鐵路隧道三線分岔大跨段變截面施工技術(shù)

任東平

中鐵二十局集團(tuán)市政工程有限公司，蘭州 730046

地下大跨結(jié)構(gòu)在城市軌道交通車站［1］及水電站地下廠房［2］中較常見，鐵路隧道在道岔分線、隧道喇叭口等特殊部位也常設(shè)大跨段［3］。對(duì)于隧道大跨段施工通常將大斷面轉(zhuǎn)化為小斷面，使各部分自成穩(wěn)定的受力體系。根據(jù)跨度不同可分別采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法［4-5］、單側(cè)壁導(dǎo)坑法［6］、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法［7-8］、交叉中隔壁法［9-10］等施工方法。

在分岔大跨段存在較大的斷面差，須過渡漸變施工。由小斷面進(jìn)入大斷面時(shí)，由于中管棚要割除，主要采用超前注漿對(duì)地層進(jìn)行加固，擴(kuò)挖時(shí)逐榀施工支護(hù)逐榀漸漸抬升，最終形成目標(biāo)大斷面。

本文對(duì)重慶鐵路樞紐東環(huán)線樵坪山隧道三線分岔大跨段變截面處的施工方法進(jìn)行研究，為類似工程提供參考。

1 工程概況

樵坪山隧道為全線最長(zhǎng)隧道，其橫跨重慶市巴南區(qū)、南岸區(qū)，隧道全長(zhǎng)7 568 m，最大埋深340 m。該隧道為單洞雙線，采取“兩斜井+一橫洞”的輔助坑道方案施工。東環(huán)正線需與重慶東站相連，故須在洞內(nèi)設(shè)置兩個(gè)大跨段，分別引入重慶東站左右聯(lián)絡(luò)線。左聯(lián)絡(luò)線大跨段起訖里程為DK43+400—DK43+584，長(zhǎng)184 m。右聯(lián)絡(luò)線大跨段起訖里程為DK43+150—DK43+304，長(zhǎng)154 m。左右聯(lián)絡(luò)線大跨段的跨度分別為24.53、19.77 m，斷面面積分別為317、227 m2。大跨段施工平面布置如圖1所示。

圖1 大跨段施工平面布置（單位：m）

大跨段圍巖屬Ⅳ級(jí)圍巖，巖性以泥巖、砂巖為主，無(wú)水或有少量基巖裂隙水。巖層緩傾，整體穩(wěn)定性較好。

2 大跨段初期支護(hù)參數(shù)

左右聯(lián)絡(luò)線大跨段除長(zhǎng)度及擴(kuò)挖方向不同外，支護(hù)參數(shù)、斷面大小均一致。本文以右聯(lián)絡(luò)線（DK43+150—DK43+304）為例進(jìn)行介紹。

該工程變截面過渡段分為兩種：①15.12 m（斷面寬度）大跨段向19.77 m大跨段過渡；②19.77 m大跨段向24.53 m大跨段過渡。

1）15.12 m大跨段

設(shè)計(jì)初期支護(hù)鋼架采用I20b型鋼，間距0.8 m，全環(huán)設(shè)置?8鋼筋網(wǎng)片，C25噴射混凝土厚度27 cm。拱部采用?22組合中空錨桿，單根長(zhǎng)4 m，間距為1.2 m（環(huán)向）×1.0 m（縱向）。拱腳每節(jié)點(diǎn)設(shè)置?22鎖腳錨管，單根長(zhǎng)4 m。臨時(shí)橫撐鋼架采用I18型鋼。

2）19.77 m大跨段

初期支護(hù)鋼架采用I25b型鋼，間距0.6 m，全環(huán)設(shè)置?8鋼筋網(wǎng)片，C25噴射混凝土厚度32 cm。拱部采用?25自進(jìn)式錨桿，單根長(zhǎng)6 m，間距為1.0 m（環(huán)向）×1.0 m（縱向）。拱腳每節(jié)點(diǎn)設(shè)置?76鎖腳錨管，單根長(zhǎng)4 m。

3）24.53 m大跨段

設(shè)計(jì)初期支護(hù)鋼架采用I25b型鋼，間距0.5 m，全環(huán)設(shè)置?8鋼筋網(wǎng)片，C25噴射混凝土厚度32 cm。拱部采用?25自進(jìn)式錨桿，單根長(zhǎng)6 m，間距為1.0 m（環(huán)向）×1.0 m（縱向）。拱腳每節(jié)點(diǎn)設(shè)置?42鎖腳錨管，單根長(zhǎng)4 m。臨時(shí)橫撐鋼架采用I18型鋼。

3 過渡段施工方案

隧道變截面施工有直接突變擴(kuò)挖［11］、提前漸變斜向擴(kuò)挖［12］兩種方案。直接突變擴(kuò)挖適用于斷面寬度變化較小工況，工藝簡(jiǎn)單，施工進(jìn)度較快，但截面突變處常有應(yīng)力集中，須特別處理［13］。提前漸變斜向擴(kuò)挖適用于斷面寬度變化較大工況，常見于斜井進(jìn)正洞時(shí)的挑頂施工。優(yōu)點(diǎn)是截面漸變過渡，減少應(yīng)力集中，施工更安全。

本工程斷面寬度變化較大，原則上應(yīng)采用提前漸變斜向擴(kuò)挖方案，經(jīng)專家論證和比對(duì)，在采取加強(qiáng)支護(hù)措施的前提下，也可以采用直接突變擴(kuò)挖方案。為防止變截面處出現(xiàn)應(yīng)力集中，對(duì)變截面前后段落加強(qiáng)支護(hù)。

4 過渡段施工方法及步驟

4.1 15.12 m大跨段向19.77 m大跨段的過渡

4.1.1 施工方法

該過渡段開挖工法為上下臺(tái)階法+臨時(shí)橫撐向三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法過渡。為實(shí)現(xiàn)該段順利過渡，需設(shè)置5.4 m過渡段（DK43+148.8—DK43+154.2，DK43+150處變截面）。上臺(tái)階施工至DK43+148.8后開始向上、向下、向右直接擴(kuò)挖。在過渡段的左側(cè)設(shè)置I22b臨時(shí)豎撐支撐拱部鋼架拱腳，同時(shí)初期支護(hù)鋼拱架連接板上部約30 cm處采用型鋼加強(qiáng)，其余部分仍采用原設(shè)計(jì)?22螺紋鋼筋連接。右側(cè)擴(kuò)挖時(shí)采用小導(dǎo)洞法［14］，小導(dǎo)洞內(nèi)架立I18型鋼門架臨時(shí)支撐，門架安裝在初期支護(hù)外部，待開挖至上臺(tái)階拱腳處時(shí)接長(zhǎng)正洞上臺(tái)階鋼架，噴射混凝土封閉，完成上臺(tái)階初期支護(hù)施工。之后進(jìn)行中、下臺(tái)階開挖及初期支護(hù)施工。

擴(kuò)挖過程中根據(jù)圍巖情況對(duì)初期支護(hù)鋼架采取一定的加固措施，如設(shè)置型鋼縱向連接。變截面處超前支護(hù)難以正常施作，向右側(cè)擴(kuò)挖施作初期支護(hù)時(shí)可在拱部打設(shè)?42超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)支護(hù)。

4.1.2 過渡段施工

過渡段施工順序見圖2。

圖2 過渡段施工順序

具體施工步驟：

1）超前支護(hù)施工。DK43+150處由斷面寬15.12 m突變?yōu)?9.77 m。考慮變截面處擋頭墻襯砌厚1.0 m，初期支護(hù)厚0.2 m，將變截面處型鋼鋼架位置設(shè)在DK43+148.8。施工至DK43+148.8后，施作上臺(tái)階左側(cè)?76超前中管棚。

2）左側(cè)開挖及支護(hù)。按設(shè)計(jì)斷面寬19.77 m開挖左側(cè)上臺(tái)階和中臺(tái)階約2/3高度（圖2中Ⅰ部、Ⅱ部，其中Ⅱ部分兩次開挖成型），開挖平面距拱頂高度約6 m，以便挖機(jī)進(jìn)入19.77 m斷面后向右直拐開挖擴(kuò)大斷面。環(huán)向采用I25b型鋼鋼架。在每榀環(huán)向I25b型鋼鋼架拱頂處安裝I22b型鋼鋼架作為豎向臨時(shí)支撐；支撐底部采用寬60 cm，長(zhǎng)90 cm，厚20 mm鋼墊板，豎向支撐縱向上下各采用I16型鋼加強(qiáng)。環(huán)向I25b型鋼鋼架右側(cè)形成懸臂狀態(tài)。拱部施作?25自進(jìn)式錨桿，錨桿長(zhǎng)度6 m。錨桿端部設(shè)置錨墊板與拱架焊接牢固。

3）右側(cè)開挖及支護(hù)。①待Ⅱ部開挖至DK43+154.2后，拆除右側(cè)的臨時(shí)豎向支撐，只保留首尾榀豎向支撐。②向右直拐90°，在9（榀鋼架）×60 cm（間距）=540 cm寬作業(yè)空間按斷面寬19.77 m開挖右側(cè)上臺(tái)階、中臺(tái)階剩余部分，開挖長(zhǎng)度為隧道環(huán)向4.6 m。③小導(dǎo)坑采用I18型鋼門架支撐，寬6 m的I18型鋼門架支撐橫梁底部高出隧道環(huán)向I25b型鋼鋼架頂部10 cm，I18型鋼間距0.8 m，每次開挖1榀。19.77 m大跨段右側(cè)上臺(tái)階、中臺(tái)階剩余部分開挖完成后，在I18型鋼門架支撐橫梁下部安裝隧道環(huán)向I25b型鋼鋼架剩余部分。待上臺(tái)階、中臺(tái)階拱架全部安裝完畢后，拆除0榀之外的I18型鋼門架豎向支撐，形成三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法作業(yè)面。④按照三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工中臺(tái)階初期支護(hù)剩余部分及下臺(tái)階初期支護(hù)。

4.2 19.77 m大跨段向24.53 m大跨段的過渡

4.2.1 施工方法

該過渡段開挖工法為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法向雙側(cè)壁導(dǎo)坑法過渡。按照設(shè)計(jì)位置布置臨時(shí)豎撐會(huì)導(dǎo)致右側(cè)導(dǎo)坑不能順利與三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法所施工的通道銜接，直接影響施工機(jī)械通行。為解決該問題，需設(shè)置10 m過渡段（DK43+255.8—DK43+265.8，DK43+257處變截面）。在過渡段內(nèi)對(duì)臨時(shí)豎撐的位置進(jìn)行調(diào)整［15］。即剛進(jìn)入24.53 m斷面時(shí)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑右導(dǎo)坑的臨時(shí)豎撐位置向左調(diào)整1.5 m，以保證右導(dǎo)坑寬度5 m，滿足施工機(jī)械通行。過渡段右側(cè)擴(kuò)挖仍采用小導(dǎo)洞法，擴(kuò)挖方法同15.12 m斷面向19.77 m斷面的擴(kuò)挖施工。

4.2.2 DK43+257處變截面施工（圖3）

圖3 DK43+257過渡段施工順序（單位：m）

具體施工步驟：①19.77 m大跨段上臺(tái)階按照三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工至DK43+255.8，封閉掌子面，待中臺(tái)階施工至DK43+255.8后調(diào)整開挖工法。按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工24.53 m大跨段上臺(tái)階。②開挖左導(dǎo)坑1部，施作1部周邊初期支護(hù)及臨時(shí)支撐。每循環(huán)進(jìn)尺不大于2榀鋼架間距。③滯后1部10～15 m開挖右導(dǎo)坑2-1部，然后向右側(cè)、向上部擴(kuò)挖2-2部，施作周邊初期支護(hù)及臨時(shí)豎撐。每循環(huán)進(jìn)尺不大于2榀鋼架間距。④滯后2部10～15 m施作中部導(dǎo)坑3部。先開挖3-1部，然后向上擴(kuò)挖3-2部，施作周邊初期支護(hù)。每循環(huán)進(jìn)尺不大于2榀鋼架間距。⑤按照第①步到第③步的方法繼續(xù)施工上臺(tái)階至DK43+265.8，完成過渡段10 m上臺(tái)階的開挖支護(hù)。⑥施工下臺(tái)階初期支護(hù)及臨時(shí)支撐，完成過渡段10 m下臺(tái)階的開挖支護(hù)。

臨時(shí)豎撐位置調(diào)整將對(duì)24.53 m大跨段整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。為確保施工安全，該段須采取加強(qiáng)措施，將兩側(cè)拱腳鎖腳錨管長(zhǎng)度由4 m調(diào)整為6 m。

5 結(jié)語(yǔ)

大跨段變截面施工的難點(diǎn)在于如何在變截面處將各種工法安全平順過渡，施工前須對(duì)各種施工方案進(jìn)行對(duì)比，選定更安全、經(jīng)濟(jì)的施工方案。

從15.12 m大跨段（臺(tái)階法+臨時(shí)橫撐）向17.99 m大跨段（三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法）施工時(shí)，在變截面處設(shè)置了長(zhǎng)5.4 m的過渡段。從17.99 m大跨段（三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法）向24.53 m大跨段（雙側(cè)壁導(dǎo)坑法）施工時(shí)設(shè)置了長(zhǎng)10 m的過渡段。為解決施工機(jī)械通行的問題，對(duì)長(zhǎng)10 m過渡段臨時(shí)豎撐的位置進(jìn)行了調(diào)整。

樵坪山隧道在大跨段施工過程中嚴(yán)格遵照所制定的方案施工。目前兩大跨段均安全、順利施工完畢。