，完成斜井中線與正洞中線重合的過渡施工，此過程中斜井導(dǎo)洞斷面標(biāo)高保持不變;2)以20%的上坡坡度進行斜井?dāng)嗝嫣繇斒┕ぃ敝列本敇?biāo)高與正洞頂標(biāo)高一致，按照正洞斷面尺寸繼續(xù)施作5 m～10 m上臺階初期支護，為反向施工提供作業(yè)空間，反向施工前需封閉大里程掌子面;3)反向拆除斜井導(dǎo)洞初支支護，每次僅拆除1榀，按照設(shè)計斷面施作正洞初期支護，斷面擴挖施工時先進行右線加寬施工，再進行左線加寬施工，施工中需支立豎向臨時支撐;4)反向擴挖施工至DK363+105里程時，噴射混凝土封閉掌子面，停止小里程上臺階施工，進行中下臺階施工，盡早使交叉口段初期支護封閉成環(huán)。

圖1 斜井與正洞平面位置示意圖

2.1.2 施工控制要點

1)斜井曲線轉(zhuǎn)體進入正洞段，轉(zhuǎn)體角度為90°，需提前計算、加工好各榀異型鋼架;

2)斜井導(dǎo)洞爬坡角度根據(jù)轉(zhuǎn)體段圍巖情況及時調(diào)整，如圍巖情況較好，為盡快到達正洞頂設(shè)計標(biāo)高，在滿足施工安全和機械作業(yè)的前提下，可適當(dāng)提高爬坡角度，如圍巖情況較差，則需適當(dāng)降低爬坡高度;

3)反向拆除斜井導(dǎo)洞臨時支護，施工正洞斷面支護時應(yīng)嚴(yán)格施工工序，先右線后左線，先拱頂后邊墻，嚴(yán)禁掏底開挖;

4)各初期支護參數(shù)嚴(yán)格按照設(shè)計要求施作，特別是鋼拱架嚴(yán)禁懸空，造成安全隱患;

5)應(yīng)加強、加密挑頂段圍巖監(jiān)控量測頻率，及時反饋量測信息，以便指導(dǎo)、調(diào)整支護參數(shù)，確保施工安全。

2.2 導(dǎo)洞法施工方案

在斜井與正洞交接處采用4 m×3 m(寬×高)小導(dǎo)洞向上挑頂施工。導(dǎo)洞頂標(biāo)高比設(shè)計開挖輪廓線高27 cm，并預(yù)留15 cm沉降變形量，開挖過程中導(dǎo)洞高度固定不變，底標(biāo)高根據(jù)正洞輪廓標(biāo)高變化而變化，直至隧道橫斷面導(dǎo)洞施工完成。

2.2.1 施工步驟

1)進行斜井與正洞交接處加強環(huán)及龍門架施作，為保障施工安全，采用并排支立兩榀龍門架的施工方案，單榀龍門架及加強環(huán)加工見圖2;

2)斜井靠近正洞15 m長范圍內(nèi)填碴順坡，即提供施工便道也起到反壓支護作用;

3)進行小導(dǎo)洞挑頂施工，將正洞上斷面拱形結(jié)構(gòu)初期支護分為21個相互連接的節(jié)段，各節(jié)段水平投影長度0.6 m，施工時每次開挖一個節(jié)段，在節(jié)段前端安設(shè)臨時導(dǎo)洞工字鋼支撐門架，待第21個節(jié)段開挖完成后，整個臨時導(dǎo)洞便已施工完成;

4)支立正洞Ⅰ20a型鋼骨架，型鋼骨架左側(cè)支立在原狀圍巖上，右側(cè)支立在斜井與正洞相交處的門架上，待正洞型鋼骨架及噴射混凝土完成后;拆除臨時支撐門架的立腿，進行正洞上臺階開挖施工，完成斜井到正洞的施工體系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)由拱形支撐承受全部荷載。

圖2 龍門架及加強環(huán)加工示意圖

2.2.2 施工控制要點

1)斜井與正洞交接處處于三維受力狀態(tài)，正洞右側(cè)初期支護坐落在龍門架上，龍門架必須焊接牢靠且坐落在原狀圍巖上，支立及接長龍門架施工時需提前預(yù)制混凝土墊塊，防止開挖尺寸與龍門架尺寸不一致造成門架立腿懸空;

2)挑頂正洞施工前應(yīng)完成斜井加強段初支成環(huán)和二次襯砌施工，為挑頂施工提供穩(wěn)固的受力支撐;

3)做好挑頂正洞量測工作，挑頂小導(dǎo)洞頂標(biāo)高必須高于設(shè)計開挖斷面頂標(biāo)高27 cm，并預(yù)留沉降變形量，嚴(yán)禁欠挖;

4)挑頂門架立腿采取現(xiàn)場加工焊接作業(yè)，隧道圍巖節(jié)理發(fā)育，底部邊緣處圍巖存在坍塌可能，現(xiàn)場加工符合實際長度的立腿有利于開挖面及早封閉，相鄰門架間應(yīng)采用連接筋焊接成整體受力;

5)正洞初期支護應(yīng)采取加強措施，拱腳兩側(cè)采用雙排鎖腳錨管固定鋼架，緊貼鋼架打設(shè)間距1.0 m×0.6 m(環(huán)向×縱向)的砂漿錨桿，減小拱部對門架的壓力。

2.3 類CRD法施工方案

在交叉口處直接進行正洞挑頂開挖，開挖高度為設(shè)計高度加預(yù)留沉降量，開挖寬度為設(shè)計鋼架間距寬度，為滿足人員作業(yè)空間需求，開口處可依據(jù)實際情況適當(dāng)加寬，施工順序見圖3。

圖3 類CRD法施工正洞開挖示意圖

2.3.1 施工步驟

1)進行交叉口處斜井挑頂正洞龍門架施工及順坡碎石回填; 2)采用人工風(fēng)鎬法按照類CRD法開挖正洞，按順序先開挖①部，①部正洞鋼架采用異型鋼架，右側(cè)鋼架直接搭接在斜井龍門架上，臨時支護坐落在原狀圍巖上，進行混凝土噴射施工，臨時支護處只需噴射約10 cm厚混凝土進行掌子面封閉，為降低②部開挖及出碴難度，可先進行3榀～5榀①部開挖施工;3)拆除①部臨時支護混凝土，進行②部開挖并施作臨時支護，依次進行③部開挖支護;4)向小里程方向進行上臺階開挖作業(yè)，開挖進尺宜超過門架邊緣里程10 m，到達預(yù)定里程位置后封閉掌子面反向向大里程方向開挖上臺階至預(yù)定里程;5)上臺階施工完成后，及時進行④⑤⑥部中臺階開挖支護;6)循環(huán)施工，逐步完成斜井到正洞施工的空間和工序轉(zhuǎn)換。

2.3.2 施工控制要點

1)單循環(huán)開挖進尺深度達4.2 m，需設(shè)置專職安全人員全程旁站挑頂開挖過程，如圍巖情況較差，應(yīng)及時采取應(yīng)急措施封閉掌子面，降低開挖深度，增加臨時支護頻率;

2)開挖過程中應(yīng)就近設(shè)置應(yīng)急物資，特別是應(yīng)急工字鋼、切割作業(yè)設(shè)備及發(fā)電設(shè)備;

3)開挖過程中應(yīng)及時通風(fēng)，確保正洞開挖狹小空間內(nèi)空氣質(zhì)量;

4)為降低正洞初支鋼架對門架的壓力，靠門架側(cè)拱腳處需打設(shè)4根鎖腳錨管，鋼架需每間隔1 m打設(shè)定位系筋和砂漿錨桿;

5)拆除臨時工字鋼支護后需增加豎向木支撐，然后再進行下部作業(yè)。

3 施工方案比選

通過施工安全風(fēng)險、施工難易度、作業(yè)周期和施工成本等多方面的比較(見表1)，發(fā)現(xiàn)換拱法施工方案安全系數(shù)最高但拆除工作量極大，在干陽溝隧道施工工期如此緊張的前提下，可取性不強。類CRD法施工方案安全系數(shù)較小，支立和拆除作業(yè)交叉進行，三岔口段施工時間較長，不可預(yù)見性風(fēng)險較大，最終選定小導(dǎo)洞法施工方案作為干陽溝隧道0號斜井的挑頂施工方案。

表1 施工方案優(yōu)缺點對比

4 結(jié)語

按照小導(dǎo)洞法進行的干陽溝隧道0號斜井挑頂正洞施工效果良好，僅用時8 d就實現(xiàn)了斜井施工向正洞施工的空間和工序轉(zhuǎn)換，用時12 d實現(xiàn)人工作業(yè)向機械作業(yè)的轉(zhuǎn)換，共計用時28 d完成交叉段30 m上中臺階初期支護施工，達到了預(yù)期的效果，得到了業(yè)主的認可，為黃土隧道挑頂施工積累了施工經(jīng)驗，具有一定的借鑒意義。

［1］ 康 軍.黃土公路隧道設(shè)計與施工技術(shù)研究［D］.西安：長安大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

［2］ 賀廷西，蘇萬軍.石太鐵路客運專線大斷面黃土隧道施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(4)：21-24.

［3］ 周建富.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)［D］.成都：西南交通大學(xué)，2005.

［4］ 史海勇.交口隧道3號橫洞挑頂方案和施工方法［J］.山西建筑，2009，35(8)：323-324.