大断面黄土隧道三岔口区域前期变形分析及开挖优化

王 玥，史继尧

(中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009)

0 引言

近年来，我国客运专线铁路建设已进入高速发展时期，西北、西南、东北等偏远地区是建设重点，由于以上地区山岭较多，因此产生了很多长大隧道。对于长大隧道而言，利用斜井开辟工作面加快施工进度是经常采取的手段［1］，其中，斜井与正洞交叉的三岔口区域，位置结构特殊，应力分布复杂，是整个隧道的施工关键之一［2］。

近年来，对于斜井进入正洞的三岔口施工方面的研究，大量的文献均为技术总结性质，涉及有包家山隧道［3］、桃树坪隧道［4］、关角隧道［5］、西山隧道［6］、函谷关隧道［7］、新吉坪隧道［8］及马家山隧道［9］等。这些研究阐述了特定地质条件下，采用特定工法进行三岔口施工的技术方案，总结的规律较浅显。少量文献在三岔口施工前进行了不同的方案比选，涉及有渝利铁路大梁隧道［10］及山西中南部铁路通道干阳沟隧道［11］等。这些研究往往从安全、进度、经济性等方面进行对比分析，但在安全方面的分析，则没有量化的监测数据支持，也没有不同方案的实际效果对比，指导参考作用不强。

本文根据宝兰客专14标的古城岭隧道和兰山隧道的多个三岔口施工监测数据，对三岔口区域的变形特征进行分析总结。

1 工程概况

新建铁路宝鸡至兰州客运专线站前工程BLTJ－14标段位于甘肃省兰州市榆中县境内，起讫里程为DK1012+435.5 ～DK1028+332，全长 15.897 km。线路自花岔沟大桥兰州台引出，经古城岭隧道、大坪沟中桥以及兰山隧道后，在兰山隧道出口至本标段的终点DK1028+332。

本标段地处陇西黄土高原西北部，沿线地形起伏较大，位于黄土高原梁峁、沟壑区，地面高程1 704～1 897 m，区内黄土梁峁起伏，沟壑纵横，山坡上多为风积黄土覆盖，沟心多为第四系碎石类土层，局部第三系底层出露。

黄土梁峁区顶部为第四系上更新统风积砂质黄土，洞身主要为冲积砂质黄土及第三系泥岩夹砂岩及砾岩，局部为碎石类土。沟谷中分布有第四系全新统冲积黄土、洪积圆砾土和上更新统冲、洪积砂质黄土及粗圆砾土。

1.目前的纪录为300 千克。1931 年，世界重量级拳王麦克斯·贝尔在与对手俄尼·沙夫的对决中，挥出致命一拳。6 个月后，俄尼·沙夫因重伤身亡。

本标段不良地质主要为黄土陷穴，黄土陷穴主要分布于陡坎处。特殊岩土主要为湿陷性黄土、松软土及膨胀土，湿陷土层20～30 m;砂(黏)质黄土属松软土，层厚5～15 m。

本标段隧道工程有主隧道2座15 817.4 m，其中古城岭隧道10 364.6 m、兰山隧道5 452.8 m，共有斜井和横洞7座。

2 施工方法

2.1 隧道正洞施工方法

本标段隧道工程多为Ⅳ级和Ⅴ级围岩，隧道正洞主要采用三台阶七步法，根据地层土体强度的不同利用反铲挖机、铣挖机、弱爆破等方式进行土体开挖。

2.2 隧道三岔口施工工艺

斜井隧道进入正洞的三岔口挑顶施工，采用的是小导洞法，在双线大断面隧道具有良好的适用性和优异的安全性。具体为斜井进正洞前，首先在斜井浇筑不少于5 m的二次衬砌混凝土;然后采用小导洞(尺寸4.5 m×4.0 m(宽×高))沿正洞开挖轮廓线爬行开挖，形成上台阶操作平台;最后上台阶按设计图纸要求进行初期支护后，向兰州方向进行上台阶开挖至10 m长度后，再进行宝鸡方向上台阶开挖，开挖10 m后，进行中(下)台阶开挖，形成标准台阶长度后，进入正常工序开挖施工。具体施工步序见图1。

3 实例选取及开挖方法

随着宝兰客专工程的开展，已有5条斜井陆续进入正洞施工，依次为古城岭隧道2#和4#斜井、兰山隧道1#横洞、古城岭隧道1#和3#斜井，其工程地质情况和采用的开挖工法见表1。

4 监测数据分析

4.1 监测布点设置及数据选取

根据铁路隧道监控量测规范要求，隧道正洞监测断面间隔为5 m，每断面设置1个拱顶沉降监测点，3组周边收敛沉降测点(对应3个台阶，见图2)。本文选取了三岔口区域正洞隧道的3个监测断面，共计9个测值进行重点分析(3个拱顶沉降值，6个周边收敛值)。测点编号依次为:拱顶沉降——GD－L、GD－0、GD－B，收敛变形——SL－L－上、SL－L－中、SL－L－下、SL－B－上、SL－B－中、SL－B－下。

其中三岔口区域的斜井锁口处，已提前施作二次衬砌混凝土。根据本工程多条隧道的监测数据表明:斜井锁口处的监测数据变形很小，施作二次衬砌后，拱顶沉降和周边收敛的累计变化＜5 mm，变化速率＜0.5 mm/d，与三岔口正洞的开挖施工无明显的响应关系，故本文不作分析;斜井中轴线对应的正洞监测断面，由于施工繁忙和空间条件制约，难以得到理想的周边收敛数据，故本文未作采用。

监测数据自开挖暴露出布点位置开始，24 h内测得初值，终止于不可抗力因素，如:全断面停测于台车的拼装、防水板的铺设，中台阶有时停测于新延通风管的遮挡，下台阶有时停测于仰拱钢筋的绑扎。

4.2 监测数据分析

分析图3曲线得知，本工程区域黄土隧道三岔口部位的变形规律如下:

1)三岔口区域中心处的拱顶沉降累计变形值最大，且围岩级别越低，差异越明显。其开挖暴露最早，变形时间最长，符合开挖施工的时空效应规律，是评价三岔口区域施工安全的重要监测指标，见图4。

2)以三岔口区域中心处拱顶沉降为衡量指标，截至停测，在Ⅴ级围岩条件下，变形发展快，上、中台阶开挖阶段，累计变形占总比最大，超过70%;在Ⅳ级围岩条件下，变形发展慢，中、下台阶开挖阶段，累计变形占总比最大，约60%;综合可以判断，三岔口区域施工开挖中台阶部分，对隧道结构变形影响最大，累计变形占总比约50%。

3)三岔口区域附近一旦完成仰拱封闭成环，则该区域所有测点的变形速率很快趋于稳定，累计变形值几乎不会再发展。

4)围岩级别越低，三岔口区域变形风险越大。尽管Ⅳ级围岩容易开挖，施工连续性好，仰拱封闭早，但其变形发展速率很高，前期累计值很大，一旦因不可抗力(如雨雪阻断原料供应、机械故障、停电等)导致后续支护和仰拱施作有所延迟，将危及隧道结构安全。

本工程两例软弱围岩处三岔口施工变形值均大幅超过黄色预警值(设计黄色预警值为－60 mm)，说明传统的三岔口施工方法有优化改进的空间。

图1 三岔口小导洞法施工步序图(单位:cm)Fig.1 Construction sequence of junction section by pilot heading method(cm)

表1 三岔口实例概况Table 1 Summary of junction sections

图2 三岔口区域监测布点示意图Fig.2 Layout of monitoring points of junction section

5 施工建议及优化

5.1 三岔口区域施工不利因素

1)传统的七步三台阶开挖方法，三级台阶总长度为15 m，加挖土操作空间10 m，仰拱本身长度约5 m，所以仰拱远端距离掌子面大约30 m，这导致仰拱封闭成环时间较晚，本工程Ⅴ级围岩三岔口处仰拱封闭完成时间约25 d，Ⅳ级围岩三岔口处仰拱封闭完成时间约33 d。

2)原三岔口施工方案采用的是两头同时施工，工作面狭窄，且施工力量分散，施工速度慢，导致弱支护区域(未浇筑仰拱封闭成环)大范围长期暴露，变形长期发展。

5.2 三岔口区域开挖优化措施

考虑到施工工期、工艺复杂性、配套设施成本等因素，本文从工艺和方案2个方面分别提出如下优化建议:

1)工艺性。在三岔口区域局部优化台阶长度，优先缩短上、中台阶和仰拱距离，将仰拱远端与掌子面距离控制在25 m以内;

2)方案性。改两头施工为单头先后施工，便于在有限空间内集中力量，加快进度，达到提早一端首先封闭的目的;同时，还减少了开挖暴露面积，一端预留的土体起到反压土作用，能在一定程度上控制三岔口区域的变形。

图3 各斜井三岔口部位测点历时变形曲线Fig.3 Curves of time-dependent deformation of different junction sections

5.3 古城岭隧道3#斜井三岔口施工应用实例

在前文提到的4处三岔口施工完成后，古城岭隧道3#斜井开始进行三岔口施工，由于地层条件比较复杂，正洞底部为泥岩夹砂岩层，中上部为卵石土层，开挖时根据围岩情况交替采用钻爆法和反铲机械法，同时地层富水、渗漏严重，施工方决定加大质量管控力度，导致开挖速度缓慢，开挖约10 d才露出三岔口区域隧道正洞的上台阶部分，两侧小导洞还未延伸足尺。而与此同时，该隧道三岔口各测点变形一直呈线性快速发展，中心拱顶沉降累计值最大，沉降最快，约－3.5 mm/d，如按原施工进度，该区域完成第一组仰拱浇筑约需35 d，预计该处累计变形可能超过－100 mm。沉降对比见图5。

图4 三岔口区域变形示意图Fig.4 Sketch of deformation of junction section

图5 各三岔口中心拱顶历时沉降对比Fig.5 Curves of time-dependent crown settlement of different junction sections

基于对实测数据的分析和趋势判断，施工方经过讨论后，决定更改原开挖方案，采取前文列举的开挖优化建议，停止正洞宝鸡方向的开挖，在有限的工作空间里集中力量向兰州方向开挖施工，并对该局部的台阶长度和仰拱距离作了少量缩减，在不到3周的时间内便浇筑完成了兰州方向的第1组仰拱;由于三岔口区域有了这2处稳定的封闭成环点(斜井、正洞兰州方向)，使得后续宝鸡方向的开挖变形也得到了有效控制，降低了该处隧道的结构风险。

从图5中分析该三岔口区域的历时变形特征，可以得出该优化措施的2个优点:

1)在最为不利的地质条件下，较好的控制了变形，最大变形累计值为 －66.4 mm，小于古1#斜井(－77.4 mm)和古2#斜井(－85.1 mm)。

2)施工工艺和开挖方法比较简便、快速，从工期和成本来说，优于双侧壁导坑法。

6 结论与讨论

6.1 结论

大断面黄土隧道的三岔口施工是工程的重大安全风险控制点之一，本文总结分析了宝兰客专14标段的多个三岔口施工实例，总结隧道初期支护结构变形规律，具有较好的实践指导意义。

1)明确了三岔口区域施工安全的最重要监测指标，即三岔口区域中心处的拱顶沉降累计变形值，在本工程所有三岔口区域，该值为最大，且随施工过程响应变化十分清晰。

2)指出了三岔口区域施工的重点部位和阶段，即中台阶开挖，其对隧道结构变形影响最大，期间产生的变形约占总变形50%。

3)肯定了隧道初期支护结构的变形控制措施，即仰拱封闭成环，三岔口区域正洞部分一旦完成仰拱封闭成环，则该区域所有测点的变形速率明显趋缓，累计变形值几乎不会进一步发展。

同时依据此规律，对本工程古城岭隧道3#斜井三岔口施工作出了变形预判和开挖优化，改两头开挖为单头先后开挖，微调了台阶长度，较好地控制了变形，确保了隧道安全，具有良好的操作性和经济性。

6.2 存在的问题

1)监测数据不够全面，限于三岔口区域施工繁忙、空间狭小，所以中心区域未能测得收敛变形值，只能依据正洞部分的收敛变形推断该区域的边墙变形特征，同时没有分析底部隆起变形。

2)现场施工情况复杂，各因素干扰多，所得更偏于概括性结论，精确度不足。

6.3 进一步研究建议

1)在三岔口区域设置几个位移监测点和底部沉降，不但可以全面体现该区域的初期支护变形特征，还可以揭示其位移规律;

2)利用数值模拟软件进行三维模拟计算，可以排除大量干扰因素，更精确的研究开挖工艺和方法对变形的影响。

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