斜井進正洞挑頂施工技術(shù)探討

梁建忠

(太原鐵路局建設(shè)處質(zhì)量安全監(jiān)督站，山西太原 030013)

1 工程概況

新建呂梁至臨縣(孟門)鐵路位于山西省呂梁市境內(nèi)，線路自太中銀鐵路呂梁站引出，經(jīng)大武鎮(zhèn)到三交，線路在此分出岔線，一條向北方向至臨縣縣城，另一條向南方向至臨縣磧口，正線全長38.645 km，橋隧比例53%，全線包含隧道19 813 m/12座，隧道長度占全線長度的41.2%。其中車趕隧道為全線的重難點及控制性工程，隧道全長11.815 km，位于山西呂梁市方山縣大武鎮(zhèn)與臨縣湍水頭鎮(zhèn)之間，起訖里程DK14+630～DK26+430，最大埋深約293.3 m，設(shè)計為單線隧道(出口因設(shè)置湍水頭車站，設(shè)置1 230 m雙線隧道，線間距5 m)，因施工工期的需求，設(shè)有4座斜井、9個工作面輔助施工，合同工期36個月。

車趕隧道進口至DK15+207.05位于半徑為800 m的左偏曲線上，DK21+060.96～DK21+923.8位于半徑為1 200 m的左偏曲線上，其余段落位于直線上。隧道進口至DK16+100位于6‰的下坡，DK16+100至隧道出口位于3‰的下坡。車趕隧道施工地質(zhì)異常復(fù)雜，施工過程安全控制任務(wù)極重，主要包括新黃土、砂巖、石灰?guī)r、泥巖、泥灰?guī)r及角礫巖等巖體，全隧包含溶腔、富水地層、富煤瓦斯突出地層及鋁土膨脹地層等不良地質(zhì)，其中Ⅱ級圍巖4 810 m，占隧道全長的40.76%;Ⅲ級圍巖1 865 m，占隧道全長的15.81%;Ⅳ級圍巖3 415 m，占隧道全長的28.94%;Ⅴ級圍巖1 710 m，占隧道全長的14.49%。

車趕隧道3號斜井位于臨縣湍水沐浴村村后，經(jīng)218省道路口既有土路、鄉(xiāng)村公路約5.5 km到斜井洞口位置，交通條件較差，設(shè)計為雙車道寬×高=8.0 m×7.5 m，斜井長L=780 m，平面角α=46°，綜合坡度i=9.7%，與正洞交點里程為DK22+500，井底標高1 011.23，平面交角46°，進入正洞施工后，設(shè)置兩個工作面，進行雙向掘進開挖，承擔(dān)車趕隧道施工任務(wù)1 980 m。

2 施工方法探討

2.1 施工地質(zhì)

車趕隧道3號斜井三岔口處及正洞施工段設(shè)計地質(zhì)為Ⅱ級圍巖，灰?guī)r，整體性較好，但開挖揭示地質(zhì)以泥巖為主，強度低，整體性差，且局部夾鋁礬土，局部含少量裂隙水，掌子面易掉塊，特別是圍巖的膨脹性引起了初期支護的大面積變形，挑頂施工難度較大。

2.2 施工思路探討

由于地質(zhì)的特殊性及復(fù)雜性，施工方案的選取直接決定著挑頂施工的成敗，從安全角度出發(fā)，采取臺階預(yù)留核心土開挖法，人工風(fēng)鎬配合機械開挖，遇堅硬孤石采取局部弱爆破，但斜井進正洞過渡段采取何種施工思路意義更加深遠，決定著挑頂段的工期和安全控制，考究以往的施工經(jīng)驗，傳統(tǒng)做法主要有異形段施工過渡、異形段施工+1 m直交段過渡兩種思路，通過對比、分析及優(yōu)化傳統(tǒng)施工方法，采取緩和曲線過渡方式在安全、施工操作及運輸空間方面均有所提高，以下主要對三種施工思路做了簡要闡述:

1)斜井正常推進，進入距離正洞約10 m范圍時適當縮小拱架間距，進入距離正洞邊墻約5 m范圍時，開始異形拱架段施工，逐步調(diào)整拱架方向，在正洞邊墻位置時斜井拱架平行于正洞中線，再按加強環(huán)、托梁措施實施，如圖1所示。

2)斜井正常推進，進入距離正洞10 m范圍時適當縮小拱架間距，進入距離正洞邊墻3 m范圍時，開始異形拱架段施工，逐步調(diào)整拱架方向，在正洞邊墻1 m位置時斜井拱架平行于正洞中線，該1 m范圍內(nèi)按垂直正洞邊墻施工，拱架間距按50 cm控制，施工至正洞邊墻后，再按加強環(huán)、托梁措施實施，如圖2所示。

3)斜井施工至距離正洞邊墻20 m范圍時，采取緩和曲線過渡的方式，逐步調(diào)整拱架方向，拱架參數(shù)采取斜井拱架參數(shù)，進入距離正洞10 m范圍內(nèi)時，可適當縮小拱架間距，直至正洞邊墻，再按加強環(huán)、托梁措施實施，如圖3所示。

通過對比分析三種施工思路，思路1和思路2是挑頂施工中比較傳統(tǒng)的施工方法，但思路3在實際施工過程中較少采用，從受力性能、安全、施工操作及運輸空間等幾個方面全面分析三種思路，主要特點如下:

思路1:異形拱架段拱架尺寸與原斜井拱架尺寸差異比較大，拱架加工比較復(fù)雜;斜井與正洞邊墻相交處與設(shè)計基本一致，如設(shè)計為小角度相交，則斜井與正洞相交處受力性能差，運輸空間受限大;從安全角度考慮，該思路中，馬頭門處跨度大，安全問題比較突出。

思路2:較思路1，異形段落較短，異形拱架加工任務(wù)變小;從受力性能及安全方面看，馬頭門處采用直交方式，受力性能略有提高，馬頭門跨度未增大，安全系數(shù)提高，但異形與直交相交處未突變過渡，仍是一個受力薄弱點;從運輸空間方面看，思路2完全能夠滿足運輸空間需求。

思路3:采取緩和曲線果斷，避開了異形拱架施工，拱架仍采取原斜井拱架，拱架加工較為簡單;從受力性能及安全方面看，思路3采取逐漸過渡的方式，避開了出現(xiàn)受力突變點的隱患，同時馬頭門處跨度和斜井保持一致，安全系數(shù)大大提高;從運輸空間方面看，因采取了緩和曲線過渡，斜井與正洞邊墻的實際夾角較設(shè)計有所增大，有利于各類運輸車輛的通行;思路3為緩和曲線，測量放樣任務(wù)較重，但可通過控制中線、間距及緩和曲線外弧側(cè)的支距實現(xiàn)控制。

通過綜合分析三種思路，共同的缺陷是都會出現(xiàn)兩側(cè)拱架間距不一致的情況，從安全的角度出發(fā)，施工過程中過渡段拱架間距均要縮小，但思路3在思路1和思路2的基礎(chǔ)上優(yōu)化效果明顯，克服了增大斜井斷面和加工異形拱架的困難，提高了馬頭門處的安全系數(shù)，同時滿足了運輸空間的需求，從而提高了薄弱點的安全性能及施工易操作性。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 總體施工思路

1)當斜井小角度側(cè)距離正洞邊墻20 m范圍時，斜井進入緩和曲線施工段，如圖3所示，斜井坡度調(diào)整為3%，坑底標高逐步抬升，直至正洞邊墻，完成由斜交于斜井中線到平行于正洞中線的過渡，斜井拱頂標高逐漸抬高至設(shè)計及施工需求的標高。2)斜井與正洞交叉口處施作加強環(huán)，采用3榀密排拱架，密排拱架之間要焊接牢固，同時要與斜井拱架焊接牢靠，確保馬頭門處的支護與斜井洞身的支護為一整體，保證多凌空面、受力薄弱處初期支護的穩(wěn)定。3)繼續(xù)按照斜井斷面沿平行于正洞中線的方向開挖，按照三臺階預(yù)留弧形核心土的方案施工，拱頂標高逐步抬高，在向正洞邊墻的掘進過程中，正洞正反兩個掌子面采用15 cm厚錨網(wǎng)噴封閉，防止施工過程中裸露圍巖的風(fēng)化和變形，確保施工過程中圍巖的穩(wěn)定性。4)正洞上導(dǎo)開挖至標準斷面后，按正洞支護設(shè)計參數(shù)及時完成初期支護。5)調(diào)頭擴挖正洞臨時斷面至設(shè)計斷面，及時完成初期支護。6)正洞正反方向向前掘進10 m左右時，跟進中臺階及下臺階，同時根據(jù)作業(yè)空間情況完成馬頭門范圍及正洞段仰拱施工。7)整個開挖過程中，圍巖量測頻次要加密，適時組織分析，用分析結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3.2 緩和曲線段施工

緩和曲線段按照斜井設(shè)計參數(shù)進行開挖，但支護參數(shù)較正常斜井段增加一個級別，斜井坡度由原坡度9%調(diào)整為3%，坡度調(diào)整的目的有兩個:

1)斜井拱頂標高逐步向正洞拱頂標高靠攏;2)保證井底車場平坦。緩和曲線段采用16型格柵拱架，小角度側(cè)間距0.8 m～1 m，大角度側(cè)間距1 m～1.3 m，格柵拱架之間采用φ22螺紋鋼縱向連接筋，環(huán)向間距1 m，連接筋與拱架之間、前后循環(huán)之間的連接筋要焊接牢固，確保斜井初期支護為一受力整體，提高初支抵抗能力，拱架拱腳采用4根φ42鎖腳錨管定位，錨管與拱架之間采用“U”形鋼筋焊接連接，且錨管采用M20砂漿注漿填塞密實，以提高鎖腳錨管的抗彎性能及錨管與管壁周圍的固結(jié)效果。緩和曲線段控制項目主要包括拱頂標高、小角度側(cè)拱架間距及支距、大角度側(cè)拱架間距。

3.3 過渡段施工

斜井上臺階施工至正洞隧道邊墻時，開始挑頂施工，斷面寬度按照斜井斷面寬度控制，高度4 m，開挖方向基本垂直于正洞中線，逐步從斜井上臺階過渡到正洞上臺階，開挖過程中要對正洞兩個掌子面采用15 cm厚錨網(wǎng)噴封閉，開挖至正洞邊墻時，及時完成直腿拱架及正洞拱架的架設(shè)，如圖4所示。支護采用16格柵鋼架，拱架間距按0.8 m～1.0 m控制，拱架之間采用φ22環(huán)向連接筋焊接連接，連接筋環(huán)向間距1 m，拱架拱腳采用4根φ42鎖腳錨管定位，錨管與拱架之間采用“U”形鋼筋焊接連接，且錨管采用M20砂漿注漿填塞密實;拱部設(shè)L=3 m，φ25中空注漿錨桿，邊墻設(shè)L=3 m，φ22 砂漿錨桿，間距1.0 m×1.0 m，梅花形布置，全環(huán)掛φ6×φ8鋼筋網(wǎng)片(網(wǎng)格尺寸20 cm×20 cm)、噴射20 cm 厚C25混凝土。

3.4 加強環(huán)拱架設(shè)置

斜井與正洞相交處因凌空面多，圍巖失穩(wěn)的可能性大，初期支護受力大，從支護的安全性能和后期正洞拱架連接效果兩個方面考慮，馬頭門處靠近正洞側(cè)設(shè)置1榀16型格柵拱架，其余2榀均采用Ⅰ20a型鋼拱架，如圖4所示，考慮拱架間距較小，可能會出現(xiàn)噴射混凝土不密實，甚至出現(xiàn)空洞的情況，根據(jù)對噴射混凝土的工藝控制方面的研究，加強環(huán)處的密排拱架間距按30 cm～40 cm控制，密排拱架之間、密排拱架與斜井拱架之間采用φ22螺紋鋼焊接連接，連接筋間距0.8 m，加強環(huán)處拱架內(nèi)外側(cè)布設(shè)φ6×φ8鋼筋網(wǎng)片(網(wǎng)格尺寸20 cm×20 cm)、噴射20 cm厚C25混凝土封閉。

3.5 正洞施工

1)考慮預(yù)留變形量及施工誤差，開挖斷面放大25 cm，待正洞斷面完全成型后，根據(jù)圍巖量測結(jié)果，再適當調(diào)整正洞斷面加大值，確保凈空滿足設(shè)計要求。2)由于正洞與斜井的相交角度限制，同時考慮作業(yè)空間的限制及安全控制等各種因素，進入正洞后，先沿呂梁方向進行上導(dǎo)坑開挖支護，主要支護參數(shù)包括:采用16型格柵拱架，拱架間距 0.8 m ～1.0 m，拱架間距按 0.8 m ～1.0 m控制，拱架之間采用φ22環(huán)向連接筋，環(huán)向間距1 m，拱架拱腳采用2根φ42鎖腳錨管定位，錨管與拱架之間采用“U”形鋼筋焊接連接，且錨管采用M20砂漿注漿填塞密實;拱部設(shè)L=3 m，φ25中空注漿錨桿，邊墻設(shè)L=3 m，φ22砂漿錨桿，間距1.0 m×1.0 m，梅花形布置，初支厚度20 cm，襯砌厚度40 cm，施工8榀，超前馬頭門大約4 m，確保三岔口段施工安全。3)完成呂梁方向的開挖任務(wù)后，向臨縣方向掘進，支護參數(shù)按照設(shè)計，采用16型格柵拱架，拱架間距0.8 m～1.0 m，初支厚度20 cm，襯砌厚度40 cm，施工8榀，超前馬頭門大約4 m，確保三岔口段施工安全。4)通過斜井開挖正洞中槽，逐步完成該段中下臺階的開挖初支，條件具備時，及時施作仰拱，確保三岔口段的支護結(jié)構(gòu)及早成環(huán)，增加該段的安全砝碼。根據(jù)施工空間的情況，斜井井底段及時施工8 m二次襯砌，確保三岔口段整體穩(wěn)定。

3.6 監(jiān)控量測

圍巖監(jiān)控量測是指導(dǎo)施工、確保安全的重要手段，通過施工前和施工中收集的數(shù)據(jù)和工程地質(zhì)資料，及時分析判斷爆破后圍巖松動范圍及圍巖與初期支護受力的穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)測變形的發(fā)展趨勢，預(yù)報險情，以指導(dǎo)安全施工，指導(dǎo)開挖作業(yè)與支護作業(yè)。

在軟弱圍巖中進行挑頂施工，受巖體自身穩(wěn)定及凌空面增多造成的結(jié)構(gòu)受力變?nèi)醯瓤陀^因素的影響，安全控制難度加大，監(jiān)控量測成為控制隧道施工安全的最關(guān)鍵保證措施，監(jiān)控量測布點、量測及數(shù)據(jù)分析相比隧道正常施工段的標準及要求更高，在車趕隧道3號斜井施工過程中，監(jiān)控量測采取的方法主要有:隧道挑頂施工范圍內(nèi)嚴格參照隧道施工規(guī)范中洞口或淺埋地段的要求進行地表監(jiān)控，專人負責(zé)，特別是爆破前后必須監(jiān)測一次;考慮圍巖與初支變形的不同步性，采取圍巖及初支同步監(jiān)控的措施，不管拱頂沉降還是水平收斂，不管圍巖變形還是初支變形超過規(guī)定值，立即按照專項方案進入應(yīng)急管理;除采用儀器進行監(jiān)測外，每日安排專人對初支面進行目測觀察;監(jiān)控過程中，連接板處作為初期支護的薄弱環(huán)節(jié)，是必須布點和目測觀察的位置，同時在監(jiān)測時間上也做了適當加強，爆破前后、仰拱開挖前后的監(jiān)控量測成為硬性標準。

4 結(jié)語

呂臨鐵路車趕隧道3號斜井按照三臺階預(yù)留弧形核心土開挖法，斜井進正洞段采取緩和曲線過渡法，馬頭門處設(shè)置工字鋼、格柵拱架組合設(shè)置的加強環(huán)，通過對施工過程中的圍巖量測結(jié)果的詳細分析，挑頂施工段落初期支護變形完全在可控范圍內(nèi)，車趕隧道3號斜井挑頂施工取得了良好效果，挑頂施工用時15 d，為安全、快速進入正洞施工起到了決定作用。通過實踐的檢驗，三臺階預(yù)留弧形核心土開挖法和緩和曲線過渡同時緩和曲線施工方法相搭配的施工方法在軟弱圍巖的挑頂施工中具有顯著的意義，相對傳統(tǒng)的挑頂施工方法，在受力性能、安全控制、施工操作及運輸空間等方面均有明顯的提高，在其他隧道的挑頂施工方面具有一定的指導(dǎo)意義。

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