下穿村莊強風化圍巖隧道挑頂施工技術應用

于維林

（中交疏浚（天津）投資有限公司，天津 301900）

1 工程概況

東北某客運專線長大隧道全長8860m，埋深43～269m，斜井長605m，與正洞左線相交夾角為39°。交匯區域設計圍巖級別為Ⅲ級，凝灰巖強風化，巖石節理裂隙較發育，巖體較破碎或較完整，呈塊石狀鑲嵌結構。施工區段下穿村莊及鄉村道路，采用鉆爆法施工會對地上建（構）筑物造成一定擾動，并對村民生活及生產造成一定影響。該施工區段地下水主要為基巖裂隙水和構造裂隙水，巖體破碎透水性較好，施工段日正常涌水量為1300m3，日最大涌水量達5379m3。區段分布有斷層，層間斷層泥多為薄層，工程物理力學性質較差。斷層上盤巖性較破碎，斷層下盤較穩定，巖層完整性較好。

2 指導原則

（1）下穿村莊及鄉村道路施工區段爆破開挖施工應遵循的基本原則是“短進尺、弱爆破、多循環、強支護”。（2）盡量減小對居民生產和生活用水的影響，做好超前周邊注漿，必要時調整為止水帷幕注漿。（3）先加固后開挖。從工程地質反映情況來看，斜井與正洞交匯區域的初期支護需加強，襯砌需為模筑混凝土。（4）斜井與正洞相交處的門洞采用加強環，挑頂前進趨勢應從外向內漸進式擴大。（5）斜井與正洞交匯區段圍巖需滿足大跨度臨空受力要求，因此在圍巖級別應比實際下調一級，襯砌結構強度等級提高一級。（6）為防止不均勻沉降引起相交區段正洞一側襯砌開裂，交匯區段斜井開挖斷面寬度兩側的沉降縫應在二次襯砌施作時預設，位置選擇在其斷面寬度開挖輪廓線外。

3 超前地質預報

斜井進入主洞挑頂施工主要采用加長炮孔和利用工作面地質素描的方法進行超前地質預報，需準確預報掌子面前方3～5m范圍穿越地層的洞身地層地質構造（巖性、節理）以及水文地質情況。

4 超前周邊注漿

下穿段地下水多為裂隙水，為不影響當地居民生活用水，必須進行超前周邊注漿或止水帷幕，防止地下水位下降。注漿孔直徑以110mm為宜，長度為3.5m；單孔有效擴散半徑為3m；注漿有效覆蓋范圍應在隧道設計開挖輪廓線外4～5m；注漿壓力控制區間以靜水壓力以上0.5～1.5MPa為宜。每循環開挖長度為25m，配合環向注漿范圍30m，止漿巖盤長度5m；每循環注漿孔3～4環，共56～68孔；注漿管直徑為108mm，壁厚5mm，長度為3.5m，孔口管埋置于孔內，固定牢靠，止漿功能可靠。注漿順序為先內后外，先無水后有水，同一環隔孔加注，巖層破碎伴有坍孔隱患時須優先進行前進式注漿，反之則采用后進式注漿。根據設計要求，斷層段需增設止水帷幕注漿。從實際情況來看，通過村莊區段水位下降的可能性極大，建議該段將超前周邊注漿調整為止水帷幕注漿。

5 超前支護與系統錨桿

超前小導管外插角度須符合設計要求，鉆孔完成后，將小導管頂入孔內，導管末端外露長度滿足注漿要求，導管末端焊接在鋼架上，同時以鋼架作為注漿支撐點，鋼架緊貼圍巖架立，注漿后的鋼管與鋼架（格柵）形成管架（柵）一體化結構，整體支護能力增強。

風鉆鉆孔完成后，砂漿錨桿沿專用測斜儀控制的錨桿孔道傾角插設，專用注漿泵及時壓漿。錨桿末端外露長度不短于鋼架或格柵主筋凈距，錨桿外插角須滿足設計要求，錨桿末端與鋼架幫條焊接在一起。風鉆鉆孔完成后，液壓平臺配合人工安裝組合中空錨桿，專用高壓注漿泵及時注漿。

6 挑頂技術

斜井與正洞交匯區段圍巖級別為Ⅲ級，以橫向爬坡棚架法挑頂進洞。以正洞開挖輪廓線為界，開挖至分界線斜井一側14.6m處時，逐步提高斜井拱頂高程，鋼架尺寸隨拱部寬度逐步加長，進洞坡度斜向上30°。在斜井與正洞相交處施作加強環和預埋柱頭，施作完畢后運送石渣壓實成型構成下臺階，然后按設計棚架尺寸開挖進正洞，棚洞成型后開挖正洞。棚洞沿拱頂曲線，斜向上橫向開挖至正洞中線處，按坡度30°爬坡，達到正洞拱頂高程后再以平坡沿拱頂曲線橫向開挖至正洞開挖輪廓線外側上臺階拱腳處。棚洞開挖輪廓線需控制在正洞開挖輪廓線外一定距離，成形后不得侵入限界，套拱位于棚洞橫梁下部，套拱結束后再沿主線大小里程分臺階開挖正洞。

7 挑頂工序

7.1 斜井與正洞交匯區域

按照斜井與正洞之間的設計高差計算，需在距正洞開挖輪廓線14.6m處開始擴挖斜井拱頂，按30%坡度抬高開挖進洞。交匯處斜井一側設置3榀寬度為0.6m的I25a型鋼鋼架加強環，沿拱部環向120°范圍內預埋一圈I20a工字鋼柱頭，設置間隔0.6m，長度為0.8m，埋入長度為0.6m，外露長度為0.2m，鋼柱頭頭部與斜井鋼架焊接。

在靠近正洞斜井一側設置7榀I18型鋼鋼架，相同位置處設置同等數量仰拱鋼架，且正洞仰拱鋼架須焊接在斜井加強環最外側的仰拱鋼架上，形成整體受力結構，以使正洞和斜井交匯口處的連接更為牢固可靠。鋼架間以縱向連接筋焊接，間隔1m，梅花形分布。

7.2 棚洞開挖

斜井進洞后，沿垂直正洞中線方向以棚洞方式開挖，開挖斷面尺寸為5m×4.2m（頂部凈寬3m），按30°斜向上爬坡開挖到正洞拱頂中線位置處，再以平坡橫向開挖至正洞開挖輪廓線外側上導坑拱腳位置處，棚洞以型鋼鋼架作為臨時支護。

棚洞鋼架選用I18型鋼，間距60cm，鋼架整體構成臨時封閉環，封閉環頂部為橫梁、兩側為斜柱、底部為橫撐，兩側底腳設置鎖腳錨桿4根，直徑為50mm。根據開挖面圍巖情況，決定是否需要在橫梁兩側增加豎向支撐，提高棚架強度，并沿環向設置鋼架網，直徑為8mm，網格橫豎向間距為20cm；間隔1m，梅花形布置系統錨桿，直徑為22mm，長度為3.5m。為使支護厚度、預留變形量和凈空滿足要求，棚洞拱頂高程實際開挖輪廓線須超出正洞設計開挖線，使棚洞鋼架橫梁實際位于正洞初期支護外，考慮安全因素，以減少圍巖擾動，做正洞初支時不再取出，與初支形成整體復合支護結構。

7.3 套拱施工

棚洞施作完成后，在鋼架內側沿拱頂環向2m范圍內施作套拱。套拱鋼架選用I20a工字鋼，棚洞內每60cm設置1榀，共4榀。棚洞外兩側（4～6m范圍）各設置6榀伸長套拱剛架，間隔80cm。鋼架兩側分別焊接于斜井加強環I20a工字鋼柱頭上和正洞上臺階拱腳處，拱腳外緣與正洞輪廓線距離60cm。相鄰鋼架間以縱向鋼筋（直徑為22mm）焊接為整體，環向梅花形布置，間距80cm。每榀鋼架拱腳處打設2根鎖腳錨管。鋼架支立完畢后噴射28cm厚的C25混凝土。

套拱施作完成后，緊跟設置正洞初期支護鋼架，交錯布置在套拱鋼架間。鋼架一端焊接于斜井與正洞設置的門形加強環橫梁上，另一端焊接于混凝土墊塊預埋鋼板上，每榀鋼架在分節和拱腳處各打設2根鎖腳錨管。

7.4 挑頂區段正洞施工

激光斷面儀應按設計要求控制隧道開挖輪廓線，交匯區段人工使用機械較為頻繁，洞內的導線樁、中線樁和水準點需加密復測頻率，其設置也必須牢固可靠。

（1）優先開挖與支護大里程方向，然后開挖及支護小里程方向，在斜井與正洞交匯區段正洞初支施工完畢時停止正洞上導開挖。（2）開挖及支護大里程方向1號區段上導，并同時開挖及支護1號區段中導，上、中導開挖進尺不大于2m，上導與中導跟進距離不大于5m。初期支護完成后封閉大里程方向的上中導掌子面。此段完成后，便可在上臺階大里程一側拼裝焊接開挖臺車。（3）開挖及支護小里程方向1號區段上導，并同時開挖及支護1號區段中導，上、中導開挖進尺不大于2m，上導與中導跟進距離不大于5m。初期支護完成后封閉大里程方向的上中導掌子面。此段完成后，為方便組裝二襯臺車，需在支護噴混前注意在該區段預埋鋼板或吊環。（4）開挖及支護大里程方向2號區段上導，并同時開挖及支護2號區段中導，1號區段下導緊隨其后開挖及支護，上、中、下導開挖進尺不大于2m。開挖中、下導時避免交叉施工，馬口錯開寬度宜大于3m。支護完后大里程開挖隨即暫停。（5）開挖及支護小里程方向2號區段上導，并同時開挖及支護2號區段中導，1號區段下導緊跟開挖，上、中、下導開挖進尺不大于2m。開挖中、下導時避免交叉施工，馬口錯開寬度宜大于3m。在兩端上導相距50m時可同時開挖及支護。

7.5 鋼筋網

鋼筋網貼近圍巖表面布置并預留足夠保護層，與錨桿和鋼架焊接牢固，形成整體。噴混凝土時需控制好噴頭與受噴面距離并控制風壓，將施工產生的振動減至較低水平減少回彈。

7.6 型鋼鋼架

掌子面初次噴射完成后，應立即進行鋼架安裝。鋼架底腳必須支撐于堅實的基礎上，基礎表面須平整干凈。鋼架拱頂段須以完整單元方式架立，將系統錨桿作為定位鋼筋，并于拱、墻角位置每側打設2根鎖腳錨管。

8 過程控制要點

（1）交匯區段圍巖監測斷面選擇。交匯口斜井一側20m、交匯點正洞大小里程各30m內，按每5m設置1個，尤其是交匯口處需設置1個監控量測斷面，在設計及規范要求的頻率范圍內，及時對圍巖周邊水平位移和凈空變化、拱頂下沉等展開監測，通過識別位移變化速度和位移時的曲線形態，判別圍巖狀態，及時調整施工狀態，保障安全質量受控。（2）嚴格控制棚洞鋼架體系施工質量和鎖腳錨管與鋼架連接質量。（3）加強環為正洞支護體系的支撐點，確保施工精度，使其與正洞初期支護連成整體。（4）正洞仰拱、二次襯砌緊跟開挖，盡早閉合成環，降低因交匯口段受力復雜導致的圍巖不穩定性，確保安全。（5）交匯段內斷面結構變化較大，通風不暢，尤其棚洞施工空間較窄，溫度集聚效應大，必須加強通風和作業面降溫。（6）動態掌握地質變化情況。開挖面應盡量為超前地質預報提供空間，根據反饋的地質條件及時調整開挖和支護條件，或適時調整挑頂方案。

9 結束語

超前技術為施工構建了安全的作業環境，動態調整與檢測手段極大地提高了挑頂的安全系數，為橫向爬坡棚架快速進洞方案實施提供了安全基礎。此次挑頂施工得到了設計方的全方位指導，施工單位在超前檢測、交匯加強、正洞施工階段獲得了完整的技術參數，積累了難得的經驗，為后續復雜地下空間斜交挑頂順利施工奠定了工藝基礎。