破碎围岩曲面门架弧形导坑垂直挑顶技术研究

摘要：为解决极软弱破碎围岩辅助坑道进正洞挑顶安全风险大的问题，以张吉怀高铁邓家坡隧道1#横洞进正洞交叉口为研究背景，对施工技术进行了创新，提出了新型门架挑顶技术。阐述弧形导坑垂直挑顶技术原理，并对实施方案进行详细地分解研究。经过现场实施效果分析，证明了曲面门架弧形导坑垂直挑顶技术安全可靠、效果显著，同时对类似围岩的大跨度地下工程及其他交通通道等亦有参考价值，适合推广应用。

关键词：破碎围岩；曲面门架；挑顶技术；弧形导坑；辅助坑道；三台阶

0 " 引言

在高铁施工过程中常常会遇到各类的不良地质条件，给高铁隧道的施工带来较大的挑战[1-2]。极软弱破碎围岩在隧道施工中较为常见，其对长大隧道的施工影响较大，尤其工序转换中的挑顶工作风险较大[3]。目前针对辅助坑道进正洞挑顶技术的研究较多，长沙理工大学胡浩[4]针对软岩隧道研究了异形门式挑顶技术；河南理工大学董腾飞[5]进行了大断面隧道三岔口段施工方案优化及围岩变形规律研究；闫志刚[6]探索研究了极软弱破碎围岩门式系统挑顶技术；张卫锋[7]针对水平泥岩地层研究了大跨高铁隧道挑顶施工关键技术；申慧涛[8]研究开发了砂质地层斜井进正洞施工技术。

传统挑顶施工中，常采用直立门架挑顶，正洞初支拱架与直立门架顺直相连，正洞初支拱架会受到上部围岩较大的剪切应力，并产生较大弯矩。同时直立门架与正洞拱架形成超挖大，当二次衬砌加固时，超挖处易造成二次衬砌受到较大的偏压荷载，风险较大，因此急需改善挑顶技术[9-10]。

为解决极软弱破碎围岩辅助坑道进正洞挑顶安全风险大的问题，本文以张吉怀高铁邓家坡隧道1#横洞进正洞交叉口为研究背景，对施工技术进行了创新，提出了新型门架挑顶技术。阐述弧形导坑垂直挑顶技术原理，并对实施方案进行详细地分解研究。

1 " 工程概况

张吉怀高铁邓家坡隧道全长5.71km，其1#横洞与正洞交叉口处隧道埋深为171m，交叉口段辅助横坑道围岩级别为Ⅴ级围岩，正洞围岩级别为ⅣB级围岩。隧道交叉口位于张家界、古丈和吉首的断裂带内，岩体较破碎，围岩主要以页岩、含粉砂质页岩为主，地下水主要以裂隙水为主。若采取传统的挑顶施工，交叉口处超挖约为1.5m左右，衬砌混凝土自重很大，且传统挑顶上导门架过于平缓，受力较差。

2 " 弧形导坑垂直挑顶技术分析

2.1 " 施工工艺流程

针对传统挑顶施工中存在问题，本文进行了技术创新，利用弧形导坑垂直挑顶技术进行施工。当辅助坑道施工至正洞时，对辅助坑道初期支护拱架进行加强，通过将拱架间连接筋改为工字钢连接实现。

当施工至正洞时，安装交叉口曲面门架及横梁，并与辅助坑道拱架连为一体。沿正洞上台阶开挖轮廓线开挖一个垂直于线路方向的弧形导坑，人工搭设简易钻爆作业平台钻爆，在梯形拱架挂网喷射混凝土，形成初期支护。在导洞拱架支撑作用保护下进行正洞初支拱架的施工，两侧交替开挖支护，逐渐开挖支护至正洞作业面。弧形导坑垂直挑顶技术施工工艺流程图如图1所示。

曲面门架挑顶施工充分发挥了围岩自身承载力，减轻了支护体系受力，同时避免二次衬砌所受偏压荷载过大。门架与辅助坑道拱架采用型钢整体焊接，可以将曲面门架的推应力传递给辅助坑道拱架，减少横向形变。

2.2 " 具体实施方案

2.2.1 " 施工准备

根据挑顶施工特点，编制挑顶施工方案和作业指导书，以及制定施工安全保证措施和应急预案。对施工人员进行技术交底，并进行上岗前技术培训。测量工作要根据技术交底进行现场放样。

2.2.2 " 辅助坑道开挖支护

1#横洞开挖采用三台阶法，依据横洞及正洞轨面高程差调整横洞开挖坡度，及时施工初期支护，预留充足变形余量，保证衬砌厚度。

2.2.3 " 交叉口段支护加强

交叉段受力复杂，容易应力集中，开挖应做到强支护、早封闭、勤测量。横洞与正洞交叉最后10m的拱架需加强，钢架连接件采用相同型号的型钢，焊接牢固，保证拱架整体刚度。交叉口导洞挑顶施工纵断面示意图如图2所示。

2.2.4 " 挑顶曲面门架安装

当横洞开挖至正洞时，安装正洞挑顶曲面门架，门架为I22a型钢双层并排焊接门架，与横洞拱架焊接成整体。在曲面门架横梁下方，根据辅助坑道轮廓焊接圆形支撑横梁拱架。门架所有连接均采用连接板栓接，栓节后再进行焊接加强。曲面门架示意简图如图3所示。

2.2.5 " 弧形导坑开挖、支护

曲面门架安设完成后，沿正洞上台阶开挖轮廓线，开挖一个垂直于线路方向的弧形导坑。弧形导坑采用人工搭设简易钻爆作业平台钻爆，在梯形门架挂网并喷射混凝土进行初期支护。梯形门架上宽为4.8m，下宽为8.0m，采用I16型钢拱架，导洞为1.0m/榀。

2.2.6 " 正洞初支拱架安装

弧形导洞、辅助坑道交叉口处仰拱及衬砌施工完成后，根据设计参数进行导坑内正洞初支拱架安装。钢架一端拱脚坐落于正洞上台阶围岩上，确保拱脚下垫槽钢拱脚落到实处，另一端拱脚坐落于曲面门架横梁上，并采用连接板栓接，采用三面焊接加强，及时进行初期支护。

2.2.7 " 拆除弧形导坑支腿

正洞初支拱架安装完成后，将一侧的拱架支腿拆除，沿大里程或小里程方向开挖上台阶，并按设计支护参数及时进行初期支护。待满足中、下台阶开挖距离后，停止掘进，并封闭掌子面。根据以上流程，切割另一侧拱架支腿，并进行上台阶掌子面开挖支护。

2.2.8 " 正洞上、中、下三台阶施工

正洞挑顶范围内初期支护采取“宁强勿弱、宁补勿拆”加强措施，确保拱架体系主动防护围岩。施工过程中留有足够的预留变形量，同时注意台阶长度，每个台阶每次开挖长度不宜过长。根据开挖工法，向正洞大、小里程交替进行上、中、下台阶开挖支护，逐步过渡到正洞正常施工。

2.2.9 " 交叉口正洞仰拱、衬砌施工

三台阶施工到达一定距离后，施工空间满足正洞仰拱施工时，对交叉口处仰拱初支、仰拱及仰拱进行填充。

2.3 " 施工质量管控要点

一是钢架底脚应置于牢固的基础上，否则应设置钢垫板，并确保钢架安装间距误差±100mm，高程误差±50mm，垂直度±2°。二是洞身要严格按三台阶法标准进行开挖支护，每台阶不超过5m。严格按“短进尺、强支护、快闭合、紧衬砌”的施工原则进行，保证初次支护和二衬的厚度。三是加强监控测量工作，根据围岩稳定性和检测结果，及时调整开挖方法，循环进尺和支护参数。四是开挖时要采取控制爆破或弱爆破，防止对已形成的临时支护造成破坏，爆破作业必须由专人统一指挥。

3 " 施工效果分析

3.1 " 现场应用效果

邓家坡隧道采用门式挑顶系统交叉口超挖约25cm，衬砌轮廓更为圆顺，且上导拱架半径与洞身支护拱架半径一致受力均匀。围岩监控量测数据显示，拱顶累计沉降变形为96mm，累计最大收敛值为45mm，均满足设计要求。由此可见，该技术安全可靠，受力条件改善，能有效控制交叉口支护变形，为后续施工创造了好的条件。

3.2 " 经济效益

采用门式挑顶系统施工所需时间控制在25d左右，比传统工艺节省3d，提高了施工效率。该技术施工少超挖约40m3岩体，减少了体积混凝土使用量，节约材料及人工成本约5万元。此外，该技术有效降低了坍塌风险，避免了坍塌和支护严重变形后补救成本。

3.3 " 社会效益

采用传统施工方法进行挑顶施工，不仅超挖多、变形大、易坍塌，而且二次衬砌受偏压荷载。而门式挑顶施工超挖面积变小，减少了工种交接时间，不仅节约了工期成本，同时避免了二次衬砌偏压过大。初期支护形变收敛，沉降小，且断面圆顺，施工质量好，能安全高效的进入正洞施工。该技术充分发挥围岩自承力，降低了施工中坍塌和掉块危险，缩短了挑顶施工工期，保障和促进了正洞施工进度。

3.4 " 环保效益

该技术减少渣土运输产生的扬尘和堆放所占绿地面积，同时也节省混凝土用量，间接的保护了环境，加快了施工进度，可以尽早修复施工用地的植被。

4 " 技术优点分析

一是曲面门架相对于传统直立门架，开挖弧形轮廓增加围岩自承力，减轻支护系统受力。采用曲面门架，门架与正洞拱架未形成三角区，且门架与正洞初支拱架轮廓一致，减小了超挖量，加快了工作进度，同时保证了后续防水板及钢筋安装质量。

二是采用异形门式钢架系统挑顶施工，降低坍塌掉块风险，分散围岩自身承载力，避免二次衬砌所受偏压荷载过大，优化传力体系，减少超挖面积，节约了材料，在很大程度上提高了工效。

三是曲面门架与辅助坑道连为一体，同时门架与正洞拱架曲率一致，把连接处型钢所受一部分应力转变成推应力，传递给辅助坑道的整体钢架，受力更为合理。

四是浇筑二次衬砌时，减少二次衬砌所受偏压荷载，同时减少超挖面积处的混凝土用量，节约了材料成本。而且施工作业简便，不需使用特殊机械设备，容易被推广应用。

5 " 结束语

为解决极软弱破碎围岩辅助坑道进正洞挑顶安全风险大的问题，本文以张吉怀高铁邓家坡隧道1#横洞进正洞交叉口为研究背景，对施工技术进行了创新，提出了新型门架挑顶技术。

应用门架弧形导坑垂直挑顶技术，成功完成邓家坡隧道1#横洞进入正洞挑顶施工，克服了极软弱破碎围岩地质条件对转换施工的不利影响。该支护体系优化了结构受力，减少了超挖面积，节约成本，技术安全可靠，适用于公路和铁路软弱围岩隧道中，由各种铺助坑道进入正洞的挑顶施工，对类似围岩的大跨度地下工程及其他交通通道等亦有参考价值。

参考文献

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[7] 张卫锋.水平泥岩地层大跨高铁隧道挑顶施工关键技术[J].

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[8] 申慧涛.砂质地层斜井进正洞施工技术[J].国防交通工程

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