橫向棚洞法在隧道斜井進入正洞挑頂施工中的應用

姜 函

（中鐵二十局集團第二工程有限公司，北京 100142）

隧道斜井與正洞交接處，凈空斷面變化大，空間受力復雜，使用時間長，正洞與斜井交叉口處于復雜的三維受力狀態，易引起支護結構產生位移、變形，直至支護結構破壞，因此，隧道斜井進入正洞挑頂施工極為重要，研究價值高。文章以蘭合鐵路黃家嶺隧道斜井進入正洞挑頂施工為例，加深工程理解，結合工程實際展開理論分析，詳細介紹了橫向棚洞挑頂施工工法。

1 工程概況

黃家嶺隧道斜井位于黃土梁峁區，梁峁間溝壑縱橫，溝谷深切，地形起伏大，地面高程1765～2210m，山坡上多為風積黃土覆蓋，出露地層主要為砂質黃土、泥巖、砂巖等。黃土梁峁區頂部為第四系上更新統風積砂質黃土，洞身主要為堆積砂質黃土及第三系泥巖、砂巖、泥巖夾砂巖，局部有礫石類土。溝谷中分布有第四系全新統沖積黃土、粗圓礫土和上更新統沖、沖積砂質黃土及粗圓礫土。

斜井與線路交于DK51+450，與中線交角51°35＇22"。井口坐標：X=3964071.379，Y=476936.3003。斜井隧道起訖里程XK10+83～XK00+00，長度為1083m，采用無軌運輸方式，按單車道加密錯車道設計，單車道坡度11.7%，錯車道坡度3%，錯車道凈空尺寸為6.2m×7.5m，后期運營作為防災救援緊急出口，為永久性工程。

隧道竣工后，斜井與正洞交叉口處采用50cm厚混凝土墻封堵，墻內預留2.0m×2.0m防護門，斜井洞口封堵后預留格柵不銹鋼門。避難所采用射流風機通風，設2臺SDS-100K-4P-30型風機。

根據TSP超前地質預報分析：斜井XK00+24～XK00+00，長度24m，圍巖橫、縱波波速變大，平均波速較穩定，泊松比等參數波動較大，反射界面和繞射異常較少。預測出露巖性仍為泥巖，中厚層狀為主，巖層水平，弱風化，節理較發育，巖體整體較完整，局部可能較破碎，開挖過程中可能出現滲水、滴水現象。通過現場勘察和對已施工揭示泥巖情況的檢驗及判斷，泥巖為膨脹巖，遇水軟化，失水崩解。砂巖、泥巖中局部含有石膏巖，石膏巖在水作用下極易發生溶蝕及軟化，同時伴生的生石膏可發生膨脹。

2 斜井進入挑頂施工

2.1 斜井進入正洞加強段施工

考慮到該段為特殊施工段落，受力較為復雜，對斜井支護參數進行加強施工，并加大預留變形量至15cm，斜井加強段設定長度為10m。加強段支護參數：拱墻架立I16型鋼鋼架，斜井前進方向拱架間距0.8m，如圖1所示。在斜井與正洞交接處設置加強門架，加強門架由3榀疊加I20b型鋼鋼架組成，并在拱架頂部設置門梁來支撐正洞上部異型拱架，門梁由3榀疊加I20b工字鋼。門梁連接均采用高強度螺栓連接。采用Φ42鎖腳錨管，分別與立柱和橫梁焊接牢固，錨管長度為3.5m，鎖腳錨管與鋼架采用U型鋼筋焊接牢固，防止拱架下沉。

圖1 斜井進正洞加強段施工圖

2.2 橫向棚洞法挑頂施工

根據該段地質情況，棚洞斷面設置為5m×4.29m（寬×高），矩形棚洞進入正洞高程逐榀遞增，到正洞拱頂中線位置后拱頂鋼架高程遞減。矩形鋼架拱頂高程必須高于正洞拱頂設計高程，且遞增遞減坡度與正洞拱頂曲率增減吻合形成正洞拱部弧形。棚洞施工至內側正洞隧道開挖輪廓線，進行體系轉換，然后進行正洞上臺階初期支護，大里程上臺階開挖10m長度后，進行小里程上臺階開挖，開挖10m后，再進行下臺階開挖，進入正常工序開挖施工。

（1）施工步驟。棚洞開口施工→棚洞逐榀施工至正洞內側上臺架拱腳→正洞大里程方向上臺階開挖支護→正洞小里程方向上臺階開挖支護→正洞下臺階開挖支護→正洞進入正常工序開挖施工。

（2）施工工序。①棚洞開口在斜井上臺階（臺階高度4.29m），斜井交叉口門架上焊接臨時鋼架，臨時鋼架與棚洞門架空隙采用C30砼噴實，同時在橫梁上開孔，間距30cm，打設Φ42小導管預注漿加固地層，小導打設時按照挑頂坡度調整小導管上仰角度，小導管長度3.5m，棚洞施工邊開挖邊進行門型鋼架錨噴支護，如圖2所示。②棚洞門型鋼架拱頂位于正洞開挖輪廓線外側20cm，并考慮20cm的預留變形量，如圖3所示。且鋼架橫梁設置系統錨桿鎖定，每根橫梁設置錨桿不少于4根，豎向支撐從拱腳以上30cm起每隔150cm設置一組鎖腳Φ42鎖腳錨管，與門架采用U型筋焊接連接，錨桿（管）長度不小于3.5m并與鋼架焊接牢固以利于增強鋼架承載力，噴射砼時在每榀豎向鋼架上預留兩處不噴，以利于鋼架拆除。③開挖時斜井上臺階標高與正洞上臺階標高保持一致，小導洞底保持水平掘進，開挖至正洞內側上臺階拱腳處，在到坑內與矩形上拱架成90°夾角安裝正洞拱架，鋼架一側落到斜井口I20b門梁上確保連接牢靠，另一側落于基底圍巖，鎖腳錨管和初支鋼筋網網片按照設計要求施作，同時增設局部定位錨管，再噴射砼封閉，形成環向立拱錨噴支護。正洞鋼架一定要落于斜井交叉口門架之上，并與門架焊接牢。

圖2 棚洞開挖

圖3 棚洞鋼拱架布置示意圖

（3）支護參數。①棚洞支護參數：頂部噴砼采用C25砼，厚度20cm，邊墻素噴5cm；采用I16鋼拱架；Φ6.5鋼筋網，網格間距25cm×25cm；縱向連接為Φ22連接筋，環向間距0.5m。②正洞支護參數：斜井三岔口段正洞設計為Ⅳ加級復合式襯砌，初期支護參數：預留變形量20cm，I16工字鋼，間距0.8m；鋼架間設Φ22連接筋，環向間距1.0m；噴射砼C25混凝土，噴砼厚度為23cm。

（4）施工注意事項。①鎖腳錨管必須采用U型鋼筋與拱架焊接牢固，棚洞施鋼架時，在橫梁和豎向鋼架上都需施作鎖腳錨桿，提高其穩定性與承載力。②施工時考慮預留沉降量，嚴格控制矩形門架頂標高，確保正洞初支鋼架安裝后不侵限。棚洞頂部采用掛網滿噴砼支護形式，邊墻采用素噴5cm厚噴射砼，拱腳采用20cm厚培噴射砼。③挑頂施工時要加強圍巖量測，注意該段監控量測點布置，及時采集數據，進行分析并指導施工，在交叉段施工前后，安排專職安全員，定期對洞內初期支護結構變形情況進行監控、登記臺帳，及時比對。重點對初支表面開裂、明顯沉降、滲漏水情況進行監控，提前預警，以便提前采取措施。④體系轉換后，向大、小里程開挖，采用減震爆破，多大眼、少裝藥、延長相鄰段位起爆時間差等措施，將爆破振動降到最低，并及時進行臨時初期支護封閉圍巖。⑤三岔口開挖支護后向大、小里程口方向各預留15m，在大、小里程方向沒有進行二襯前不允許施工此段仰拱，防止拱腳懸空影響初支的穩定。

（5）監控量測。挑頂施工時要加強圍巖量測，注意該段監控量測點布置，及時采集數據，進行分析并指導施工。監控量測信息可用于判斷設計的參數是否合理，判斷施工工藝的可行性以提出更加恰當的施工方法和合理的支護措施；也可以及時掌握橫洞及正洞三岔口穩定狀態。黃家嶺隧道正洞DK51+435～DK51+465，斜井XK00+15～XK00+00段加強圍巖監控量測，量測斷面間距按5m進行布置，經圍巖觀察觀測數據顯示，正洞交叉口斷面拱頂沉降最大數值4.8mm/d，開累最大值56mm之后回歸；拱腰收斂數值最大3.5mm/d，開累最大46mm之后回歸；斜井加強門架頂部橫梁沉降最大數值3.2mm/d，開累最大值26mm之后回歸；豎向拱架收斂數值最大3.0mm/d，開累最大值37mm之后回歸。滿足圍巖沉降要求，三岔口處初期支護穩定。

3 結論

采用橫向棚洞法進行斜井進正洞挑頂，可縮小開挖斷面，且循環掘進，確保圍巖穩定性。正洞與斜井交界處門架并排設置3榀I20b工字鋼，能有效控制斜井斷面變形，橫向棚洞及時施做初期支護及臨時支護后正洞環向拱架接至斜井門架，從而使三岔口形成縱環向受力體系的轉變，施工可有效控制圍巖變形及掉塊、塌方等現象，滿足施工安全性要求，并取得優良的工程效果，經黃家嶺隧道斜井進正洞采用橫向棚洞法挑頂成功實例，為今后的類似工程提供參考。