長大隧道輔助橫洞與正洞交叉口段施工技術(shù)

劉凱

摘 要：為解決輔助導坑方案進入正洞時交叉段的施工難點，以成昆鐵路峨米段鄧家灣隧道橫洞進入正洞交岔口的施工為例，介紹了軟弱圍巖下橫洞進入正洞的施工方案，通過采取橫洞加強環(huán)、導洞門架垂直挑頂施工的方法，以超前地質(zhì)預報、監(jiān)控量測等為指導，實現(xiàn)橫洞到正洞的安全轉(zhuǎn)換，預防了隧道塌方、初支變形，為今后在類似條件下軟弱圍巖地段進行橫洞到正洞的轉(zhuǎn)換施工提供了經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：挑頂施工;交叉口;垂直;鐵路隧道

前言

本文以鄧家灣隧道橫洞為研究對象，借鑒以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，在軟弱圍巖下通過導洞門架垂直挑頂使正洞開挖斷面一次成型，本施工方法臨時支護數(shù)量較小，開挖能夠同時向兩端進行，可以較早進行洞內(nèi)模板臺車拼裝，且不影響主控方向的正常施工，縮短了工期。

1、工程簡介

成昆鐵路復線鄧家灣隧道全長9390m，于隧道中部DK377+100處設(shè)一座與正洞向小里程方向呈91°角的橫洞，橫洞自正線左線中心里程處至洞口全長1755m，起訖里程為HDK0+000～HDK1+775，該橫洞自與正洞交接口處至洞口呈坡度為17‰的下坡。

該隧道橫洞與正洞交叉口段為旱震旦系（γ22）花崗巖，施工揭示為掌子面巖性為強風化花崗巖，受地質(zhì)構(gòu)造影響，巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育，掌子面局部較破碎，有裂隙水流出，受水流影響，施工過程中易掉塊。

2、施工技術(shù)及工藝

2.1 技術(shù)總述

橫洞轉(zhuǎn)入正洞的施工過程中，正洞洞身范圍拱頂開挖支護為重難點工序，當橫洞施工至與正洞交界處時，由于交叉口應(yīng)力集中，且正洞開挖斷面較大，為確保挑頂段正洞施工安全，在交叉口設(shè)置加強環(huán)拱架，由2榀工18型鋼架雙拼并置組成。正洞拱頂找頂開挖采用過渡導坑，導坑垂直正洞中線呈上坡角度，自橫洞逐步爬坡開挖至正洞拱頂位置，在正洞上臺階形成施工平臺并支護，然后依次向大、小里程開挖5m并支護，擴大上臺階作業(yè)空間后，再由橫洞交叉口逐步開挖開挖正洞下臺階并支護，在正洞大、小里程分別形成臺階后進入正常的開挖支護工序。待工序正常后，于正洞小里程方向預留二襯臺車拼裝場地，及時拼裝臺車施工交叉口段的襯砌。

2.2 工藝流程

施工準備→橫洞開挖支護→橫洞交叉口段襯砌施工→導洞挑頂開挖→正洞上、下臺階擴挖支護→正洞二襯施工。

2.3 具體施工方法

2.3.1開挖支護參數(shù)

橫洞與正洞交叉口段設(shè)計為Ⅳ級圍巖，施工采用臺階法開挖，設(shè)置工18型鋼鋼架進行支護，每榀間距1m，設(shè)置段落為正洞交叉口DK377+100兩側(cè)25m范圍。

2.3.2交叉口加強環(huán)施做

受交叉口影響，正洞正對橫洞的位置初期支護較弱，需在橫洞洞口設(shè)置加強環(huán)，以確保正洞初期支護拱架支立穩(wěn)固。加強環(huán)采用1榀雙拼工18鋼架，設(shè)置在橫洞與正洞交界的HDK0+004.1處。在拱腳處設(shè)置φ42的鎖腳錨管，單根長度3.5m，每處設(shè)4根，每根與水平呈45°打設(shè)并充分注漿。

在加強環(huán)拱架上緣沿橫洞中心位置對稱焊接正洞拱架支撐平臺，平臺采用16mm厚鋼板、工18工字鋼焊接成而成，正洞拱架與支撐平臺采用螺栓固定。

整個挑頂施工過程中的風險因素主要來自橫洞加強環(huán)施工質(zhì)量，加強環(huán)拱架的焊接質(zhì)量、安裝質(zhì)量、鎖腳錨管的穩(wěn)固以及加強環(huán)上設(shè)置的正洞拱架支撐平臺與加強環(huán)拱架的焊接質(zhì)量都十分關(guān)鍵。現(xiàn)場施工時，需嚴格要求，安排專人盯控該段支護的施工，確保質(zhì)量滿足要求。

2.3.3正洞挑頂開挖支護

橫洞與正洞交界處DK377+096～DK377+104范圍的正洞初支拱架左側(cè)與橫洞口加強環(huán)相連，右側(cè)按設(shè)計位置支立，其余范圍內(nèi)的拱架均正常設(shè)置，拱架間距1m/榀。交叉口處正洞拱架結(jié)構(gòu)圖示意如下：

正洞挑頂采取鉆爆法開挖，短進尺、弱爆破，每循環(huán)進尺1m，嚴格按照“一炮一支護”的要求及時施做初期支護或臨時支護。正洞挑頂共分五個階段：

（1）第一階段

挑頂開挖采用導洞由橫洞向正洞垂直爬升開挖出正洞上臺階開挖輪廓，形成上臺階操作平臺。導洞為寬4m、高5m的矩形洞，沿正洞輪廓線逐步抬高至拱頂，抬高角度約40°，開挖形成施工平臺。開挖范圍為DK377+100向正線大小里程方向各2m的范圍。

導洞的臨時支護采用工16型鋼做成矩形棚架，間距1m設(shè)置一環(huán)，采用Φ22鎖腳錨桿，拱架環(huán)向設(shè)置Φ22縱向連接鋼筋，鋼筋環(huán)向間距1m一道，拱部掛設(shè)Φ6鋼筋網(wǎng)片，在每榀拱架頂部設(shè)置3根長3m砂漿錨桿，形成臨時支護體系，在鋼架間設(shè)置15cm厚C25噴射混凝土，棚架高H根據(jù)導洞不同位置進行調(diào)整，保證導洞拱頂開挖高度在正洞開挖輪廓線外20cm，以保證正洞拱架安裝凈空，確保導洞臨時初期支護橫梁位于正洞初期支護鋼架之上，作為正洞上臺階Ⅰ18拱架縱向連接筋使用。

正洞上臺階正洞開挖支護示意圖

（2）第二階段

導洞范圍開挖支護完成后，在導洞棚架內(nèi)側(cè)安裝正洞4m范圍內(nèi)的型鋼拱架，并將拱架左側(cè)與加強環(huán)的支撐平臺連接穩(wěn)固。同時將導洞棚架頂橫梁作為正洞拱架的縱向連接筋，與安裝完成的正洞拱架與焊接連接，使正洞上臺階初期支護形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

導洞范圍內(nèi)的正洞拱架施工完成后，利用機械配合人工，從導洞內(nèi)側(cè)向外側(cè)依次拆除臨時棚架的豎撐，以便后續(xù)正洞施工。

待導洞臨時豎撐拆除完畢后，先開挖小里程方向正洞上臺階范圍，再開挖大里程方向正洞上臺階范圍，向正洞進出口方向分別開挖時，嚴禁兩端同時掘進施工。兩側(cè)上臺階掌子面分別開挖至DK377+090、DK377+110處，并及時施做上臺階初期支護。

橫洞洞身正對范圍采用漸變鋼拱架，每榀拱架均與橫洞交叉口加強環(huán)拱架上設(shè)置的支撐平臺連接穩(wěn)固，其余地段按設(shè)計圖采用標準鋼拱架。

同時將正洞交叉口兩側(cè)10m范圍的縱向連接筋改為工16型鋼以加強該段的支護。

正洞挑頂漸變段上臺階支護措施示意圖

（3）第三階段

正洞交叉口段25m范圍內(nèi)上臺階開挖支護完成后暫停掌子面施工，轉(zhuǎn)入正洞大小里程下臺階的開挖支護施工。

（4）第四階段

下臺階開挖完成后正洞大小里程方向分別形成臺階后，按正常工藝組織施工，并及時開挖仰拱，以便下一步盡快施做交叉口段二襯。

（5）第五階段

在正洞交叉口段仰拱開挖支護完成后，拼裝仰拱棧橋。

利用輕便弧形模板及時施做正洞交叉口第一板DK377+094～DK377+106段仰拱及填充。待填充施做距離滿足各類臺架、二襯臺車拼裝時，暫停該側(cè)掌子面開挖，轉(zhuǎn)向另一側(cè)側(cè)開挖。

2.3.4交叉口處橫洞二襯施工

在正洞挑頂前完成交叉口段橫洞范圍內(nèi)所有的二襯施工，待混凝土達到設(shè)計強度后拆模，形成對交叉口處圍巖受力的有效支護。

由于橫洞口處襯砌受挑頂爆破施工影響較大，于襯砌前端端頭掛設(shè)炮被進行遮擋，炮被可由廢舊橡膠輪胎編織而成。

2.5.4交叉口處正洞二襯施工

當二襯臺車在正洞預留的場地內(nèi)拼裝完成并經(jīng)驗收后，施工DK377+094～DK377+106處第一板二襯。

正洞二襯施工時，在橫洞混凝土與正洞就位的臺車模板間設(shè)置堵頭，封堵縫隙。同時臺車正對橫洞口處3m長、3m高范圍的邊墻模板暫不安裝，混凝土輸送泵設(shè)置于橫洞處，通過預留孔洞將泵送管連接至臺車上，人員及小型機具通過預留孔洞進入正洞進行混凝土施工。待二襯混凝土強度達到設(shè)計強度后，從橫洞位置將孔洞處模板拼裝就位后，將臺車移出交叉口。

2.5.5交叉口處排水措施

橫洞作為排水通道，洞身的一側(cè)設(shè)置有排水溝，施工正洞時在仰拱填充內(nèi)設(shè)置鋼筋混凝土圓管將正洞中心水溝內(nèi)流水引入橫洞排水溝;正洞其余散水通過填充面上設(shè)置的臨時流水槽引至橫洞排水溝內(nèi)。

3、監(jiān)控量測措施

在橫洞轉(zhuǎn)入正洞期間繼續(xù)開展監(jiān)控量測，作為工序管理，通過量測數(shù)據(jù)判別圍巖穩(wěn)定性，以保證交叉口段在施工期間的安全。

在橫洞加強環(huán)鋼架處和其大里程側(cè)后2榀鋼處各設(shè)置一環(huán)量測測點，每環(huán)邊墻處設(shè)一條測線，拱頂設(shè)一個測點。

在導洞及挑頂成型后的正洞位置，對每一臺階設(shè)置一條測線，拱頂設(shè)置一個測點，用以檢測圍巖收斂和拱頂下沉情況。

凈空變化、拱頂下沉均采用全站儀按非接觸法進行觀測，施工過程中注意對測點的保護，以確保量測精度和準確度。

在挑頂施工期間，量測頻率按3次/d進行，時間間隔8小時。挑頂施工完成后，恢復至標準的量測頻率。

4、超前地質(zhì)預報措施

挑頂施工期間，加強超前地質(zhì)預報探測，以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，以鉆探為主、物探為輔進行綜合地質(zhì)預報。

4.1 鉆探

4.1.1橫洞與正洞交叉處加深炮孔

當掌子面里程開挖至橫洞與正洞交界處時，施做5孔加深炮孔，外插角按3°控制，5孔分別按拱頂1孔、左右拱腰各1孔，左右拱腳各1孔布置。

4.1.2洞身范圍徑向探孔

同時在橫洞兩側(cè)邊墻上各設(shè)置1處5m長的探孔，進一步探測交叉口范圍的圍巖情況。

4.1.3導洞開挖過程加深炮孔

在導洞開挖過程中，每一開挖循環(huán)均需鉆設(shè)加深炮孔，外插角按3°控制，加深炮孔按3孔施工，分別在拱頂中部開挖輪廓線及左右邊墻中部開挖輪廓線上鉆設(shè)。

4.1.4進入正洞后的加深炮孔

當進入正洞臺階法開挖時，加深炮孔按5孔施工，外插角按3°控制，5孔分別按拱頂1孔、左右拱腰各1孔，左右拱腳各1孔布置。

4.2超前鉆孔

超前鉆孔采用回轉(zhuǎn)取芯鉆，鉆孔帶取芯，提高預報準確率。在交接里程HDK0+004.1處進行超前鉆孔取芯，分別向正洞大小里程方向、正洞拱頂方向、正洞洞身正對方向設(shè)置4個取芯孔，長度按穿過正洞洞身范圍5m控制，進一步探測挑頂范圍圍巖情況及地下水賦存情況。具體探孔布置如下：

4.2 物探

4.2.1地質(zhì)雷達

在橫洞與正洞交界面處分別面向大小里程各呈45度施做地質(zhì)雷達，對交叉口范圍及正洞大小里程一定范圍的圍巖進行探測。

4.2.2地震反射波法（TSP）

在挑頂施工完成后，當正洞大、小里程兩處掌子面間距離達到60m，滿足TSP探測作業(yè)時，分別對正洞大、小里程進行探測。

結(jié)論

隧道由橫洞進入正洞過程中，由于挑頂開挖斷面大，工序轉(zhuǎn)換多，安全風險高。在隧道斷面轉(zhuǎn)換施工時采取小斷面導洞過渡的方法，不僅保證了現(xiàn)場施工安全，而且能夠快速形成進、出口方向上臺階正常的施工。施工中應(yīng)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(huán)、仰拱緊跟”的原則，合理選擇支護參數(shù)，以確保優(yōu)質(zhì)高效的完成挑頂。

參考文獻

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