斜通道輔助豎井施工技術研究

雍 毅，李 俊，李 鍇

(1．中交第一公路工程局廈門工程有限公司，廈門 361021;2．中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

0 引言

隨著鐵路跨越式發展，大規模鐵路建設全面展開，據不完全統計，未來幾年鐵路隧道工程總長度將超過2 500 km，其中特長隧道要占隧道總長的的1/5［1］。在長隧道的修建中，采用合適的輔助坑道，可以改善施工條件，增加工作面，提高施工進度和縮短工期。常用的輔助坑道有橫洞、平行導坑、斜井和豎井，根據隧道長度及其所處地形、地質及水文條件綜合考慮，輔助坑道可以單個、多個或組合使用。全長20．05 km的烏鞘嶺隧道，根據地質和工期等要求，設置了單豎井、長斜井、平導和橫洞等多座輔助坑道［2］。文獻［3-4］介紹了輔助坑道中單豎井的布置原則及方式，文獻［5］結合施工因素進行比選和分析，采用了2單豎井+1斜井的優化方案。為減少單豎井施工周期，降低建井成本和考慮豎井施工安全，文獻［6］提出了1座進碴、出料豎井，1座專用逃生副井和1座提供供風、供電等設施的組合豎井設計方案，但無論單豎井設計，還是在組合豎井設計中，由于豎井出碴、進料都需垂直提升，且只能從一個通道口出入，因此，勢必造成進料與出碴不能同步進行，且施工交叉較多，不便于施工管理，嚴重影響到主隧道施工進度，也增加了主隧道開挖后不能及時進行支護的時間，從而影響到了主隧道施工安全。為解決這一難題，綜合考慮隧道施工工期、成本和安全需要，以東莞至惠州軌道交通工程GZH-5標斜通道輔助豎井施工工程為例，首次提出了將豎井出碴與進料分離的方法，即增設一斜通道與主隧道斜交的方案以輔助豎井施工。該斜通道斷面小，自身施工工期短，可輔助豎井輸送鋼筋和混凝土等材料，以期緩解豎井壓力，也為主隧道施工進度和安全提供保障。

1 工程概況

東莞至惠州城際軌道交通工程GZH-5標段，線路起止里程為 GDK25+080～GDK33+022．303，工程地點位于東莞市寮步鎮境內，正線長7．94 km，其中明挖段隧道長4．15 km，暗挖段隧道長3．79 km。GDK31+700施工豎井為該標段第4個施工豎井，該豎井暗挖隧道位于東莞市常平鎮松山湖大道，東側約250 m為工業北路。地形北高南低，地面高程22．74～26．8 m，南側路面高程較低。隧道拱頂埋深約22．0 m，覆土主要有素填土、淤泥質粉質黏土、全—弱風化混合片麻巖層，洞身主要位于強—弱風化混合片麻巖層。沿線地下水主要為第四系地層中的孔隙水，埋深1．0～7．0m，在基巖中賦存有裂隙水，水量不大，一般略具承壓性，埋深不等。GDK31+700施工豎井與暗挖隧道平面關系見圖1。

圖1 豎井與暗挖隧道平面布置圖Fig．1 Plan relationship between vertical shaft and tunnel

2 施工方案優化

2．1 原有方案分析

單豎井出碴、進料需垂直提升，GDK31+700豎井與龍門吊提升布置見圖2［7］。從圖2可以看出，由于出碴與進料只能從一個通道口通過龍門吊提升，因此，造成進料與出碴不能同步進行，嚴重影響主隧道施工進度，主隧道掌子面開挖后，也不能及時進行支護，影響到了主隧道施工安全，施工成本較高，工效較低。

2．2 優化改進方案

根據現場已有施工條件，為滿足現場施工需要，增設1條輔助豎井施工的斜通道，該斜通道為拱形直墻形。該斜通道位于GDK31+700豎井左側，斜通道與左線主隧道橫向中心線夾角為42．29°，斜通道長度為40．85 m，只用于輸送混凝土、下放鋼筋等材料。斜通道的支護采取C25模噴鋼筋混凝土，為減少對圍巖的影響，邊開挖邊及時施作支護。斜通道與豎井平面布置見圖3，斜通道與左線主隧道橫剖面見圖4。

3 數值模擬分析及結果

采用MⅠDAS/GTS大型有限元分析軟件進行斜通道施工階段的三維動態模擬，圍巖使用實體單元，主隧道的初支體和斜通道噴射混凝土采用板單元，數值模擬模型采用Mohr-Coulomb模型。

在進行斜通道施工前，現場左線主隧道已封閉成環60 m且回歸分析已穩定，因此，主要分析該斜通道施工作用下，對斜通道自身和對左線主隧道初期支護結構的變形和受力情況的影響。

3．1 三維有限元模型

該斜通道與主隧道斜交，整體模型長度取60 m，寬度取60 m，高度取50 m，有限元分析模型見圖5。

圖5 有限元分析模型Fig．5 Finite element analysis model

3．2 計算參數

根據設計［8］資料和等效剛度原理，隧道初期支護的鋼拱架和連接鋼筋折算到隧道初期支護參數中。為安全考慮，斜通道支護采用C20噴射混凝土模擬(現場實際為C25模噴鋼筋混凝土)，錨桿僅作為安全儲備，不進行計算。巖土物理力學參數和支護結構參數見表1。

表1 計算參數Table 1 Calculation parameters

3．3 計算結果分析

1)位移結果。隨著斜通道的開挖，地表下沉最大位移為17．5mm，斜通道最大下沉9．9mm，主隧道拱頂上抬4．3mm。巖體、斜通道及主隧道豎向位移見圖6。

2)主隧道初期支護應力。在施工斜通道過程中，主隧道初期支護的拱部和斜通道與主隧道的連接口處主要承受壓應力，壓應力最大值為2．24 MPa。在斜通道未開挖前，拱腳承受拉應力最大值為1．79 MPa，隨著斜通道開挖的進行，由于巖體的卸載作用，主隧道初期支護拱腳承受的拉壓應力逐漸減少，斜通道開挖至最后階段時，拱腳承受拉應力為1．58 MPa。施工第1階段及最后階段主隧道最大主應力見圖7。

3)斜通道初期支護應力。在施工斜通道過程中，由于斜通道的開挖斷面比較小，斜通道噴射混凝土拉應力與壓應力值均較小，最大拉壓應力值為0．36 MPa，小于 C20 噴射混凝土的抗拉強度 1．1 MPa［9］。斜通道最大主應力見圖8。

通過有限元理論分析表明，由于斜通道施工時對土體的卸載作用，使得主隧道的拱頂有上抬趨勢;在斜通道施工的過程中，斜通道支護拉、壓應力都較小，主隧道支護拱腳承受的拉應力是一個逐漸減小的過程，在斜通道與主隧道的連接口處，產生的應力主要是壓應力，數值也不大。因此，斜通道施工對自身及主隧道的影響較小，該方案理論上基本可行，但由于巖、土體本身的復雜性、非均質性，數值計算結果與實際情況不可避免地存在一定程度的差異，因此，需在施工過程中進行跟蹤量測并及時反饋。

4 施工關鍵技術要點

1)為減少斜通道與主隧道施工的相互影響，待主隧道初期支護封閉成環一定距離(現場為60 m)且穩定后，再采取措施施作斜通道。

2)斜通道開挖土質及軟巖段采用人工風鎬挖孔，硬巖段采用光面爆破開挖，盡量減少圍巖擾動，每開挖一段及時支護一段。

3)斜通道出碴方式采用人工裝碴，使用卷揚機做提升設備，將斗車直接放在斜通道的軌道上，將碴拉出送到棄土點，為保證斜通道空氣流通，在井口設1臺軸式通風機，用直徑500 mm的軟管向斜通道內送風。

4)在斜通道進行爆破開挖時，為減小對主隧道的影響，應嚴格控制用藥量和開挖進尺，并進行爆破振動監測，以確保主隧道初期支護結構安全。

5)斜通道施工完成后，在斜通道內可分區安裝混凝土輸入管及鋼筋下料通道等，斜通道進料通道安裝見圖9。

圖9 斜通道進料通道安裝Fig．9 Material supply lines installed in access ramp

5 監控量測

5．1 監測項目

增加輔助通道后，為監測斜通道及主隧道結構的穩定，隨時調整支護參數，使斜通道能安全順利地建成，依據設計［8］和規范［10］制訂了以下監控量測項目，詳見表2。

5．2 監測數據反饋

1)該斜通道開挖支護完成后，監測結果［11］與計算結果對比詳見表3。

2)為了監測主隧道受斜通道爆破時的振動效應，在左線主隧道初期支護上分別安裝豎向傳感器和水平傳感器進行監測，通過監測發現，沿隧道水平方向最大振速為 5 mm/s，小于設計值 10 mm/s［12］的要求。爆破時振動分析見圖10。

表2 監控量測項目Table 2 Monitoring items

表3 監測數據Table 3 Monitoring datamm

圖10 爆破時振動分析Fig．10 Analysis on blasting vibration

通過數值模擬與監測比較，兩者相差不大，變化規律基本一致，現場采用增設斜通道輔助豎井施工方案組織施工，斜通道及主隧道是安全可靠的，滿足設計及規范要求。

6 經濟效益分析

6．1 成本分析

按新方案增設一斜通道，完成該斜通道需要1個月左右，費用投入在8萬元左右;而按新方案調整后，主隧道施工每月可提高進尺10 m左右，縮短工期約4．5個月，在該豎井暗挖隧道施工中，不考慮機械投入成本，每月僅人工費就達50萬元左右，只計人工費就可節約225萬元。因此，增設斜通道輔助豎井施工，經濟效益明顯。

6．2 環境影響

由于斜通道自身具有開挖斷面小，占地小，易于布置，干擾因素少，有利于文明施工等優點，各種資源能較好地利用，能確保人員和附近構筑物的安全，對周圍環境影響較小。

7 結論與討論

1)計算和監測表明，隨著隧道斜通道開挖施工，主隧道拱頂沉降觀測有上抬趨勢，主隧道收斂有向外側收斂變化，這會抵消一部分原主隧道的凈空變化(拱頂下沉和隧道向內收斂)數值，從控制主隧道凈空變化的角度來看，不會影響到后續主隧道二次襯砌施工凈空，而斜通道自身凈空變化也比較小。

2)在斜通道施工過程中，斜通道支護自身應力比較小;由于土體的卸載作用，引起應力重分布，使得主隧道初期支護拱腳承受的拉壓應力逐漸減小，在斜通道與主隧道的連接口處，產生的應力主要是壓應力，且壓應力數值不大。

3)為減少斜通道與主隧道施工的相互影響，待主隧道初期支護封閉成環一定距離且穩定后，再施作斜通道;在斜通道進行爆破開挖時，應嚴格控制用藥量和開挖進尺，將爆破振動速率控制在允許范圍內，從而減小斜通道施工對主隧道的影響，以確保主隧道安全。

4)斜通道與主隧道斜交的方案，有效地避免了豎井垂直提升出碴與進料施工交叉的問題，緩解了豎井施工壓力，使主隧道施工進度提高了50%左右，大大降低了施工成本，經濟效益明顯。

5)現場增設斜通道輔助豎井施工，斜通道自身具有開挖斷面小，占地小，易于布置，工程進度快，干擾因素少，有利于文明施工等優點，各種資源能較好地利用，能確保人員和附近構筑物的安全，產生了較好的社會效益和環境效益。

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