三聯隧道軟弱圍巖條件下橫洞與正洞交岔段施工技術

胡春停，劉艷倉

(中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

目前國內特長隧道施工大多采用長隧短打的方式，特別是在地質條件較差的山嶺地區，往往設計較多的斜井或平導，甚至施工過程中增設迂回平導以增加工作面，提高施工效率。小斷面橫通道向大斷面正洞的轉換往往成為安全隱患的集中點和制約施工效率的關鍵點。為緩解三聯隧道的工期壓力，確保貴昆鐵路增建二線工程按期實現通車，三聯隧道2#斜井段增設洞內迂回平導，增加工作面，加快施工進度。文獻［1］重點介紹了燕尾段由單線端挑頂反向施工技術;文獻［2］介紹了由于隧道洞口位于特殊地理位置，采取斜井進正洞挑頂施工的方法及要點;文獻［3］闡述了在特殊條件下斜井進正洞的施工工藝;文獻［4］主要說明黃土隧道CRD開挖挑頂施工，挑頂過程工序繁多，特別是出碴工序極為困難，無法在確保安全的前提下實現快速施工;文獻［5］主要介紹在圍巖條件較好的情況下，斜井進入正洞井底車場的施工;文獻［6］介紹了大斷面斜井以較大角度進入正洞挑頂施工;文獻［7］主要對CRD法和上挑洞法進行分析比較;文獻［8］主要說明斜井井底段的設計、施工方案的優化，采用棚架法挑頂施工技術，確保挑頂的施工安全;文獻［9］通過分析比較斜井與三車道大跨度泥灰巖隧道交岔口的3種具體施工方案，探討最優方案;文獻［10］重點闡述了膨脹土隧道橫洞進正洞挑頂技術的坑道驗算、施工工藝及施工要點。可以看到，以上文獻主要針對巖性較好、黃土以及膨脹土隧道頂挑進行研究，工法也較成熟，而對巖體較為破碎的軟弱圍巖研究較少，且傳統的工法挑頂效率較低，安全隱患較大，施工成本較高。本文側重介紹三聯隧道在軟弱圍巖條件下，由小斷面進入大斷面洞室施工，經過不斷地改進施工工法和優化施工工藝，實現了橫通道與正洞交岔段的安全、經濟和快速施工。

1 工程概況

三聯隧道位于云南省宣威市境內，新背開柱車站出站端，為雙線隧道，進口里程DK300+387，出口里程D1K312+601，全長12214m，設計行車速度160km/h，凈空限界并滿足通行雙層集裝箱要求。三聯隧道是改建鐵路貴昆線六盤水—沾益段全線最長、地質結構最復雜的控制性工程。由于三聯隧道1#斜井段穿越煤系地層及凝灰巖大變形地段，工期嚴重滯后，為實現按期貫通，于2#斜井段D1K309+340線右側增設1900m迂回平導和100 m通風豎井各1座，迂回平導與正洞間設置橫通道5座。區段內巖性為砂巖夾泥巖、頁巖，紫紅色，薄層狀，節理裂隙發育，裂隙面泥化現象嚴重，水平巖層，層間結合力差，巖性較軟，掌子面含少許裂隙水，拱頂極易發生掉塊，圍巖自穩性較差。迂回平導及橫通道位置關系如圖1所示。

圖1 迂回平導及橫通道位置關系圖Fig.1 Relationship between bypass gallery and horizontal adits

2 設計參數

2.1 正洞設計參數

三聯隧道正洞Ⅴ級圍巖設置拱墻I18工字鋼架和拱部φ42小導管超前支護，鋼架縱向間距0.8 m，小導管1.6m/環，每環38 根，每根長3.5m，環向間距40cm;設置拱部φ25中空錨桿和邊墻φ22砂漿錨桿系統支護，錨桿間距0.8m ×1.0 m(環 × 縱)，每根長3.5m;拱墻 φ8網片和C25噴射混凝土支護，網格間距25 cm×25 cm，噴射混凝土厚25 cm;全環50 cm厚C30鋼筋混凝土二次復合襯砌。正洞橫斷面圖如圖2所示。

圖2 正洞橫斷面圖Fig.2 Cross-section of main tunnel

2.2 橫通道設計參數

橫通道設置拱墻φ22砂漿錨桿系統支護，錨桿間距1.2 m ×1.2 m(環 × 縱)，每根長2.5 m;拱部 φ8 網片支護，網格間距25 cm×25 cm，拱墻噴射12 cm厚混凝土;拱墻25 cm厚C25混凝土二次復合襯砌。橫通道橫斷面圖如圖3所示。

圖3 橫通道橫斷面圖(單位:cm)Fig.3 Cross-section of horizontal adit(cm)

3 橫洞與正洞交岔段施工

3.1 總體方案

在橫通道即將進入正洞挑頂前，調整施工方向，使橫通道到達正洞邊線時垂直于正洞中線方向施工;在距離正洞邊線9.3 m處開始轉向施工，橫通道轉向的同時，拱頂以一定角度上挑施工，減小橫通道拱頂與正洞拱頂的高差;橫通道漸變段應加強支護，正洞挑頂前橫通道支護封閉成環;挑頂以垂直于正洞中線的小導洞，并沿正洞拱頂開挖輪廓線開挖一個導洞，相當于正洞上臺階，然后分別向大里程和小里程施工，擴大作業空間，繼而施工中臺階、下臺階及仰拱，實現從橫通道到正洞施工的快速轉換。

3.2 橫通道段挑頂前施工

3.2.1 橫通道鋼架施工

橫通道洞身與正線貴陽方向夾角為40°，由于橫通道與正洞為非正交關系，故橫通道開挖至臨近正洞邊線時，型鋼鋼架的立設采用由正交變為斜交。以中心間距0.8 m安裝異型鋼架，鋼架由垂直于橫通道中線逐漸變為平行于正洞中線。具體施工方法為:拱墻設型鋼鋼架，拱部中心位置間距80 cm，在橫通道右側邊墻的鋼架間距取50cm，則左側邊墻的鋼架間距相應為110 cm;每榀/次鋼架轉向約4°，11榀共完成了約40°轉向，最后2榀鋼架與正洞中線平行，且最后一榀距正洞邊線50 cm。如圖4所示。

圖4 橫通道段支護示意圖(單位:cm)Fig.4 Sketch of support of horizontal adit section(cm)

3.2.2 橫通道上挑施工

橫通道離正洞開挖邊線9.3m時，拱頂逐漸抬高，每榀拱架上挑15 cm，直至最后一榀拱架累計抬高165 cm。橫通道與正洞相接處設2榀門型鋼架，為正洞上臺階初期支護拱架提供落腳及作業空間。2榀門型拱架的高度與異型拱架最后一榀拱頂標高一致，如圖5所示。

圖5 橫通道上挑及加強支護示意圖(單位:cm)Fig.5 Roof ripping and support strengthening of horizontal adit(cm)

3.2.3 橫洞口加強支護

橫通道靠近正洞段(喇叭口)受力結構極為復雜，特別是橫通道與正洞的銳角一側，受力極為薄弱，極易出現變形、開裂甚至坍塌，而門型鋼架不僅是橫洞本身的加強支護，同時也作為該區段正洞上臺階拱架的承重基礎，受力相對集中，因此應對橫通道洞口段進行加強支護。

因原設計橫通道為拱墻錨噴支護，為確保施工安全，橫通道漸變段設置全環I18工字鋼架和拱部φ42小導管加強支護。工字鋼中線縱向間距0.8 m，每榀鋼架設置8根鎖腳導管，每根長4m，小導管1.6m/環，每環20根，每根長3.0 m，環向間距30 cm;拱墻設置φ22砂漿錨桿和φ8網片支護，錨桿間距1.0 m×0.8 m(環 ×縱)，每根長2.5 m，網格間距25 cm ×25 cm;全環噴射23 cm厚C25混凝土;門型鋼架采用2榀H175型鋼焊接聯合支護，根據監控量測確定是否在門型鋼架下設置I18工字鋼套拱，套拱與門型鋼架間隙采用I18工字鋼支撐，間距50 cm;門型鋼架施工完成后橫通道底板一次性澆筑混凝土至正洞邊線，確保在挑頂之前橫通道支護封閉成環。

3.3 正洞橫導洞上挑施工

垂直導洞挑頂采用垂直于正洞中線的小導洞進入正洞上臺階施工，為便于挖機出碴作業，導洞寬度為5 m，挑頂段高度不低于3.5 m。利用導洞洞碴將橫通道喇叭口段回填成不大于20°的坡道，為導洞施工提供作業平臺。導洞頂支護鋼架位于正洞初期支護外，沿正洞初期支護外輪廓線布置，同時預留20 cm變形量，腳趾落在基巖上。

導洞拱架采用I16工字鋼，間距0.8m，頂部設置高約25cm的弧拱，改變平拱的受力結構，每榀拱架設置8根鎖腳導管，每根長3 m;拱部設置φ42小導管超前支護，1.6m/環，每環15根，每根長3 m;設置拱墻φ8網片和C25噴射混凝土臨時支護，網格間距25 cm×25 cm，噴射18 cm厚混凝土。導洞挑頂及支護如圖6和圖7所示。

3.4 正洞交岔段施工

3.4.1 正洞施工

導洞施工完成后，形成正洞上臺階作業空間，即可進行正洞上臺階初期支護施工。上臺階拱架一端腳趾坐落在H175門型鋼架橫梁上，另一端坐落在上臺階基巖上，注意腳趾必須墊槽鋼。上臺階導洞段拱架一次架設完成，然后進行掛網、系統錨桿和噴射混凝土作業，靠近大里程、小里程掌子面按設計施作超前支護。導洞段上臺階初期支護完成后先拆除大里程導洞邊墻拱架，開始向大里程施工正洞上臺階，上臺階完成5 m后即可拉槽施工中臺階，中臺階施工約30 m后，封閉大里程上臺階、中臺階掌子面，繼而轉向小里程施工，一定距離后即可展開下臺階及仰拱施工，盡早封閉成環，至此，橫洞與正洞交岔段開挖支護基本完成。正洞展開工作面如圖8和圖9所示。

3.4.2 支護參數

挑頂段正洞40 m范圍內采取加強支護，拱架間距由80 cm調整為60 cm，噴射混凝土由23 cm調整為25 cm，其余初期支護參數不變。為避免初期支護變形造成侵占二次襯砌凈空，預留變形量由13 cm調整為20 cm。

3.5 資源配置和施工組織

為提高施工效率，在節約成本的基礎上，資源配置應滿足高強度和滿負荷運轉需要。由于門型鋼架單根拱架較重，特別是橫梁吊裝較為困難，門型鋼架施工采用挖機配合人工架設。挑頂期間開挖、拱架支護及噴混凝土均按2班人員配置，濕噴機3臺，其中1臺備用。作業平臺采用臨時拼裝臺架，出碴先用挖機將洞碴翻至橫通道內，采用1臺ITC312SL挖裝機配合7臺鐵馬自卸汽車出碴，同時掌子面進行臨時作業臺架的拼裝和拱架支護作業，出碴作業不占用循環時間。

4 施工效果

三聯隧道迂回平導進入正洞共完成3次橫洞與正洞交岔段施工，在不斷積累經驗、逐步優化的基礎上取得了良好效果。第1個交岔段由于是第1次采用此挑頂工法，施工經驗不足，雖經過反復研討，仍然出現了難以預料的情況(如垂直導洞開口位置不合理、導洞頂部平拱受力不均勻等)，致使轉換時間長達16 d;第2個交岔段施工調整了部分支護參數，如將H175門型鋼架由3榀減少為2榀，門型鋼架套拱暫緩施工等，提高了施工效率，此段施工共用了14 d;第3個交岔段施工取得了較大突破，從施工經驗到管理模式以及激勵措施等，都有效地確保了施工生產，僅用7 d就完成了三岔段施工，實現了小斷面橫洞到大斷面正洞的快速轉換。

5 結論與體會

1)由于橫通道拱架腳趾比正洞拱架腳趾標高高65 cm，為避免正洞下臺階開挖時門型鋼架立柱懸空，門型鋼架立柱腳趾標高必須保證和正洞下臺階門型鋼架一致，且橫通道底板混凝土必須將門型鋼架立柱腳趾封閉。

2)門型鋼架方形斷面開挖時，盡量保證一次到位，寧超勿欠，避免反復鉆爆作業，危及施工安全。

3)導洞開口位置要充分考慮到挖機操作角度和旋轉半徑，以距離銳角邊1 m左右的位置最為方便，盡量避免靠近左側。

4)導洞臨時支護拱架設置成弧拱，拱高以30 cm為宜，雖然平拱可以減少不必要的超挖，但受力極為不利。三聯隧道14#橫通道進正洞挑頂，平拱噴射混凝土后出現頂部彎曲下沉，最后導致拱架嚴重變形，經分析為I16工字鋼剛度不足以承受圍巖壓力，隨后將已加工成型的平拱調整為弧拱，問題得以徹底解決。

5)對于圍巖較好地段，導洞網片及噴射混凝土僅可以支護拱部，但對于圍巖較差地段，特別是軟弱圍巖地段，必須拱墻支護，避免圍巖長時間暴露，出現塌落。

三聯隧道在迂回平導進入正洞14#橫通道采用垂直于正洞中線的小導洞上挑施工的方法，通過總結施工經驗，優化施工工序和施工細節，在13#橫通道進正洞的挑頂施工取得了極大的成功，僅用7 d就全部展開正洞工作面施工，比傳統挑頂工法有很大的安全和效率優勢，為軟弱圍巖的快速施工創造了必要條件。目前在門型鋼架橫梁架設和挑頂橫導洞第1榀、第2榀拱架架設方面尚存在一定的施工難度和安全風險，如果能再取得一定的改進，既可降低安全風險，又能節約1 d的挑頂時間，今后將在此方面做進一步研究，希望能有新的突破。

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