三联隧道软弱围岩条件下横洞与正洞交岔段施工技术

胡春停，刘艳仓

(中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009)

0 引言

目前国内特长隧道施工大多采用长隧短打的方式，特别是在地质条件较差的山岭地区，往往设计较多的斜井或平导，甚至施工过程中增设迂回平导以增加工作面，提高施工效率。小断面横通道向大断面正洞的转换往往成为安全隐患的集中点和制约施工效率的关键点。为缓解三联隧道的工期压力，确保贵昆铁路增建二线工程按期实现通车，三联隧道2#斜井段增设洞内迂回平导，增加工作面，加快施工进度。文献［1］重点介绍了燕尾段由单线端挑顶反向施工技术;文献［2］介绍了由于隧道洞口位于特殊地理位置，采取斜井进正洞挑顶施工的方法及要点;文献［3］阐述了在特殊条件下斜井进正洞的施工工艺;文献［4］主要说明黄土隧道CRD开挖挑顶施工，挑顶过程工序繁多，特别是出碴工序极为困难，无法在确保安全的前提下实现快速施工;文献［5］主要介绍在围岩条件较好的情况下，斜井进入正洞井底车场的施工;文献［6］介绍了大断面斜井以较大角度进入正洞挑顶施工;文献［7］主要对CRD法和上挑洞法进行分析比较;文献［8］主要说明斜井井底段的设计、施工方案的优化，采用棚架法挑顶施工技术，确保挑顶的施工安全;文献［9］通过分析比较斜井与三车道大跨度泥灰岩隧道交岔口的3种具体施工方案，探讨最优方案;文献［10］重点阐述了膨胀土隧道横洞进正洞挑顶技术的坑道验算、施工工艺及施工要点。可以看到，以上文献主要针对岩性较好、黄土以及膨胀土隧道顶挑进行研究，工法也较成熟，而对岩体较为破碎的软弱围岩研究较少，且传统的工法挑顶效率较低，安全隐患较大，施工成本较高。本文侧重介绍三联隧道在软弱围岩条件下，由小断面进入大断面洞室施工，经过不断地改进施工工法和优化施工工艺，实现了横通道与正洞交岔段的安全、经济和快速施工。

1 工程概况

三联隧道位于云南省宣威市境内，新背开柱车站出站端，为双线隧道，进口里程DK300+387，出口里程D1K312+601，全长12214m，设计行车速度160km/h，净空限界并满足通行双层集装箱要求。三联隧道是改建铁路贵昆线六盘水—沾益段全线最长、地质结构最复杂的控制性工程。由于三联隧道1#斜井段穿越煤系地层及凝灰岩大变形地段，工期严重滞后，为实现按期贯通，于2#斜井段D1K309+340线右侧增设1900m迂回平导和100 m通风竖井各1座，迂回平导与正洞间设置横通道5座。区段内岩性为砂岩夹泥岩、页岩，紫红色，薄层状，节理裂隙发育，裂隙面泥化现象严重，水平岩层，层间结合力差，岩性较软，掌子面含少许裂隙水，拱顶极易发生掉块，围岩自稳性较差。迂回平导及横通道位置关系如图1所示。

图1 迂回平导及横通道位置关系图Fig.1 Relationship between bypass gallery and horizontal adits

2 设计参数

2.1 正洞设计参数

三联隧道正洞Ⅴ级围岩设置拱墙I18工字钢架和拱部φ42小导管超前支护，钢架纵向间距0.8 m，小导管1.6m/环，每环38 根，每根长3.5m，环向间距40cm;设置拱部φ25中空锚杆和边墙φ22砂浆锚杆系统支护，锚杆间距0.8m ×1.0 m(环 × 纵)，每根长3.5m;拱墙 φ8网片和C25喷射混凝土支护，网格间距25 cm×25 cm，喷射混凝土厚25 cm;全环50 cm厚C30钢筋混凝土二次复合衬砌。正洞横断面图如图2所示。

图2 正洞横断面图Fig.2 Cross-section of main tunnel

2.2 横通道设计参数

横通道设置拱墙φ22砂浆锚杆系统支护，锚杆间距1.2 m ×1.2 m(环 × 纵)，每根长2.5 m;拱部 φ8 网片支护，网格间距25 cm×25 cm，拱墙喷射12 cm厚混凝土;拱墙25 cm厚C25混凝土二次复合衬砌。横通道横断面图如图3所示。

图3 横通道横断面图(单位:cm)Fig.3 Cross-section of horizontal adit(cm)

3 横洞与正洞交岔段施工

3.1 总体方案

在横通道即将进入正洞挑顶前，调整施工方向，使横通道到达正洞边线时垂直于正洞中线方向施工;在距离正洞边线9.3 m处开始转向施工，横通道转向的同时，拱顶以一定角度上挑施工，减小横通道拱顶与正洞拱顶的高差;横通道渐变段应加强支护，正洞挑顶前横通道支护封闭成环;挑顶以垂直于正洞中线的小导洞，并沿正洞拱顶开挖轮廓线开挖一个导洞，相当于正洞上台阶，然后分别向大里程和小里程施工，扩大作业空间，继而施工中台阶、下台阶及仰拱，实现从横通道到正洞施工的快速转换。

3.2 横通道段挑顶前施工

3.2.1 横通道钢架施工

横通道洞身与正线贵阳方向夹角为40°，由于横通道与正洞为非正交关系，故横通道开挖至临近正洞边线时，型钢钢架的立设采用由正交变为斜交。以中心间距0.8 m安装异型钢架，钢架由垂直于横通道中线逐渐变为平行于正洞中线。具体施工方法为:拱墙设型钢钢架，拱部中心位置间距80 cm，在横通道右侧边墙的钢架间距取50cm，则左侧边墙的钢架间距相应为110 cm;每榀/次钢架转向约4°，11榀共完成了约40°转向，最后2榀钢架与正洞中线平行，且最后一榀距正洞边线50 cm。如图4所示。

图4 横通道段支护示意图(单位:cm)Fig.4 Sketch of support of horizontal adit section(cm)

3.2.2 横通道上挑施工

横通道离正洞开挖边线9.3m时，拱顶逐渐抬高，每榀拱架上挑15 cm，直至最后一榀拱架累计抬高165 cm。横通道与正洞相接处设2榀门型钢架，为正洞上台阶初期支护拱架提供落脚及作业空间。2榀门型拱架的高度与异型拱架最后一榀拱顶标高一致，如图5所示。

图5 横通道上挑及加强支护示意图(单位:cm)Fig.5 Roof ripping and support strengthening of horizontal adit(cm)

3.2.3 横洞口加强支护

横通道靠近正洞段(喇叭口)受力结构极为复杂，特别是横通道与正洞的锐角一侧，受力极为薄弱，极易出现变形、开裂甚至坍塌，而门型钢架不仅是横洞本身的加强支护，同时也作为该区段正洞上台阶拱架的承重基础，受力相对集中，因此应对横通道洞口段进行加强支护。

因原设计横通道为拱墙锚喷支护，为确保施工安全，横通道渐变段设置全环I18工字钢架和拱部φ42小导管加强支护。工字钢中线纵向间距0.8 m，每榀钢架设置8根锁脚导管，每根长4m，小导管1.6m/环，每环20根，每根长3.0 m，环向间距30 cm;拱墙设置φ22砂浆锚杆和φ8网片支护，锚杆间距1.0 m×0.8 m(环 ×纵)，每根长2.5 m，网格间距25 cm ×25 cm;全环喷射23 cm厚C25混凝土;门型钢架采用2榀H175型钢焊接联合支护，根据监控量测确定是否在门型钢架下设置I18工字钢套拱，套拱与门型钢架间隙采用I18工字钢支撑，间距50 cm;门型钢架施工完成后横通道底板一次性浇筑混凝土至正洞边线，确保在挑顶之前横通道支护封闭成环。

3.3 正洞横导洞上挑施工

垂直导洞挑顶采用垂直于正洞中线的小导洞进入正洞上台阶施工，为便于挖机出碴作业，导洞宽度为5 m，挑顶段高度不低于3.5 m。利用导洞洞碴将横通道喇叭口段回填成不大于20°的坡道，为导洞施工提供作业平台。导洞顶支护钢架位于正洞初期支护外，沿正洞初期支护外轮廓线布置，同时预留20 cm变形量，脚趾落在基岩上。

导洞拱架采用I16工字钢，间距0.8m，顶部设置高约25cm的弧拱，改变平拱的受力结构，每榀拱架设置8根锁脚导管，每根长3 m;拱部设置φ42小导管超前支护，1.6m/环，每环15根，每根长3 m;设置拱墙φ8网片和C25喷射混凝土临时支护，网格间距25 cm×25 cm，喷射18 cm厚混凝土。导洞挑顶及支护如图6和图7所示。

3.4 正洞交岔段施工

3.4.1 正洞施工

导洞施工完成后，形成正洞上台阶作业空间，即可进行正洞上台阶初期支护施工。上台阶拱架一端脚趾坐落在H175门型钢架横梁上，另一端坐落在上台阶基岩上，注意脚趾必须垫槽钢。上台阶导洞段拱架一次架设完成，然后进行挂网、系统锚杆和喷射混凝土作业，靠近大里程、小里程掌子面按设计施作超前支护。导洞段上台阶初期支护完成后先拆除大里程导洞边墙拱架，开始向大里程施工正洞上台阶，上台阶完成5 m后即可拉槽施工中台阶，中台阶施工约30 m后，封闭大里程上台阶、中台阶掌子面，继而转向小里程施工，一定距离后即可展开下台阶及仰拱施工，尽早封闭成环，至此，横洞与正洞交岔段开挖支护基本完成。正洞展开工作面如图8和图9所示。

3.4.2 支护参数

挑顶段正洞40 m范围内采取加强支护，拱架间距由80 cm调整为60 cm，喷射混凝土由23 cm调整为25 cm，其余初期支护参数不变。为避免初期支护变形造成侵占二次衬砌净空，预留变形量由13 cm调整为20 cm。

3.5 资源配置和施工组织

为提高施工效率，在节约成本的基础上，资源配置应满足高强度和满负荷运转需要。由于门型钢架单根拱架较重，特别是横梁吊装较为困难，门型钢架施工采用挖机配合人工架设。挑顶期间开挖、拱架支护及喷混凝土均按2班人员配置，湿喷机3台，其中1台备用。作业平台采用临时拼装台架，出碴先用挖机将洞碴翻至横通道内，采用1台ITC312SL挖装机配合7台铁马自卸汽车出碴，同时掌子面进行临时作业台架的拼装和拱架支护作业，出碴作业不占用循环时间。

4 施工效果

三联隧道迂回平导进入正洞共完成3次横洞与正洞交岔段施工，在不断积累经验、逐步优化的基础上取得了良好效果。第1个交岔段由于是第1次采用此挑顶工法，施工经验不足，虽经过反复研讨，仍然出现了难以预料的情况(如垂直导洞开口位置不合理、导洞顶部平拱受力不均匀等)，致使转换时间长达16 d;第2个交岔段施工调整了部分支护参数，如将H175门型钢架由3榀减少为2榀，门型钢架套拱暂缓施工等，提高了施工效率，此段施工共用了14 d;第3个交岔段施工取得了较大突破，从施工经验到管理模式以及激励措施等，都有效地确保了施工生产，仅用7 d就完成了三岔段施工，实现了小断面横洞到大断面正洞的快速转换。

5 结论与体会

1)由于横通道拱架脚趾比正洞拱架脚趾标高高65 cm，为避免正洞下台阶开挖时门型钢架立柱悬空，门型钢架立柱脚趾标高必须保证和正洞下台阶门型钢架一致，且横通道底板混凝土必须将门型钢架立柱脚趾封闭。

2)门型钢架方形断面开挖时，尽量保证一次到位，宁超勿欠，避免反复钻爆作业，危及施工安全。

3)导洞开口位置要充分考虑到挖机操作角度和旋转半径，以距离锐角边1 m左右的位置最为方便，尽量避免靠近左侧。

4)导洞临时支护拱架设置成弧拱，拱高以30 cm为宜，虽然平拱可以减少不必要的超挖，但受力极为不利。三联隧道14#横通道进正洞挑顶，平拱喷射混凝土后出现顶部弯曲下沉，最后导致拱架严重变形，经分析为I16工字钢刚度不足以承受围岩压力，随后将已加工成型的平拱调整为弧拱，问题得以彻底解决。

5)对于围岩较好地段，导洞网片及喷射混凝土仅可以支护拱部，但对于围岩较差地段，特别是软弱围岩地段，必须拱墙支护，避免围岩长时间暴露，出现塌落。

三联隧道在迂回平导进入正洞14#横通道采用垂直于正洞中线的小导洞上挑施工的方法，通过总结施工经验，优化施工工序和施工细节，在13#横通道进正洞的挑顶施工取得了极大的成功，仅用7 d就全部展开正洞工作面施工，比传统挑顶工法有很大的安全和效率优势，为软弱围岩的快速施工创造了必要条件。目前在门型钢架横梁架设和挑顶横导洞第1榀、第2榀拱架架设方面尚存在一定的施工难度和安全风险，如果能再取得一定的改进，既可降低安全风险，又能节约1 d的挑顶时间，今后将在此方面做进一步研究，希望能有新的突破。

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