大斷面客專雙線隧道快速挑頂施工技術(shù)

楊善龍，張先龍

(1.中鐵隧道股份有限公司,河南 鄭州 450000； 2.中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司,天津 300000)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的加大和推進(jìn)，國家鐵路投資建設(shè)向西部延深，在未來的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，長大隧道的修建比例將越來越高，為滿足工期要求，在隧道施工中往往需要設(shè)置輔助坑道[1],目前國內(nèi)特長隧道施工大多采用長隧短打的方式，往往設(shè)計較多的斜井或平導(dǎo)，甚至施工過程中增設(shè)迂回平導(dǎo)以增加工作面，提高施工效率，縮短工期[2-3]。在輔助坑道進(jìn)正洞的過程中，由于通道口結(jié)構(gòu)特殊、受力情況復(fù)雜，挑頂方法的選擇不僅關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定同時對整個隧道的施工生產(chǎn)進(jìn)度具有重要影響，因此，在以往的隧道修建中，對隧道挑頂施工展開了大量研究，隨著我國隧道施工裝備和技術(shù)水平的提高，對輔助坑道進(jìn)正洞挑頂施工技術(shù)也越發(fā)成熟，并根據(jù)圍巖地質(zhì)條件，施工成本等各種因素不斷優(yōu)化設(shè)計，提出了多種挑頂施工新方法，以鄭萬高鐵香爐坪隧道7號橫通道進(jìn)正洞為例，闡述在大機(jī)配套施工條件下，通過優(yōu)化施工工藝，充分結(jié)合地質(zhì)條件，快速完成Ⅲ級圍巖條件下的挑頂施工，并對橫通道挑頂施工進(jìn)行簡要總結(jié)。

1 工程概況

鄭萬高鐵香爐坪隧道位于湖北省宜昌市興山縣境內(nèi)，全長15 154 m,為大斷面雙線隧道，全隧設(shè)計圍巖Ⅲ級占29.3%，Ⅳ級占58.59%，Ⅴ級占12.11%，隧道最大埋深1 100 m，隧道進(jìn)口D1K585+082～D1K586+980段為低瓦斯段，全隧穿越香爐坪斷層和姜家坡斷層，隧道圍巖復(fù)雜多變，地質(zhì)條件復(fù)雜，洞身右側(cè)順層偏壓，洞口右側(cè)邊坡順層，為滿足施工工期、防災(zāi)救援、通風(fēng)排水的需要，結(jié)合地形、地質(zhì)條件，本隧道采用“4平導(dǎo)+2斜井”的輔助坑道模式，隧道采用大機(jī)配套全斷面法進(jìn)行施工。

2 設(shè)計參數(shù)

2.1 正洞設(shè)計參數(shù)

香爐坪隧道一號平導(dǎo)7號橫通道進(jìn)正洞對應(yīng)洞身圍巖等級設(shè)計為Ⅲ級，交叉口段采用Ⅲ級加強(qiáng)復(fù)合式襯砌，拱墻設(shè)置Ⅰ18工字鋼架，鋼架縱向間距1.0 m,系統(tǒng)錨桿拱部采用φ25預(yù)應(yīng)力錨桿、邊墻采用φ22砂漿錨桿，錨桿長3.5 m，間距1.5 m×1.5 m(環(huán)×縱)，拱墻設(shè)置φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，初期支護(hù)設(shè)計噴射C30混凝土，厚25 cm，二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，厚45 cm，正洞斷面圖如圖1所示。

2.2 橫通道設(shè)計參數(shù)

橫通道原設(shè)計采用單車道無軌Ⅰ型Ⅲa型復(fù)合式襯砌，凈空5.0 m(寬)×6.0 m(高)，由于香爐坪隧道進(jìn)口為加強(qiáng)型機(jī)械化配套工區(qū)，工區(qū)全電腦三臂鑿巖臺車、濕噴機(jī)械手、鉆注一體式錨桿臺車、鋼拱架安裝臺車等大型機(jī)械配套齊全。隧道7號橫通道與正洞小里程方向平面夾角45°，原設(shè)計采用無軌單車道Ⅰ型斷面，鑿巖臺車長18 m，通過橫通道轉(zhuǎn)入正洞施工時通過條件困難，根據(jù)施工組織需要，為提高大型機(jī)械通過效率，提高施工效率，7號橫通道斷面凈空尺寸調(diào)整為7.5 m×6.2 m(寬×高)，采用雙(錯)車道Ⅲ級圍巖Ⅲa型復(fù)合(交叉口)襯砌，初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，系統(tǒng)錨桿拱部采用φ22砂漿錨桿，錨桿長2.5 m，間距1.2 m×1.5 m(環(huán)×縱)，拱部設(shè)置φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm，初期支護(hù)設(shè)計噴射C25混凝土，厚12 cm，二次襯砌采用C25混凝土，厚25 cm，橫通道斷面圖如圖2所示。

3 挑頂方案

香爐坪隧道進(jìn)口7號橫通道長31.87 m，橫通道中線與平導(dǎo)中線交叉里程為PD1K587+849.1，與正洞左中線交叉里程為D1K587+902.85，與正洞小里程方向夾角45°，橫通道交叉口位置關(guān)系如圖3所示。

3.1 采用門架導(dǎo)洞法

采用門架導(dǎo)洞法能夠使用門架橫梁作為正洞的臨時支撐，由于其開挖斷面小，初期支護(hù)能夠快速封閉，保證了圍巖的穩(wěn)定和施工安全，在挑頂過程中這種方法特別在軟弱圍巖地段得到了廣泛應(yīng)用。

具體實(shí)施方式為，在橫通道開挖至正洞邊緣時支立兩榀鎖口拱架，采用門式導(dǎo)洞向主洞開挖，在門型拱架安設(shè)完成后，及時進(jìn)行錨噴支護(hù)，加強(qiáng)導(dǎo)洞的穩(wěn)定性，在導(dǎo)洞開挖支護(hù)完成后，進(jìn)行該段交叉口主洞鎖口及挑頂段鋼拱架的安裝，并及時進(jìn)行噴混凝土支護(hù)，支護(hù)完成后對門式導(dǎo)洞兩側(cè)的拱架進(jìn)行拆除，進(jìn)行主洞上臺階的開挖支護(hù)作業(yè)，見圖4～圖7。

采用門架導(dǎo)洞法能夠安全穩(wěn)定的完成挑頂段的施工，但同時存在以下問題：

1)從圖4可知，在門型拱架安設(shè)完成，進(jìn)行挑頂段正洞拱架的立設(shè)時，門架橫梁無法進(jìn)行拆除，永久性地作為正洞初期支護(hù)的一部分，且后期進(jìn)行正洞兩側(cè)的開挖時，需要對已經(jīng)錨噴支護(hù)過的門架進(jìn)行拆除，拆除后的門架基本扭曲變形，無法再次利用，造成了鋼材的浪費(fèi)，增加了成本。

2)從圖6，圖7可知，由于正洞拱架與橫通道鎖口拱架的順接，導(dǎo)致左上方局部形成了三角形超挖帶，這種超挖多半是由于人為導(dǎo)致，是由施工方法所決定的，很難避免，在后期施工二次襯砌時，需要對其進(jìn)行回填，增加了混凝土的使用量。

3.2 采用反向擴(kuò)挖法

由于7號橫通道進(jìn)入正洞對應(yīng)洞身圍巖為Ⅲ級，圍巖自穩(wěn)能力較好，采用擴(kuò)挖法進(jìn)行施工，不僅保證了安全同時提高了施工效率。圖8在橫通道與正洞交叉口立設(shè)兩榀鎖口拱架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，然后開挖進(jìn)入正洞，并以較小斷面(小于正洞開挖輪廓2 m～3 m)向兩側(cè)開挖，待兩側(cè)開挖一定距離后，由出口方向逐步抬高開挖至正洞拱頂位置形成上臺階開挖，然后不斷擴(kuò)大開挖半徑直到開挖至正洞設(shè)計輪廓，形成正洞上臺階開挖，最后進(jìn)行反向開挖，完成整個交叉段的開挖。

對于Ⅲ級圍巖，采用擴(kuò)挖法，充分利用圍巖的自穩(wěn)性，采用錨噴支護(hù)一方面提高了施工效率，另一方面降低了施工成本，且擴(kuò)挖法使用較為靈活，能夠根據(jù)開挖揭露的圍巖情況及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，能夠較好地保證施工安全。但仍然存在一定的不足，主要體現(xiàn)在：1)該工法在實(shí)施中由于需二次擴(kuò)挖,對土體的擾動較大[4]；2)在整個反向擴(kuò)挖法實(shí)施過程中，不斷改變開挖方向，且受開挖場地和方向的限制，不利于大型機(jī)械化設(shè)備正常開展工作。

鑒于香爐坪隧道7號橫通道進(jìn)正洞的地質(zhì)條件，決定采用擴(kuò)挖法進(jìn)行挑頂，并結(jié)合香爐坪隧道大機(jī)配套開挖的工裝設(shè)備，對現(xiàn)有的擴(kuò)挖法進(jìn)行優(yōu)化。

4 挑頂方案實(shí)施

香爐坪隧道7號橫通道進(jìn)正洞洞身圍巖設(shè)計為Ⅲ級，結(jié)合地質(zhì)條件，決定采用外擴(kuò)法進(jìn)行挑頂施工，為確保施工安全，在橫通道開挖至正洞邊緣時，再次施作超前地質(zhì)預(yù)報，采用地質(zhì)雷達(dá)法探明橫通道前方圍巖情況，施工步驟如下：

1)在橫通道開挖至正洞邊緣時立設(shè)兩榀異型拱架，對交叉口進(jìn)行立拱加強(qiáng)，考慮正洞拱架落腳位置的牢固性，為其提供一個牢固的落腳平臺[5]。

2)橫通道進(jìn)入正洞的過程中，不改變進(jìn)入正洞的方向繼續(xù)向前開挖至正洞右側(cè)開挖輪廓線的交點(diǎn),對應(yīng)橫通道里程HTD+048，正洞里程D1K587+929.2，整個開挖過程中采用逐步抬高進(jìn)行開挖，根據(jù)對應(yīng)的正洞標(biāo)高不斷調(diào)整橫通道開挖輪廓，每循環(huán)開挖完成應(yīng)及時支護(hù)，及時封閉，以有效保證隧道施工質(zhì)量[6]。

3)對靠近橫通道兩側(cè)等腰三角形待挖區(qū)進(jìn)行開挖，從而形成正洞上臺階。

4)對上臺階及時進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：采用φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，拱部采用φ25預(yù)應(yīng)力錨桿，長3.5 m，間距1.5 m×1.5 m(環(huán)×縱)，加強(qiáng)支護(hù)采用Ⅰ18型鋼，間距1 m，噴射25 cm厚C30混凝土。

5)對橫通道左側(cè)區(qū)域進(jìn)行開挖，使左側(cè)形成整個正洞上臺階開挖，并繼續(xù)向大里程進(jìn)行開挖至D1K587+929。

6)在上臺階往大里程開挖過程中，及時進(jìn)行支護(hù)，立拱加強(qiáng)段至D1K587+913,D1K587+913～D1K587+929采用錨噴支護(hù)，鋼筋網(wǎng)片采用φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm，拱部采用φ25預(yù)應(yīng)力錨桿，長3.0 m，間距1.5 m×1.5 m(環(huán)×縱)，噴射12 cm厚C30混凝土。

7)反向開挖橫通道右側(cè)區(qū)域，使小里程開挖至D1K587+893。

8)及時對小里程上臺階進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)參數(shù)同大里程加強(qiáng)支護(hù)，完成整個橫通道的上臺階挑頂施工，然后再進(jìn)行下臺階的施工直至形成全斷面開挖，開挖步驟如圖9所示。

采用上述方法挑頂，應(yīng)爭取一次開挖成型，減少處理欠挖對圍巖帶來的擾動，交叉口圍巖受力復(fù)雜,且圍巖本身十分破碎,施工中監(jiān)控量測尤為重要[7]。圍巖監(jiān)控量測是指導(dǎo)施工、確保安全的重要手段，通過施工前和施工中收集的數(shù)據(jù)和工程地質(zhì)資料，及時分析判斷爆破后圍巖穩(wěn)定狀態(tài)[8],在整個橫通道進(jìn)正洞段逐步抬高開挖的過程中，每循環(huán)開挖結(jié)束后嚴(yán)格執(zhí)行斷面輪廓的掃描，并按照橫通道對應(yīng)的開挖標(biāo)高進(jìn)行開挖，為方便鑿巖臺車的進(jìn)出，每循環(huán)利用洞渣回填平整場地，從而保證整個開挖面的坡度角方便鑿巖臺車和運(yùn)輸設(shè)備的進(jìn)出(見圖10)；由于橫通道在進(jìn)入正洞開挖的過程中，橫通道左右側(cè)對應(yīng)的正洞的標(biāo)高不同，為避免欠挖，減少超挖，在整個橫通道進(jìn)入正洞的開挖過程中，斷面輪廓會產(chǎn)生一個過渡(如圖11所示)。

采用上述挑頂法，優(yōu)點(diǎn)如下：

1)與門架導(dǎo)洞法相比，一方面提高了施工效率，另一方面降低了施工成本，采用門架導(dǎo)洞法，在整個挑頂過程中共使用鋼材約8.55 t，其中門架橫梁2.81 t,門架5.74 t，由于門架橫梁掩埋在正洞初期支護(hù)的拱架上方無法拆除，造成材料浪費(fèi)，兩側(cè)門架在錨噴支護(hù)后，從混凝土中再次拆除時，大多扭曲變形再次重復(fù)使用的利用率極低，整個門架導(dǎo)洞法在實(shí)施過程中無法避免的會產(chǎn)生三角形超挖帶，增加了后期施工混凝土的使用量，門架支護(hù)和錨噴支護(hù)相比增加了施工工序和施工時間。

2)與現(xiàn)有的外擴(kuò)法相比，現(xiàn)行的外擴(kuò)法需要不斷擴(kuò)大開挖半徑和開挖方向，不利于大型機(jī)械化設(shè)備開展工作，依賴于人工打眼爆破開挖，不僅增加了勞動力的投入，效率遠(yuǎn)不如鑿巖臺車開挖，且原先外擴(kuò)法不斷擴(kuò)大斷面輪廓和轉(zhuǎn)向，增加了對圍巖的擾動，不利于圍巖自身的穩(wěn)定。

香爐坪隧道7號通道在挑頂過程中通過對各種挑頂方案進(jìn)行比選，結(jié)合圍巖地質(zhì)條件等各種因素，因地制宜，選擇了最經(jīng)濟(jì)合理的挑頂方法，并對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，充分利用現(xiàn)有的工裝設(shè)備，采用三臂鑿巖臺車快速完成了挑頂施工，提高了施工效率，降低了施工成本。

5 結(jié)語

隨著我國隧道施工裝備水平和技術(shù)水平的不斷提高，橫通道進(jìn)正洞挑頂施工技術(shù)也越發(fā)成熟，在原有的外擴(kuò)法、導(dǎo)洞法、雙聯(lián)法等[9]施工方法的基礎(chǔ)上衍生出垂直挑頂法[10]、無門架導(dǎo)洞法[11]等多種施工方法，并針對軟弱富水圍巖等地質(zhì)條件復(fù)雜地段挑頂施工展開大量研究，積攢了大量施工經(jīng)驗(yàn)。目前隨著隧道施工領(lǐng)域不斷拓展，長大隧道逐漸增多，地質(zhì)條件更趨復(fù)雜，橫通道進(jìn)正洞的挑頂方法應(yīng)以保證安全為前提，并綜合考慮影響施工成本的各種因素，因地制宜，通過對方法不斷改進(jìn)和優(yōu)化，充分利用現(xiàn)有的工裝設(shè)備，使其達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效的目的。無論選擇何種方法，在整個施工過程中，由于三岔口受力結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，應(yīng)加大對施工過程中的控制，嚴(yán)格按照施工方案進(jìn)行施工，及時支護(hù)，并根據(jù)地質(zhì)條件對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而保證橫通道進(jìn)正洞的安全。

香爐坪隧道7號橫通道利用鑿巖臺車進(jìn)行挑頂，與傳統(tǒng)人工挑頂相比，更加方便快捷、安全高效，隨著我國隧道建設(shè)機(jī)械化水平不斷提高，加之人工勞動力年齡結(jié)構(gòu)偏大趨勢明顯，成本不斷上漲，隧道全機(jī)械化開挖將會成為一種必然[12]，在未來的隧道施工中，利用鑿巖臺車進(jìn)行輔助坑道進(jìn)正洞挑頂施工值得推廣和應(yīng)用。