软弱围岩大断面隧道斜井进正洞挑顶施工技术

赵生彬，辛军响

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

1 工程概况

乔家山隧道位于山西省灵石县及霍州交界处，为新建铁路大同至西安客运专线铁路重点隧道工程，也是该铁路高风险隧道之一，隧道全长6 510 m，为单洞双线，线间距5 m，围岩为Ⅴ级，共有3座斜井，其中3号斜井与正洞左中线交角51°，平距210 m，交点里程为DIK440+700，交点处井底高程为991.195 m，洞门2+10处井底高程为1 001.195 m。为安全进洞，经方案对比后，按最佳正交进正洞方案施工，在洞内0+00到0+25处设置会车道(会车道纵坡+3%)，0+25 m到0+92.26(相当于原设计里程1+23.99 m)处按9.76%坡度，与正洞初支边正交里程为 DIK440+755.225。斜井0+79.25至0+38.68为曲线段，圆曲线半径60 m。3号斜井进正洞正交平面见图1。

图1 斜井进正洞正交平面(单位:m)

2 总体施工方案

斜井小曲线过渡到与正洞线路走向成90°夹角后平坡开挖至正洞左侧边墙位置。在斜井XK0+000处设置加强环并对交叉口处斜井施做25 m二次衬砌。

在斜井XK0+000处掌子面垂直正洞线路走向采用2.4 m宽变高度异形导洞，按1∶2.3的坡度进行正洞洞身开挖，导洞拱顶高程超出正洞设计开挖线40 cm，过正洞中轴线后，再向正洞中轴线右侧平坡开挖5 m。在导洞内架立型钢钢架、挂网喷锚形成整体加强联合支护，以确保导洞开挖的安全。

导洞施工完毕后，在导洞钢架内侧施做套拱(套拱的左侧落脚于斜井加强段门型钢架的横梁上，右侧设扩大脚与锁脚锚管加固)，然后分别向正洞西安端与大同端延伸套拱，各延伸3.6 m，以确保斜井与正洞的交叉口范围内均有套拱保护。在套拱施工过程中需拆除小导洞边墙上的临时支护。

套拱施工完毕后，在套拱的保护下按正洞设计断面进行开挖和初期支护，尽早将正洞初期支护封闭成环，保证正洞挑顶段施工安全。

3 施工方法及步骤

3.1 设置斜井加强环

斜井小曲线过渡到与正洞线路走向成90°夹角后平坡开挖至正洞左侧边墙位置。在斜井与正洞相交处斜井初期支护外侧，增设紧密排列的3榀I32a门型钢架，门型钢架横梁牢固焊接于斜井钢拱架顶部。喷射与斜井初期支护同等级混凝土与斜井初期支护联为一体，形成斜井加强环。加强环门架底脚处采取扩大拱脚，每侧增设φ42 mm锁脚锚管6根(L=3.5 m)，为施做正洞初期支护提供安全保证;同时避免下步正洞跨越斜井时，因应力集中导致斜井交叉口处支护及衬砌变形开裂，为交叉口段正洞扩挖施工提供安全保障。

斜井挑顶进正洞侧面详见图2。

图2 斜井挑顶进正洞侧面(单位:cm)

考虑交叉口段正洞套拱拱架落脚稳固性，故以斜井加强环门架横梁作为落脚平台，并在第二榀横梁上预先焊接I25a钢桩头，以便使套拱钢架左侧底脚与斜井门型钢架牢固焊连。

3.2 施做交叉口处斜井二衬

考虑到交叉口处正洞初期支护对斜井存在纵向推力，在进行下一步施工前先对交叉口段斜井施做25 m长的二衬，以确保斜井安全。

斜井交叉口段25 m范围内初期支护闭合成环;二次衬砌采用C30钢筋混凝土，厚40 cm;仰拱填充C20混凝土。

3.3 施做挑顶小导洞

斜井交叉口段二衬施工完毕以后在斜井掌子面顶部位置采用2.4 m宽变高度异形导洞按1∶2.3的坡度进行正洞洞身开挖。由于作业空间有限，导洞采用全人工开挖，手推车出砟。导洞拱顶高程超出正洞设计开挖线40 cm，过正洞中轴线后，再向正洞中轴线右侧平坡开挖5 m，导洞临时支护及时跟进。临时支护为架立型钢钢架、挂网喷锚联合支护，以确保导洞开挖的安全。

导洞底部抬高坡度1∶2.3是根据交叉口处斜井与正洞设计拱顶高差确定。进入正洞洞身范围后，导洞拱顶高程超出正洞设计开挖线40 cm是为了预留导洞临时支护与套拱的空间。

在拱顶抬高过程中，导洞上方采取φ42 mm小导管超前支护(L=3.5 m@30 cm)，防止开挖中上部土体掉块坍塌;施工中按60 cm/榀施做导洞钢架，导洞钢架采用I20a型钢形成封闭结构(棚洞拱架图见图3)，必要时导洞钢架横梁两端可加设临时竖向木(钢)支撑。导洞临时支护参数:边墙、顶部设φ8 mm@20 cm×20 cm网片;边墙设φ22 mm系统锚杆L=3 m@1 m×1 m，梅花形布置;边墙、顶部、底部均喷射C25混凝土20 cm;边墙底脚设2根φ42 mm，L=3.5 m锁脚锚管。

施工中，导洞临时支护体系中的顶部钢架横梁位于正洞初期支护外，后期施做套拱和进行正洞初期支护时不再取出。

图3 棚洞拱架(单位:cm)

3.4 施做套拱

套拱为小导洞临时支护与正洞初期支护之间的一层加强支护。支护参数为:I32a钢架，间距60 cm;φ42 mm钢架连接钢管间距1 m;C25喷射混凝土，厚度20 cm。套拱左侧落脚于斜井加强段门型钢架的横梁上;右侧设置扩大脚，并在每榀钢架右侧落腿处加设φ42 mm锁脚锚管(L=3.5 m)6根，并在钢架底部下垫槽钢。套拱设置见斜井挑顶进正洞立面见图4。

图4 斜井挑顶进正洞立面

施工方法:导洞施工完毕后，由人工继续向线路右侧开挖、修凿套拱扩大脚轮廓。在导洞临时支护内侧一次性安装套拱钢架4榀，喷C25混凝土厚20 cm。拆除大同端小导洞临时支护边墙，向大同方向人工开挖，继续施做套拱，1开挖循环施做1榀钢架，继续施做3榀。再掉头拆除西安端小导洞临时支护边墙，同样施做3榀。以保证整个交叉口范围内均有套拱保护为准。

3.5 正洞初期支护施工

套拱施工完毕以后，在套拱内侧按正洞初期支护参数进行正洞初期支护施工。正洞钢架左侧同样落脚于斜井加强环门形钢架的横梁上。

套拱范围内正洞初期支护施做完毕后按弧形导坑法先向西安端人工开挖正洞上导坑，待形成足够大的工作面后改为人工配合机械开挖，逐渐达到2个掌子面上、中、下3个部位同时作业的能力。

套拱范围内正洞仰拱钢架左侧要牢固焊接在斜井加强环门形钢架的底撑上，确保该范围内正洞钢架闭合成环。

4 加强围岩量测，确保施工安全

现场监控量测是隧道施工管理的重要组成部分，不仅能指导施工，预报险情，确保安全，而且通过现场监测获得围岩动态信息(数据)，为修正和确定初期支护参数，混凝土衬砌支护时间提供信息依据，为完善隧道工程设计与指导施工提供可靠的足够的数据。

4.1 周边水平收敛位移量测

采用收敛仪量测，沿隧道周边左右对称布置，各项位移的测点应在分部开挖后即在导坑内布置，分部开挖完后按全断面布置测点。量测断面5 m 1个，每个断面设6个点。

4.2 拱顶下沉及底部上鼓量测

在拱顶设测点埋固定桩，其设置在开挖或第一次混凝土浇筑完成后迅速完成，采用水准仪、水准尺测量。拱顶和隧底各设1测点，5 m设1组。

4.3 水平收敛变形管理

挑顶施工斜井与正洞交叉处围岩应在应力重分布和应力释放的过程中，会引起支护结构产生位移、变形，甚至破坏支护结构，危及隧道安全。因此在施工中建立严密的监控量测是保证安全的主要手段，同时也是调整支护参数的信息来源。根据有关设计规范和类似工程的经验，监控量测水平收敛变形管理等级见表1。

表1 变形管理等级

4.4 围岩量测结果

在+755处、+750处、+745处埋点，观测数据如表2。

经过2个月的观测，变形管理等级为Ⅲ级，可正常施工。

5 结语

施工实践证明，该方法对大断面软弱围岩隧道斜井进正洞挑顶施工有较好的效果。其主要优点是:施工难度小，保证了施工安全，交叉口段隧道的沉降量得到了较好的控制。与传统的由抬高斜井拱顶过渡到正洞的施工方法相比，可减少斜井二次衬砌混凝土的回填量。施工中应加强围岩量测，并严格按照“短进尺、强支护、早封闭、勤量测、早成环、仰拱紧跟”的原则，合理选择支护参数，以确保优质高效的完成挑顶。

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