斜通道辅助竖井施工技术研究

雍 毅，李 俊，李 锴

(1．中交第一公路工程局厦门工程有限公司，厦门 361021;2．中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

0 引言

随着铁路跨越式发展，大规模铁路建设全面展开，据不完全统计，未来几年铁路隧道工程总长度将超过2 500 km，其中特长隧道要占隧道总长的的1/5［1］。在长隧道的修建中，采用合适的辅助坑道，可以改善施工条件，增加工作面，提高施工进度和缩短工期。常用的辅助坑道有横洞、平行导坑、斜井和竖井，根据隧道长度及其所处地形、地质及水文条件综合考虑，辅助坑道可以单个、多个或组合使用。全长20．05 km的乌鞘岭隧道，根据地质和工期等要求，设置了单竖井、长斜井、平导和横洞等多座辅助坑道［2］。文献［3-4］介绍了辅助坑道中单竖井的布置原则及方式，文献［5］结合施工因素进行比选和分析，采用了2单竖井+1斜井的优化方案。为减少单竖井施工周期，降低建井成本和考虑竖井施工安全，文献［6］提出了1座进碴、出料竖井，1座专用逃生副井和1座提供供风、供电等设施的组合竖井设计方案，但无论单竖井设计，还是在组合竖井设计中，由于竖井出碴、进料都需垂直提升，且只能从一个通道口出入，因此，势必造成进料与出碴不能同步进行，且施工交叉较多，不便于施工管理，严重影响到主隧道施工进度，也增加了主隧道开挖后不能及时进行支护的时间，从而影响到了主隧道施工安全。为解决这一难题，综合考虑隧道施工工期、成本和安全需要，以东莞至惠州轨道交通工程GZH-5标斜通道辅助竖井施工工程为例，首次提出了将竖井出碴与进料分离的方法，即增设一斜通道与主隧道斜交的方案以辅助竖井施工。该斜通道断面小，自身施工工期短，可辅助竖井输送钢筋和混凝土等材料，以期缓解竖井压力，也为主隧道施工进度和安全提供保障。

1 工程概况

东莞至惠州城际轨道交通工程GZH-5标段，线路起止里程为 GDK25+080～GDK33+022．303，工程地点位于东莞市寮步镇境内，正线长7．94 km，其中明挖段隧道长4．15 km，暗挖段隧道长3．79 km。GDK31+700施工竖井为该标段第4个施工竖井，该竖井暗挖隧道位于东莞市常平镇松山湖大道，东侧约250 m为工业北路。地形北高南低，地面高程22．74～26．8 m，南侧路面高程较低。隧道拱顶埋深约22．0 m，覆土主要有素填土、淤泥质粉质黏土、全—弱风化混合片麻岩层，洞身主要位于强—弱风化混合片麻岩层。沿线地下水主要为第四系地层中的孔隙水，埋深1．0～7．0m，在基岩中赋存有裂隙水，水量不大，一般略具承压性，埋深不等。GDK31+700施工竖井与暗挖隧道平面关系见图1。

图1 竖井与暗挖隧道平面布置图Fig．1 Plan relationship between vertical shaft and tunnel

2 施工方案优化

2．1 原有方案分析

单竖井出碴、进料需垂直提升，GDK31+700竖井与龙门吊提升布置见图2［7］。从图2可以看出，由于出碴与进料只能从一个通道口通过龙门吊提升，因此，造成进料与出碴不能同步进行，严重影响主隧道施工进度，主隧道掌子面开挖后，也不能及时进行支护，影响到了主隧道施工安全，施工成本较高，工效较低。

2．2 优化改进方案

根据现场已有施工条件，为满足现场施工需要，增设1条辅助竖井施工的斜通道，该斜通道为拱形直墙形。该斜通道位于GDK31+700竖井左侧，斜通道与左线主隧道横向中心线夹角为42．29°，斜通道长度为40．85 m，只用于输送混凝土、下放钢筋等材料。斜通道的支护采取C25模喷钢筋混凝土，为减少对围岩的影响，边开挖边及时施作支护。斜通道与竖井平面布置见图3，斜通道与左线主隧道横剖面见图4。

3 数值模拟分析及结果

采用MⅠDAS/GTS大型有限元分析软件进行斜通道施工阶段的三维动态模拟，围岩使用实体单元，主隧道的初支体和斜通道喷射混凝土采用板单元，数值模拟模型采用Mohr-Coulomb模型。

在进行斜通道施工前，现场左线主隧道已封闭成环60 m且回归分析已稳定，因此，主要分析该斜通道施工作用下，对斜通道自身和对左线主隧道初期支护结构的变形和受力情况的影响。

3．1 三维有限元模型

该斜通道与主隧道斜交，整体模型长度取60 m，宽度取60 m，高度取50 m，有限元分析模型见图5。

图5 有限元分析模型Fig．5 Finite element analysis model

3．2 计算参数

根据设计［8］资料和等效刚度原理，隧道初期支护的钢拱架和连接钢筋折算到隧道初期支护参数中。为安全考虑，斜通道支护采用C20喷射混凝土模拟(现场实际为C25模喷钢筋混凝土)，锚杆仅作为安全储备，不进行计算。岩土物理力学参数和支护结构参数见表1。

表1 计算参数Table 1 Calculation parameters

3．3 计算结果分析

1)位移结果。随着斜通道的开挖，地表下沉最大位移为17．5mm，斜通道最大下沉9．9mm，主隧道拱顶上抬4．3mm。岩体、斜通道及主隧道竖向位移见图6。

2)主隧道初期支护应力。在施工斜通道过程中，主隧道初期支护的拱部和斜通道与主隧道的连接口处主要承受压应力，压应力最大值为2．24 MPa。在斜通道未开挖前，拱脚承受拉应力最大值为1．79 MPa，随着斜通道开挖的进行，由于岩体的卸载作用，主隧道初期支护拱脚承受的拉压应力逐渐减少，斜通道开挖至最后阶段时，拱脚承受拉应力为1．58 MPa。施工第1阶段及最后阶段主隧道最大主应力见图7。

3)斜通道初期支护应力。在施工斜通道过程中，由于斜通道的开挖断面比较小，斜通道喷射混凝土拉应力与压应力值均较小，最大拉压应力值为0．36 MPa，小于 C20 喷射混凝土的抗拉强度 1．1 MPa［9］。斜通道最大主应力见图8。

通过有限元理论分析表明，由于斜通道施工时对土体的卸载作用，使得主隧道的拱顶有上抬趋势;在斜通道施工的过程中，斜通道支护拉、压应力都较小，主隧道支护拱脚承受的拉应力是一个逐渐减小的过程，在斜通道与主隧道的连接口处，产生的应力主要是压应力，数值也不大。因此，斜通道施工对自身及主隧道的影响较小，该方案理论上基本可行，但由于岩、土体本身的复杂性、非均质性，数值计算结果与实际情况不可避免地存在一定程度的差异，因此，需在施工过程中进行跟踪量测并及时反馈。

4 施工关键技术要点

1)为减少斜通道与主隧道施工的相互影响，待主隧道初期支护封闭成环一定距离(现场为60 m)且稳定后，再采取措施施作斜通道。

2)斜通道开挖土质及软岩段采用人工风镐挖孔，硬岩段采用光面爆破开挖，尽量减少围岩扰动，每开挖一段及时支护一段。

3)斜通道出碴方式采用人工装碴，使用卷扬机做提升设备，将斗车直接放在斜通道的轨道上，将碴拉出送到弃土点，为保证斜通道空气流通，在井口设1台轴式通风机，用直径500 mm的软管向斜通道内送风。

4)在斜通道进行爆破开挖时，为减小对主隧道的影响，应严格控制用药量和开挖进尺，并进行爆破振动监测，以确保主隧道初期支护结构安全。

5)斜通道施工完成后，在斜通道内可分区安装混凝土输入管及钢筋下料通道等，斜通道进料通道安装见图9。

图9 斜通道进料通道安装Fig．9 Material supply lines installed in access ramp

5 监控量测

5．1 监测项目

增加辅助通道后，为监测斜通道及主隧道结构的稳定，随时调整支护参数，使斜通道能安全顺利地建成，依据设计［8］和规范［10］制订了以下监控量测项目，详见表2。

5．2 监测数据反馈

1)该斜通道开挖支护完成后，监测结果［11］与计算结果对比详见表3。

2)为了监测主隧道受斜通道爆破时的振动效应，在左线主隧道初期支护上分别安装竖向传感器和水平传感器进行监测，通过监测发现，沿隧道水平方向最大振速为 5 mm/s，小于设计值 10 mm/s［12］的要求。爆破时振动分析见图10。

表2 监控量测项目Table 2 Monitoring items

表3 监测数据Table 3 Monitoring datamm

图10 爆破时振动分析Fig．10 Analysis on blasting vibration

通过数值模拟与监测比较，两者相差不大，变化规律基本一致，现场采用增设斜通道辅助竖井施工方案组织施工，斜通道及主隧道是安全可靠的，满足设计及规范要求。

6 经济效益分析

6．1 成本分析

按新方案增设一斜通道，完成该斜通道需要1个月左右，费用投入在8万元左右;而按新方案调整后，主隧道施工每月可提高进尺10 m左右，缩短工期约4．5个月，在该竖井暗挖隧道施工中，不考虑机械投入成本，每月仅人工费就达50万元左右，只计人工费就可节约225万元。因此，增设斜通道辅助竖井施工，经济效益明显。

6．2 环境影响

由于斜通道自身具有开挖断面小，占地小，易于布置，干扰因素少，有利于文明施工等优点，各种资源能较好地利用，能确保人员和附近构筑物的安全，对周围环境影响较小。

7 结论与讨论

1)计算和监测表明，随着隧道斜通道开挖施工，主隧道拱顶沉降观测有上抬趋势，主隧道收敛有向外侧收敛变化，这会抵消一部分原主隧道的净空变化(拱顶下沉和隧道向内收敛)数值，从控制主隧道净空变化的角度来看，不会影响到后续主隧道二次衬砌施工净空，而斜通道自身净空变化也比较小。

2)在斜通道施工过程中，斜通道支护自身应力比较小;由于土体的卸载作用，引起应力重分布，使得主隧道初期支护拱脚承受的拉压应力逐渐减小，在斜通道与主隧道的连接口处，产生的应力主要是压应力，且压应力数值不大。

3)为减少斜通道与主隧道施工的相互影响，待主隧道初期支护封闭成环一定距离且稳定后，再施作斜通道;在斜通道进行爆破开挖时，应严格控制用药量和开挖进尺，将爆破振动速率控制在允许范围内，从而减小斜通道施工对主隧道的影响，以确保主隧道安全。

4)斜通道与主隧道斜交的方案，有效地避免了竖井垂直提升出碴与进料施工交叉的问题，缓解了竖井施工压力，使主隧道施工进度提高了50%左右，大大降低了施工成本，经济效益明显。

5)现场增设斜通道辅助竖井施工，斜通道自身具有开挖断面小，占地小，易于布置，工程进度快，干扰因素少，有利于文明施工等优点，各种资源能较好地利用，能确保人员和附近构筑物的安全，产生了较好的社会效益和环境效益。

［1］王梦恕．中国隧道及地下工程修建技术［M］．北京:人民交通出版社，2011．

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