軟弱圍巖大斷面隧道斜井進(jìn)正洞挑頂施工技術(shù)的應(yīng)用

張紅亮

（中鐵三局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 石家莊 050000）

地形地貌在隧道工程施工中是重要影響因素，在超長(zhǎng)隧道施工中，通常會(huì)設(shè)置斜井結(jié)構(gòu)保障工期。但斜井與正洞過(guò)渡段應(yīng)力相對(duì)集中，因而需要結(jié)合隧道工程地質(zhì)條件，科學(xué)設(shè)計(jì)施工方案及實(shí)施措施。斜井向正洞轉(zhuǎn)入過(guò)程是施工重點(diǎn)，因圍巖較為軟弱，一旦處理不當(dāng)可能導(dǎo)致初期支護(hù)出現(xiàn)大幅變形，易導(dǎo)致塌方事故[1-3]。為此，可采用垂直挑方式實(shí)施挑頂作業(yè)，但要嚴(yán)格控制軟弱圍巖區(qū)挑頂施工規(guī)范性，保障挑頂施工安全、高質(zhì)、優(yōu)質(zhì)完成。

1 工程概況

某隧道工程施工中，在分修洞的同時(shí)合修出口，將斜井設(shè)置于左線D2K867+031線路前進(jìn)方向的左側(cè)區(qū)域，斜井平長(zhǎng)為590 m，綜合坡度為7.8%。左線大里程為1.799 km，而左線及右線小里程均為3.456 km。本工程斜井進(jìn)正洞挑頂施工工期共計(jì)16 d，斜井施工、進(jìn)正洞挑頂施工時(shí)間分為6 d與10 d。

2 軟弱圍巖大斷面隧道斜井進(jìn)正洞挑頂施工技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 挑頂施工的前期準(zhǔn)備

2.1.1 技術(shù)交底及現(xiàn)場(chǎng)勘查

斜井進(jìn)正洞挑頂施工正式開始前，所有參建人員均要參與相關(guān)文件學(xué)習(xí)，了解技術(shù)要求，明確管理要點(diǎn)，與此同時(shí)，由建設(shè)單位牽頭與設(shè)計(jì)、咨詢、施工、監(jiān)理各方共同進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)會(huì)勘，結(jié)合所收集到的掌子面信息，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況合理判斷圍巖狀況，通過(guò)五方會(huì)勘，動(dòng)態(tài)確認(rèn)施工現(xiàn)場(chǎng)的挑頂主動(dòng)支護(hù)參數(shù)，并確定需要采用的超前加固措施。

2.1.2 挑頂設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)束后，各參建方共同分析探討設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)的挑頂加固方案，商討結(jié)果是將6號(hào)斜井施工段的圍巖保持在IV級(jí)，并應(yīng)用全斷面施工方式，利用IV級(jí)模筑帶仰拱襯砌，并需在圍巖一側(cè)位置的鋼架處設(shè)置拱墻，鋼架內(nèi)部設(shè)置全環(huán)，每?jī)蓚€(gè)鋼架之間間距為1.2 m。拱部位置采用超前支護(hù)方式，選用Φ60 mm中管棚按照0.4 m的間距環(huán)向設(shè)置，各環(huán)中設(shè)置18根長(zhǎng)度為9 m的鋼架，鋼架之間距離為6 m。此種挑頂設(shè)計(jì)方案與原有設(shè)計(jì)方案的區(qū)別在于設(shè)置了雙排鋼拱架，將原來(lái)的模筑底板設(shè)置為模筑仰拱。

2.1.3 二次交底與物資準(zhǔn)備

挑頂加強(qiáng)措施確定后，還需優(yōu)化施工方案，并由各參建方共同審查方案可行性，而后需通過(guò)施工動(dòng)員會(huì)召開，確定各部門的挑頂施工職責(zé)，針對(duì)各個(gè)班組展開二交技術(shù)交底與培訓(xùn)。在此期間，還需要做好挑頂施工前的材料、設(shè)備等各頂準(zhǔn)備工作。首先需要嚴(yán)格檢查所有進(jìn)場(chǎng)材料，審查其與挑頂施工要求的一致性，而后需根據(jù)挑頂施工方案加工鋼架、錨桿等施工所需材料。同時(shí)，需要準(zhǔn)備挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸車、鑿巖臺(tái)車等各類施工機(jī)械，并做好設(shè)備運(yùn)行狀況檢查及保養(yǎng)，以便為挑頂施工中機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行提供保證。

2.1.4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施

挑頂施工開始前，為保障輔助坑道挖掘施工的安全性，防止正洞交叉口施工時(shí)存在安全隱患，應(yīng)于挑頂之前20 m處開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，地質(zhì)預(yù)報(bào)所用設(shè)備應(yīng)為地質(zhì)雷達(dá)，并且需要采用超前水平鉆孔技術(shù)挖掘深層炮孔，以便獲取到精準(zhǔn)的地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，還需要加強(qiáng)斜井初期支護(hù)，做好測(cè)量準(zhǔn)備工作，復(fù)測(cè)洞內(nèi)控制點(diǎn)，精準(zhǔn)計(jì)算挑頂處門架坐標(biāo)，確定井底、正洞連接區(qū)等處拱架的三維座標(biāo)，通過(guò)精準(zhǔn)測(cè)量及數(shù)據(jù)復(fù)核，對(duì)挑頂施工的順利推進(jìn)提供支持。

2.2 挑頂施工總體方案

根據(jù)本工程的圍巖情況，應(yīng)選用垂直挑頂法實(shí)施斜井轉(zhuǎn)正洞施工，斜井施工時(shí)以全斷面開挖方法為主，開挖同時(shí)支護(hù)，距正洞10 m構(gòu)筑爬坡道，以之作為交叉段正洞挑頂上臺(tái)階的平臺(tái)，應(yīng)采用鉆爆施工方法。因斜井及正洞之間角度接近于直角，因而最后10榀鋼架需要設(shè)置為平行于正洞縱向，由于左側(cè)比右側(cè)略大，需采用扇形支護(hù)方式，按照斜井方向搭建異形鋼架，使之與斜井中線保持垂直，并與正洞中線平行過(guò)渡。挑頂施工開展前，需于交叉口處設(shè)置加強(qiáng)環(huán)，并利用長(zhǎng)度為4 m的小導(dǎo)管，按照間隔3 m的距離做超前支護(hù)。通過(guò)棚洞向正洞轉(zhuǎn)入，沿棚架爬坡抵達(dá)正洞拱頂處后，需沿平坡開挖方向，挖至正洞外圍上臺(tái)階拱腳處，正洞上臺(tái)階時(shí)，需要做好初期支護(hù)。

2.3 挑頂施工的關(guān)鍵步驟

2.3.1 輔助坑道挑頂前10 m施工

輔助坑道拱頂挖掘時(shí)，應(yīng)采用抬高挖掘法，挖掘的同時(shí)搭設(shè)雙鋼拱架，之后再實(shí)施仰拱初支封閉成環(huán)作業(yè)，最后進(jìn)行澆筑施工。挖掘輔助坑道時(shí)，與正洞之間間距不足10 m情況下應(yīng)加固后再開挖，且要支護(hù)各榀拱架，循環(huán)開挖進(jìn)尺均應(yīng)控制在3 m之內(nèi)。斜井施工段施工時(shí)，為確保挑頂施工的安全推進(jìn)，應(yīng)將各次挖掘量控制為1榀，挑頂前需做好套拱施工，間距應(yīng)控制在1.2 m之內(nèi)，縱向鏈接鋼筋之間的距離應(yīng)以1 m為宜，且各榀拱架需設(shè)置4個(gè)鎖架，長(zhǎng)度均為3 m。根據(jù)挑頂施工強(qiáng)化措施設(shè)置的雙拱架施工參數(shù)挖掘輪廓線，需要注意應(yīng)做好變形量預(yù)留，不可低于7 cm。相較于斜井高度，正洞的拱頂要高出1.5 m左右，由于棚洞施工空間有限，大型機(jī)械作業(yè)較為困難，且門架高度較大、斜井二襯澆筑尺寸較厚，正油拱架栓會(huì)受到較大的作用力，因而需要抬高輔助坑道加強(qiáng)段10 m內(nèi)的拱頂，抬高總幅度應(yīng)為0.48 m，各個(gè)榀的鋼架抬高幅度均為5.7 m。挖掘輔助坑道前，還需再次復(fù)核三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)測(cè)量周邊眼并做好放線，利用帶顏色的漆做好標(biāo)注，嚴(yán)格按照技術(shù)要求挖掘輪廓線。套拱后噴射混凝土以保護(hù)拱架，仰拱封閉澆筑作業(yè)后便可實(shí)施挑頂施工。輔助坑道挑頂前10 m施工圖如圖1所示。

圖1 斜井進(jìn)正洞示意圖（單位：cm）

2.3.2 斜井與正洞交叉口加強(qiáng)段設(shè)計(jì)

初期支護(hù)斜井及正洞交叉段時(shí)，所應(yīng)用的架為I16型號(hào)，設(shè)置間隔為1 m，采用Φ6 mm鋼筋網(wǎng)片，之間網(wǎng)格長(zhǎng)與寬均為0.25 m。支護(hù)時(shí)采用的錨桿有2種，分別為低預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿及普通藥卷錨桿，二者長(zhǎng)度均為3 m，規(guī)格分別為Φ25 mm與Φ22 mm，錨桿需采用C30混凝土噴射保護(hù)，噴射厚度應(yīng)為23 cm。利用中管棚設(shè)置拱部，規(guī)格為Φ60 mm，環(huán)向間距設(shè)置為0.5 m，各個(gè)環(huán)內(nèi)設(shè)置18根長(zhǎng)度均為9 m、縱向間距為6 m的中管棚，各榀設(shè)置4組長(zhǎng)度為3.5 m的鎖腳錨管。根據(jù)要求實(shí)施管棚、鎖腳錨管的澆筑施工，應(yīng)以水泥砂漿作為材料，注漿時(shí)壓力應(yīng)控制在0.5～1 MPa之間，并采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，合理設(shè)定漿液配比。斜井末端與正洞初期支護(hù)跨度最高處的內(nèi)緣區(qū)域，還需設(shè)置一組加強(qiáng)環(huán)，如圖2所示，選用4榀鋼架組焊，通過(guò)受力條件改善化解最后一榀鋼架的應(yīng)用集中問(wèn)題，進(jìn)而提升施工的安全性。

圖2 加強(qiáng)段施工

2.3.3 擴(kuò)挖斷面與門架搭設(shè)

斜井初期支護(hù)且完成加強(qiáng)環(huán)鋼架支立施工后，應(yīng)上臺(tái)階向前再挖掘1 m左右，并擴(kuò)大挖掘斷面，以便為交叉口段正洞之上斷面拱架提供支設(shè)位置，且增強(qiáng)拱架的穩(wěn)定性。按照正洞環(huán)向?qū)⒑附釉谝黄鸬膬砷凹茉O(shè)置于斜井兩側(cè)邊墻處，以斜井初期支護(hù)鋼架的高度為基準(zhǔn)設(shè)置鋼架標(biāo)高，且需按照正洞前進(jìn)方向?qū)砷摷墀B焊的水平門架設(shè)置于鋼架上方，門架頂面鋼板焊接間隔為1 m，用于搭接門架及交叉口段主洞拱部鋼架。而后應(yīng)加固好鎖腳錨桿并實(shí)施錨噴防護(hù)，鋼架落底作業(yè)完成后，再設(shè)置斜坡道，并挖掘小導(dǎo)坑弧面。

2.3.4 導(dǎo)洞支護(hù)與鋼拱架搭設(shè)

應(yīng)按照與正洞軸線相垂直的方向，挑頂挖掘?qū)Ф矗瑪嗝嬖O(shè)置為矩形，頂部及邊墻均按照1 m間隔設(shè)置寬度為5.5 m的門架，并按照梅花形布設(shè)錨桿。棚洞支護(hù)完成后，需按照1.2 m間隔搭設(shè)鋼拱架，如圖3所示。挑高段鋼架設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀，拱腳兩側(cè)分別布設(shè)鎖腳錨管，長(zhǎng)度均為3 m，每側(cè)各2根，并利用混凝土填充鋼拱架及棚架間的空隙，而后連接拱架落腳與水平縱向托梁，采用連接板螺栓作為連接材料，以此構(gòu)建正洞導(dǎo)坑段上臺(tái)階開挖臨界面。

圖3 導(dǎo)洞施工

2.3.5 掘進(jìn)作業(yè)與正洞初支封閉成環(huán)

支護(hù)好正洞后，需拆除棚洞小里程方向垂直布設(shè)的鋼架，再沿此方向繼續(xù)挖掘上導(dǎo)坑，開挖距離應(yīng)控制在1榀鋼架間距以下，邊挖邊做支護(hù)，而后完成斜井對(duì)應(yīng)正洞的上臺(tái)階支護(hù)作業(yè)。之后，沿左線大里程及小里程上臺(tái)階分別掘進(jìn)，小里程方向棚架拆除后，再進(jìn)行正洞初支及上部弧形導(dǎo)抗挖掘作業(yè)。掘進(jìn)15 m后，應(yīng)利用混凝土封閉掌子面，小里程方向挖掘停止。再按相同方法完成左側(cè)大里程方向挖掘。正洞落底后，采用分段施工方法開展仰拱初支成環(huán)作業(yè)，開挖長(zhǎng)度應(yīng)為3 m/次，邊挖邊填充混凝土，并搭設(shè)臨時(shí)棧橋，確保掌子面施工持續(xù)推進(jìn)。施工30 m長(zhǎng)度后，應(yīng)于大里程側(cè)完成襯砌臺(tái)車的組裝作業(yè)，針對(duì)交叉口兩側(cè)實(shí)施二次砌襯與封堵施工。左線大里程及小里程分別掘進(jìn)55 m后，在大里程作業(yè)面上搭設(shè)臺(tái)架，左線小里程累計(jì)挖掘105 m后，拼裝各類臺(tái)車。大里程掘進(jìn)達(dá)到150 m后掘進(jìn)停止，進(jìn)而實(shí)施仰拱棧橋拼裝架設(shè)作業(yè)。斜井與正洞交叉口處挑頂示意圖如圖4所示。

圖4 斜井與正洞交叉口處下臺(tái)階施工

3 軟弱圍巖大斷面隧道斜井進(jìn)正洞挑頂施工技術(shù)應(yīng)用的注意事項(xiàng)

管棚施工后，需要對(duì)管棚注漿加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)，符合要求后方可實(shí)施后續(xù)施工。挖掘挑頂時(shí)，需要做好掌子面圍巖及出水狀況監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)涌水現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)做好掌子面封閉，回填反壓涌水，再與各參建方共同協(xié)商處理措施。挑頂段施工時(shí)，需要做好監(jiān)控量測(cè)工作，應(yīng)密集布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并提升監(jiān)測(cè)頻次，發(fā)現(xiàn)異常情況后應(yīng)分析原因并實(shí)施支護(hù)強(qiáng)化。應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)初期支護(hù)施工質(zhì)量控制，確保封閉成環(huán)作業(yè)及時(shí)完成，進(jìn)而順暢、安全推進(jìn)挑頂施工。管棚作業(yè)及挑頂施工開始前，需要針對(duì)涌水突泥現(xiàn)象制定緊急應(yīng)對(duì)預(yù)案，在掌子面附近堆放數(shù)量充足的應(yīng)急物資并進(jìn)行演練，以便涌水后可快速、妥善處理，保障挑頂施工作業(yè)安全開展。

4 結(jié)語(yǔ)

軟弱圍巖大斷面隧道工程施工中，應(yīng)用斜井進(jìn)正洞挑頂施工技術(shù)，能夠取得較為理想的施工效果。經(jīng)本工程驗(yàn)證，此種方法施工難度低，施工過(guò)程相對(duì)安全，可有效減少斜井與正洞交叉口段隧道的沉降量。相較于傳統(tǒng)先抬高斜井再向正洞過(guò)渡的施工方法，此方法二次襯砌時(shí)所應(yīng)用的回填混凝土更少，利于節(jié)約施工成本。本工程施工中重點(diǎn)加強(qiáng)了圍巖量工作，在支護(hù)參數(shù)科學(xué)選擇的基礎(chǔ)上，安全、高效完成了本次挑頂施工，確保隧道工程在規(guī)定工期內(nèi)順利完成。