干阳沟隧道0号斜井挑顶方案比选和优化

柳福鑫

(中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071)

0 引言

山西中南部大能力铁路对外通道是西起瓦塘东至日照南站的新建货运专线，是一条“西煤东运”的能源运输动脉，也是我国东西向路网干线铁路之一，对我国国民经济发展具有重要的能源安全保障作用。干阳沟隧道位于临汾市浮山县境内，全长8 460 m，为单洞双线隧道，处于丘陵区，地面标高720 m～920 m，相对高差约200 m，依次通过第四系松散堆积层、上三系粉质黏土、第三系延长组砂岩夹泥岩、中统铜川组砂岩夹泥岩等地层，隧道正常涌水量46 m3/d～329 m3/d，围岩稳定性极差，成洞困难。今年2月5日划归晋中南铁路项目部时，全隧道仅完成17%的工程量，成为全线制约铺架的控制性工程，剩余施工任务量巨大、施工工期极度紧张，已经引起业主的高度重视，为顺利完成0号斜井施工任务，确保铺架工期，选定安全可控的挑顶施工方案具有举足轻重的意义。

1 工程概况

干阳沟隧道0号斜井位于线路前进方向右侧，与线路相交于DK363+125里程处，XODK0+000～XODK0+190段与平面交角为40°，斜井综合坡度为10.66%，斜井斜长191.16 m，与隧道采用斜交单联式，无轨运输单车道衬砌断面，XODK0+190～XODK0+ 275段为拉槽段，斜井全长范围内均为Ⅴ级围岩，承担正洞1 133 m施工任务。

0号斜井与正洞交接段为上第三系上新统粉质黏土，棕红色，土质均匀、结构紧密，含砂量较高，坚硬，斜井上台阶潮湿，下台阶有地下水渗出，局部垂直节理发育明显，掌子面稳定性较差，排水量达160 m3/d。

2 斜井挑顶正洞施工方案

结合黄土隧道施工特点和干阳沟隧道0号斜井围岩地质情况，共制定了3套斜井挑顶正洞施工方案。

2.1 换拱法施工方案

斜井施工至正洞右线边缘后，按斜井断面以曲线转体进入正洞，待斜井中心线与正洞中心线重合后(转角90°)，上坡开挖斜井断面直至斜井顶标高与正洞顶标高一致，并继续按正洞断面尺寸施作5 m～10 m上台阶初期支护，形成作业空间后反向按正洞尺寸扩挖临时支护，直至挑顶段施工完成。斜井进入正洞平面关系见图1。

2.1.1 施工步骤

1)施作曲线段异型钢架支护，完成斜井中线与正洞中线重合的过渡施工，此过程中斜井导洞断面标高保持不变;2)以20%的上坡坡度进行斜井断面挑顶施工，直至斜井顶标高与正洞顶标高一致，按照正洞断面尺寸继续施作5 m～10 m上台阶初期支护，为反向施工提供作业空间，反向施工前需封闭大里程掌子面;3)反向拆除斜井导洞初支支护，每次仅拆除1榀，按照设计断面施作正洞初期支护，断面扩挖施工时先进行右线加宽施工，再进行左线加宽施工，施工中需支立竖向临时支撑;4)反向扩挖施工至DK363+105里程时，喷射混凝土封闭掌子面，停止小里程上台阶施工，进行中下台阶施工，尽早使交叉口段初期支护封闭成环。

图1 斜井与正洞平面位置示意图

2.1.2 施工控制要点

1)斜井曲线转体进入正洞段，转体角度为90°，需提前计算、加工好各榀异型钢架;

2)斜井导洞爬坡角度根据转体段围岩情况及时调整，如围岩情况较好，为尽快到达正洞顶设计标高，在满足施工安全和机械作业的前提下，可适当提高爬坡角度，如围岩情况较差，则需适当降低爬坡高度;

3)反向拆除斜井导洞临时支护，施工正洞断面支护时应严格施工工序，先右线后左线，先拱顶后边墙，严禁掏底开挖;

4)各初期支护参数严格按照设计要求施作，特别是钢拱架严禁悬空，造成安全隐患;

5)应加强、加密挑顶段围岩监控量测频率，及时反馈量测信息，以便指导、调整支护参数，确保施工安全。

2.2 导洞法施工方案

在斜井与正洞交接处采用4 m×3 m(宽×高)小导洞向上挑顶施工。导洞顶标高比设计开挖轮廓线高27 cm，并预留15 cm沉降变形量，开挖过程中导洞高度固定不变，底标高根据正洞轮廓标高变化而变化，直至隧道横断面导洞施工完成。

2.2.1 施工步骤

1)进行斜井与正洞交接处加强环及龙门架施作，为保障施工安全，采用并排支立两榀龙门架的施工方案，单榀龙门架及加强环加工见图2;

2)斜井靠近正洞15 m长范围内填碴顺坡，即提供施工便道也起到反压支护作用;

3)进行小导洞挑顶施工，将正洞上断面拱形结构初期支护分为21个相互连接的节段，各节段水平投影长度0.6 m，施工时每次开挖一个节段，在节段前端安设临时导洞工字钢支撑门架，待第21个节段开挖完成后，整个临时导洞便已施工完成;

4)支立正洞Ⅰ20a型钢骨架，型钢骨架左侧支立在原状围岩上，右侧支立在斜井与正洞相交处的门架上，待正洞型钢骨架及喷射混凝土完成后;拆除临时支撑门架的立腿，进行正洞上台阶开挖施工，完成斜井到正洞的施工体系转换，转由拱形支撑承受全部荷载。

图2 龙门架及加强环加工示意图

2.2.2 施工控制要点

1)斜井与正洞交接处处于三维受力状态，正洞右侧初期支护坐落在龙门架上，龙门架必须焊接牢靠且坐落在原状围岩上，支立及接长龙门架施工时需提前预制混凝土垫块，防止开挖尺寸与龙门架尺寸不一致造成门架立腿悬空;

2)挑顶正洞施工前应完成斜井加强段初支成环和二次衬砌施工，为挑顶施工提供稳固的受力支撑;

3)做好挑顶正洞量测工作，挑顶小导洞顶标高必须高于设计开挖断面顶标高27 cm，并预留沉降变形量，严禁欠挖;

4)挑顶门架立腿采取现场加工焊接作业，隧道围岩节理发育，底部边缘处围岩存在坍塌可能，现场加工符合实际长度的立腿有利于开挖面及早封闭，相邻门架间应采用连接筋焊接成整体受力;

5)正洞初期支护应采取加强措施，拱脚两侧采用双排锁脚锚管固定钢架，紧贴钢架打设间距1.0 m×0.6 m(环向×纵向)的砂浆锚杆，减小拱部对门架的压力。

2.3 类CRD法施工方案

在交叉口处直接进行正洞挑顶开挖，开挖高度为设计高度加预留沉降量，开挖宽度为设计钢架间距宽度，为满足人员作业空间需求，开口处可依据实际情况适当加宽，施工顺序见图3。

图3 类CRD法施工正洞开挖示意图

2.3.1 施工步骤

1)进行交叉口处斜井挑顶正洞龙门架施工及顺坡碎石回填; 2)采用人工风镐法按照类CRD法开挖正洞，按顺序先开挖①部，①部正洞钢架采用异型钢架，右侧钢架直接搭接在斜井龙门架上，临时支护坐落在原状围岩上，进行混凝土喷射施工，临时支护处只需喷射约10 cm厚混凝土进行掌子面封闭，为降低②部开挖及出碴难度，可先进行3榀～5榀①部开挖施工;3)拆除①部临时支护混凝土，进行②部开挖并施作临时支护，依次进行③部开挖支护;4)向小里程方向进行上台阶开挖作业，开挖进尺宜超过门架边缘里程10 m，到达预定里程位置后封闭掌子面反向向大里程方向开挖上台阶至预定里程;5)上台阶施工完成后，及时进行④⑤⑥部中台阶开挖支护;6)循环施工，逐步完成斜井到正洞施工的空间和工序转换。

2.3.2 施工控制要点

1)单循环开挖进尺深度达4.2 m，需设置专职安全人员全程旁站挑顶开挖过程，如围岩情况较差，应及时采取应急措施封闭掌子面，降低开挖深度，增加临时支护频率;

2)开挖过程中应就近设置应急物资，特别是应急工字钢、切割作业设备及发电设备;

3)开挖过程中应及时通风，确保正洞开挖狭小空间内空气质量;

4)为降低正洞初支钢架对门架的压力，靠门架侧拱脚处需打设4根锁脚锚管，钢架需每间隔1 m打设定位系筋和砂浆锚杆;

5)拆除临时工字钢支护后需增加竖向木支撑，然后再进行下部作业。

3 施工方案比选

通过施工安全风险、施工难易度、作业周期和施工成本等多方面的比较(见表1)，发现换拱法施工方案安全系数最高但拆除工作量极大，在干阳沟隧道施工工期如此紧张的前提下，可取性不强。类CRD法施工方案安全系数较小，支立和拆除作业交叉进行，三岔口段施工时间较长，不可预见性风险较大，最终选定小导洞法施工方案作为干阳沟隧道0号斜井的挑顶施工方案。

表1 施工方案优缺点对比

4 结语

按照小导洞法进行的干阳沟隧道0号斜井挑顶正洞施工效果良好，仅用时8 d就实现了斜井施工向正洞施工的空间和工序转换，用时12 d实现人工作业向机械作业的转换，共计用时28 d完成交叉段30 m上中台阶初期支护施工，达到了预期的效果，得到了业主的认可，为黄土隧道挑顶施工积累了施工经验，具有一定的借鉴意义。

［1］ 康 军.黄土公路隧道设计与施工技术研究［D］.西安：长安大学博士学位论文，2006.

［2］ 贺廷西，苏万军.石太铁路客运专线大断面黄土隧道施工技术［J］.铁道标准设计，2007(4)：21-24.

［3］ 周建富.软弱围岩隧道施工技术［D］.成都：西南交通大学，2005.

［4］ 史海勇.交口隧道3号横洞挑顶方案和施工方法［J］.山西建筑，2009，35(8)：323-324.