軟弱地層輔助坑道進隧道正洞上聯洞+門架法挑頂施工技術

張洪達

(中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401123)

0 引言

長大隧道通常設置斜井、平導等輔助坑道增開工作面，以實現加快掘進速度、協助通風排水等目的。由輔助坑道進入正洞的交叉口段結構復雜，三維受力轉換頻繁，對挑頂工藝要求嚴格。在復雜地質條件下，探索一種快捷、安全的挑頂工法具有較強的實際意義。

目前，國內諸多學者對隧道挑頂技術進行了大量研究和總結[1-6]，普遍認為，通過在交叉口處設置垂直于正洞的爬坡導洞實施挑頂是較為行之有效的方法。劉毅等[7-8]闡述了垂直挑頂工藝在大跨度地鐵隧道斜井進正洞施工中的流程及要點，并采用三維有限元方法計算，以應力、位移為指標，通過與現場施工監測數據進行對比，驗證了垂直挑頂工藝在中、微風化石英砂巖地層中控制圍巖變形的有效性。郝文廣[9]、黎冬來[10]分別研究了黃土及膨脹土地層中橫洞進隧道正洞采用橫向垂直導洞法挑頂工藝的實施要點。魯建邦[11]對大斷面隧道斜井挑頂過程中力學場特征和變化趨勢進行研究，得出在垂直挑頂過程中對正洞核心土進行加固可以減小應力集中程度。以上研究大多是對特定條件下隧道挑頂實施方案的總結分析，少部分文獻對挑頂施工不同方案進行了比選[12-13]。

上述研究所涉及的工法仍多以輔助坑道和正洞的交叉口為切入點，通過調整輔助坑道斷面或設置不同形式的爬坡導洞實現挑頂。在交叉口段狹小作業空間下，工序錯綜復雜，初期支護與臨時支護交錯進行，支護結構拆換及多種受力結構交叉的情況依然存在。通過控制開挖斷面尺寸、采取超前預支護、圍巖注漿加固和加強初期支護等措施來控制初期支護變形，交叉口段圍巖復雜的三維受力狀態尚未因工法革新得到徹底改善。 本文以新建重慶至昆明高速鐵路云貴段昭通隧道2號斜井進正洞交叉口在膨脹土地層挑頂為例，采用在交叉口后方設置獨立式上聯洞爬升至正洞拱部的方法，結合密排門架支護進行挑頂，多工作面同步施作斜井交叉口段襯砌，從工法優化入手預防多種安全風險疊加，并分析和總結上聯洞+門架法挑頂工藝的應用效果。

1 工程概況

新建重慶至昆明高速鐵路云貴段昭通隧道位于云南省彝良縣與昭通市之間，隧道全長16.260 km，起訖里程DK373+070～DK389+330，為全線控制性工程，屬于Ⅰ級高風險隧道。隧道采取“2橫洞+2斜井+進口平導”的輔助坑道方案，其中，2號斜井位于昭陽區龍汛村附近，洞長250 m，縱坡-10.59%，斜井中線與正洞中線相交于DK388+750,與正洞大里程端平面交角成61°，交叉口段拱頂埋深約48 m。2號斜井工區承擔正洞施工長度達2 660 m，2號斜井轉入正洞小里程施工為隧道工程的關鍵線路。

1.1 設計概況

2號斜井井身采用單線斷面V級復合式(設底板)襯砌結構，洞身開挖斷面寬度為8.88 m，高度為7.61 m。隧道正洞為鐵路單洞雙線斷面，洞身開挖寬度為15.26 m,高度為11.26 m。交叉口段2號斜井及正洞隧道支護參數如表1所示。

表1 交叉口段2號斜井及正洞隧道支護參數

1.2 地形地貌

隧址區屬高原斜坡地帶中低山峽谷區，地形陡峻，起伏大，地面高程1 390～2 900 m,相對高差約1 500 m，自然橫坡10°～45°，斜坡地帶基巖大多裸露，覆土薄。2號斜井至正洞段地形相對平緩，緩坡地帶及淺狀溝槽覆土相對較厚，坡面上灌木叢生，林地、耕地較少。

1.3 水文條件

2號斜井段無河流、湖泊、水庫等地表水體。地表水主要為溝水和坡面暫時性流水，地下水以地表補給為主，流量受季節影響明顯。雨季多集中在6～10月，占全年降水量80%以上，為地下水補給旺盛時期，月降雨量為160～210 mm。

1.4 工程地質

斜井與正洞交叉口段位于第三系黏土夾碎、塊石地層，覆土層厚，土質較軟。黏土具有弱—中等膨脹性，自由膨脹率為37%～62%，夾褐煤，為微瓦斯段落，瓦斯壓力<0.15 MPa，絕對瓦斯涌出量為0.16 m3/min。所夾碎石為灰巖質，巖質較硬。經現場取樣進行土體膨脹性判定，判定參數及結果如表2所示。

表2 土體膨脹性判定參數及結果

2 挑頂方案選擇

傳統隧道挑頂方法多通過在交叉口處設爬坡導洞進入正洞后實現擴挖。橫向垂直導洞法，即在交叉口附近通過抬高輔助坑道拱頂高度，設置大坡度過渡段，利用垂直于正洞的橫向導洞，開挖出正洞上臺階輪廓后轉入正洞施工。

本工程若選用橫向垂直導洞法挑頂，井底拱頂需超挖過渡至正洞上臺階，最大開挖高度超過10 m，短期內無法完成交叉口段初期支護結構封閉和二次襯砌，正洞初期支護承擔的外力也將傳遞到斜井交叉口拱腳處，導致膨脹土段圍巖變形加大，安全風險隨之加劇；同時，抬高斜井拱頂標高后，每榀拱架高度不等，需單獨加工，安裝精度要求高，異形斷面為交叉口段襯砌施工帶來不便。斜井交叉段襯砌與導洞開挖順序施工，工期延長，且由于2號斜井位于隧道工程關鍵線路上，將對總工期造成不利影響。

綜合分析已開挖斜井段弱膨脹土地質特征和變形特點，需要優先進行斜井井底交叉口段襯砌施工，確保應力集中部位巖體穩定。結合隧道斷面尺寸、斜井縱坡、拱頂高差等因素，選擇在斜井與正洞交叉口后方設置上聯洞，利用井底交叉段襯砌施工時段，可短距離掘進至正洞大里程方向拱部，并采用異形門架加強支護完成挑頂，在超前中管棚的保護下通過正洞交叉口段。

3 挑頂施工技術

3.1 斜井交叉口段施工

自2號斜井X2DK0+040處進入井底交叉口加強段(X2DK0+040～+011.38)施工。施作超前小導管后，采用臺階法機械開挖并及時支護。2號斜井與正洞中線斜交 ，井底加強段采用偏立法安裝I18異形拱架至正洞開挖輪廓，斜井端口處并排架設2榀HW200型鋼鋼架落底成環，同時兼作正洞拱架的落腳基礎。偏立法鋼架安裝示意如圖1所示。

斜井掌子面上臺階開挖進入正洞3～5 m，以滿足交叉口段斜井二次襯砌施作空間為宜。在形成可自穩的緩傾掌子面后，噴射15 cm厚混凝土封閉巖面，并及時組織井底交叉口段仰拱及襯砌施工，以確保交叉口段支護結構的穩定。斜井與正洞交叉口端頭部處理示意如圖2所示。

圖1 交叉口段偏立法鋼架安裝示意圖

圖2 斜井與正洞交叉口端頭部處理示意圖

3.2 上聯洞施工

斜井交叉口段仰拱施工完成后，在交叉點后方30 m，即2號斜井X2DK0+040處設置上聯洞，向正洞大里程方向爬升至上斷面實施挑頂。上聯洞長32.5 m，與斜井小里程方向平面交角成59.5°，縱坡為12%，與正洞交于DK388+784處。上聯洞與正洞交叉口段設置4.5 m正交過渡段，使導洞與正洞調整至正向交匯，上聯洞拱頂與正洞洞頂標高基本平齊。上聯洞平面和縱斷面布置分別如圖3和圖4所示。

上聯洞為直墻式斷面，為滿足施工機械操作需要，確定其凈空寬度為4.5 m，高度為4.75 m，略小于斜井洞身尺寸。上聯洞洞身超前支護及初期支護參數參考斜井參數確定，如表3所示。上聯洞采用短臺階法機械開挖，小型自卸汽車出渣。上臺階開挖高度為2.8 m，每循環進尺按1榀拱架間距控制，即0.8 m，左右兩側交錯施作下臺階。上聯洞進正洞處并排架設2榀HW200型鋼矩形鋼架并成環，矩形鋼架上部與上聯洞初期支護鋼架采用豎撐焊接。上聯洞與正洞交叉口及挑頂門架設計如圖5所示。

圖3 上聯洞平面布置圖

圖4 上聯洞縱斷面布置圖

表3 上聯洞洞身及門架挑頂段支護參數

圖5 上聯洞與正洞交叉口及挑頂門架設計圖(單位： cm)

3.3 門架法挑頂

矩形挑頂導洞寬度為2 m，可滿足小型挖掘機扒渣需要。當上聯洞開挖至正洞交叉口，端頭矩形型鋼門架安裝完畢后，垂直于正洞中線平坡開挖至對側，洞頂標高隨正洞開挖輪廓線調整。該段正洞門架法挑頂初期支護完成后，凈空斷面較設計開挖輪廓線外擴30 cm，用于施作正洞超前管棚的工作室。上聯洞門架法挑頂平面示意如圖6所示。

圖6 上聯洞門架法挑頂平面示意圖(單位： cm)

門架法挑頂段最大開挖高度為5.2 m，采用短臺階法人工開挖，確保各層臺階高度不大于3 m, 每循環進尺控制在0.6 m，開挖后立即進行初期支護，逐榀架設門架掘進至正洞對側邊墻處，停止上聯洞挑頂開挖。門架挑頂段支護參數見表3。

在矩形門架保護下完成正洞上臺階初期支護。架設正洞HW200鋼支撐，鋼架一側落在上聯洞端頭門架上，另一側置于穩定的基巖上，并下墊槽鋼確保拱腳堅實，控制圍巖變形。上聯洞門架法挑頂斷面示意如圖7所示。

3.4 正洞開挖

由于門架挑頂段成型空間有限，一次施作9 m長管棚難以操作。在門架導洞大里程側邊墻即正洞拱部范圍內沿開挖輪廓打設φ42 mm@3.5 mm雙層超前小導管，拆除臨時門架豎撐，開挖6 m上臺階后噴射20 cm厚混凝土封閉掌子面。利用已成型的正洞上臺階作為管棚工作室，向正洞小里程方向施作φ76 mm中管棚，實施斜井與正洞交叉口段開挖。

圖7 上聯洞門架法挑頂斷面示意圖

正洞采用三臺階+臨時仰拱法開挖，臺階高度自上而下依次為4.1、3.5、3.6 m。上臺階開挖后及時進行初期支護，臨時仰拱設I18鋼架并噴射C25混凝土封閉，待上臺階通過斜井與正洞交叉口后施工中、下層臺階。

正洞上臺階開挖至斜井與正洞交叉口時，斜井交叉口段襯砌已達到設計強度。斜井井底襯砌施作結束后，采用堆碼沙袋的方式對斜井掌子面進行反壓，防止正洞開挖時出現溜坍，反壓層厚1.2 m，高5.5 m，緊貼巖面堆碼。然后逐榀開挖上臺階并及時支護，將靠近斜井一側的鋼架與井口預埋的雙拼型鋼門架進行螺栓連接，另一側鋼架落底至上臺階拱腳部位，參照門架段正洞拱架的安裝方式，直至交叉口處上臺階開挖完成。

待2號斜井與正洞交叉口處挑頂完成后，自交叉口向兩側施作中、下臺階，利用2號斜井出渣，此時已形成正洞三臺階平行推進，正洞挑頂安全結束。待正洞襯砌臺車拼裝后，及時施作交叉口段襯砌，保證該部位的結構安全。正洞段開挖順序示意如圖8所示。圖中，Ⅰ為斜井交叉口段開挖及襯砌；Ⅱ為上聯洞及門架法挑頂段開挖；Ⅲ為反向管棚工作室開挖；Ⅳ為正洞上臺階開挖；Ⅴ為正洞中臺階開挖；Ⅵ為正洞下臺階開挖；Ⅶ為正洞交叉口段二次襯砌。

圖8 正洞段開挖順序示意圖

3.5 上聯洞封堵

2號斜井進正洞后承擔出口段580 m的施工任務。利用上聯洞作為大里程方向送風通道，避免通風管路經斜井井底折返，有效降低通風損失。待2號斜井與出口貫通后，拆除通風管路，對上聯洞與正洞交叉口10 m范圍、斜井與上聯洞交叉口3 m范圍采用C25片石混凝土封堵。

4 監控量測結果分析

上聯洞掘進及挑頂過程中開展圍巖變形監控量測，以判定結構穩定狀態。通過對發生變形較大處典型斷面(斜井X2DK0+040、門架挑頂段X2DsK0+032、正洞交叉口DK388+755、正洞DK388+778)的變形數據進行統計發現，拱頂下沉及周邊收斂和累計變形量均在預警值范圍內。典型斷面變形量統計如表4所示。

典型斷面拱頂下沉和周邊收斂監測回歸分析分別如圖9和圖10所示。變形速率和累計變形量較大的斷面發生在上聯洞與斜井和門架挑頂交叉口、正洞與斜井的交叉口以及挑頂后正洞長臺階開挖段，其持續受到多次圍巖擾動的影響，在仰拱封閉后逐漸趨于穩定。

表4 典型斷面變形量統計

圖9 拱頂下沉監測回歸分析圖

圖10 周邊收斂監測回歸分析圖

5 適用性分析

5.1 安全性分析

斜井施工為確定上聯洞斷面形式及支護參數提供了參考依據。上聯洞開挖尺寸小于斜井斷面，在地質水文條件相近的條件下，經受力驗算后對應力集中部位加強支護，可確保上聯洞洞身結構安全。上聯洞循環進尺控制在0.8 m，門架挑頂段循環進尺控制在0.6 m，開挖臺階高度均小于3 m，無需采取開挖面加固措施即可確保其自穩。根據監測數據顯示，在密排矩形門架支護下，實施正洞挑頂變形可控。通過上聯洞挑頂進入正洞，有效避免了斜井與正洞交叉口處應力集中。正洞上斷面開挖至交叉口時，井底交叉口段支護結構已封閉，二次襯砌達到設計強度，施工安全更有保障。

5.2 進度分析

以本工程為例，上聯洞自進洞至門架段挑頂結束僅用時20 d，較傳統工法節約工期近半個月。其進度優勢體現在： 1)上聯洞拱頂與正洞拱頂高差更小，可通過短距離緩坡直達正洞拱頂； 2)無需過度超挖和頻繁變換斷面，掘進速度穩定； 3)節約了臨時工程拆除時間； 4)交叉口后方設置上聯洞，掘進速度不受井底施工的干擾，實現了斜井交叉口段襯砌與上聯洞開挖支護平行施工，縮短了隧道挑頂時間。

6 結論與建議

1)利用上聯洞挑頂充分擬合正洞開挖輪廓，縮短開挖面圍巖暴露的面積和時間，使應力集中的交叉口部位及時襯砌，有效降低大斷面隧道在軟弱地層中挑頂的安全風險。

2)與傳統挑頂工法相比，挑頂工序中輔助坑道交叉段與正洞挑頂同步施工，避免了多工作面間的相互干擾，可加快輔助坑道向正洞轉序的進度。

3)類似工程參考此工法施工時，可針對工程具體條件，優化上聯洞和挑頂段的斷面尺寸及支護參數，并進一步研究狹窄空間下作業機械設備的選型，以提高施工效率。