三聯(lián)隧道軟弱圍巖條件下橫洞與正洞交岔段施工技術(shù)

胡春停，劉艷倉

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

目前國內(nèi)特長隧道施工大多采用長隧短打的方式，特別是在地質(zhì)條件較差的山嶺地區(qū)，往往設(shè)計(jì)較多的斜井或平導(dǎo)，甚至施工過程中增設(shè)迂回平導(dǎo)以增加工作面，提高施工效率。小斷面橫通道向大斷面正洞的轉(zhuǎn)換往往成為安全隱患的集中點(diǎn)和制約施工效率的關(guān)鍵點(diǎn)。為緩解三聯(lián)隧道的工期壓力，確保貴昆鐵路增建二線工程按期實(shí)現(xiàn)通車，三聯(lián)隧道2#斜井段增設(shè)洞內(nèi)迂回平導(dǎo)，增加工作面，加快施工進(jìn)度。文獻(xiàn)［1］重點(diǎn)介紹了燕尾段由單線端挑頂反向施工技術(shù);文獻(xiàn)［2］介紹了由于隧道洞口位于特殊地理位置，采取斜井進(jìn)正洞挑頂施工的方法及要點(diǎn);文獻(xiàn)［3］闡述了在特殊條件下斜井進(jìn)正洞的施工工藝;文獻(xiàn)［4］主要說明黃土隧道CRD開挖挑頂施工，挑頂過程工序繁多，特別是出碴工序極為困難，無法在確保安全的前提下實(shí)現(xiàn)快速施工;文獻(xiàn)［5］主要介紹在圍巖條件較好的情況下，斜井進(jìn)入正洞井底車場的施工;文獻(xiàn)［6］介紹了大斷面斜井以較大角度進(jìn)入正洞挑頂施工;文獻(xiàn)［7］主要對(duì)CRD法和上挑洞法進(jìn)行分析比較;文獻(xiàn)［8］主要說明斜井井底段的設(shè)計(jì)、施工方案的優(yōu)化，采用棚架法挑頂施工技術(shù)，確保挑頂?shù)氖┕ぐ踩?文獻(xiàn)［9］通過分析比較斜井與三車道大跨度泥灰?guī)r隧道交岔口的3種具體施工方案，探討最優(yōu)方案;文獻(xiàn)［10］重點(diǎn)闡述了膨脹土隧道橫洞進(jìn)正洞挑頂技術(shù)的坑道驗(yàn)算、施工工藝及施工要點(diǎn)?？梢钥吹?，以上文獻(xiàn)主要針對(duì)巖性較好、黃土以及膨脹土隧道頂挑進(jìn)行研究，工法也較成熟，而對(duì)巖體較為破碎的軟弱圍巖研究較少，且傳統(tǒng)的工法挑頂效率較低，安全隱患較大，施工成本較高。本文側(cè)重介紹三聯(lián)隧道在軟弱圍巖條件下，由小斷面進(jìn)入大斷面洞室施工，經(jīng)過不斷地改進(jìn)施工工法和優(yōu)化施工工藝，實(shí)現(xiàn)了橫通道與正洞交岔段的安全、經(jīng)濟(jì)和快速施工。

1 工程概況

三聯(lián)隧道位于云南省宣威市境內(nèi)，新背開柱車站出站端，為雙線隧道，進(jìn)口里程DK300+387，出口里程D1K312+601，全長12214m，設(shè)計(jì)行車速度160km/h，凈空限界并滿足通行雙層集裝箱要求。三聯(lián)隧道是改建鐵路貴昆線六盤水—沾益段全線最長、地質(zhì)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的控制性工程。由于三聯(lián)隧道1#斜井段穿越煤系地層及凝灰?guī)r大變形地段，工期嚴(yán)重滯后，為實(shí)現(xiàn)按期貫通，于2#斜井段D1K309+340線右側(cè)增設(shè)1900m迂回平導(dǎo)和100 m通風(fēng)豎井各1座，迂回平導(dǎo)與正洞間設(shè)置橫通道5座。區(qū)段內(nèi)巖性為砂巖夾泥巖、頁巖，紫紅色，薄層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，水平巖層，層間結(jié)合力差，巖性較軟，掌子面含少許裂隙水，拱頂極易發(fā)生掉塊，圍巖自穩(wěn)性較差。迂回平導(dǎo)及橫通道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 迂回平導(dǎo)及橫通道位置關(guān)系圖Fig.1 Relationship between bypass gallery and horizontal adits

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 正洞設(shè)計(jì)參數(shù)

三聯(lián)隧道正洞Ⅴ級(jí)圍巖設(shè)置拱墻I18工字鋼架和拱部φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)，鋼架縱向間距0.8 m，小導(dǎo)管1.6m/環(huán)，每環(huán)38 根，每根長3.5m，環(huán)向間距40cm;設(shè)置拱部φ25中空錨桿和邊墻φ22砂漿錨桿系統(tǒng)支護(hù)，錨桿間距0.8m ×1.0 m(環(huán) × 縱)，每根長3.5m;拱墻 φ8網(wǎng)片和C25噴射混凝土支護(hù)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm，噴射混凝土厚25 cm;全環(huán)50 cm厚C30鋼筋混凝土二次復(fù)合襯砌。正洞橫斷面圖如圖2所示。

圖2 正洞橫斷面圖Fig.2 Cross-section of main tunnel

2.2 橫通道設(shè)計(jì)參數(shù)

橫通道設(shè)置拱墻φ22砂漿錨桿系統(tǒng)支護(hù)，錨桿間距1.2 m ×1.2 m(環(huán) × 縱)，每根長2.5 m;拱部 φ8 網(wǎng)片支護(hù)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm，拱墻噴射12 cm厚混凝土;拱墻25 cm厚C25混凝土二次復(fù)合襯砌。橫通道橫斷面圖如圖3所示。

圖3 橫通道橫斷面圖(單位:cm)Fig.3 Cross-section of horizontal adit(cm)

3 橫洞與正洞交岔段施工

3.1 總體方案

在橫通道即將進(jìn)入正洞挑頂前，調(diào)整施工方向，使橫通道到達(dá)正洞邊線時(shí)垂直于正洞中線方向施工;在距離正洞邊線9.3 m處開始轉(zhuǎn)向施工，橫通道轉(zhuǎn)向的同時(shí)，拱頂以一定角度上挑施工，減小橫通道拱頂與正洞拱頂?shù)母卟?橫通道漸變段應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，正洞挑頂前橫通道支護(hù)封閉成環(huán);挑頂以垂直于正洞中線的小導(dǎo)洞，并沿正洞拱頂開挖輪廓線開挖一個(gè)導(dǎo)洞，相當(dāng)于正洞上臺(tái)階，然后分別向大里程和小里程施工，擴(kuò)大作業(yè)空間，繼而施工中臺(tái)階、下臺(tái)階及仰拱，實(shí)現(xiàn)從橫通道到正洞施工的快速轉(zhuǎn)換。

3.2 橫通道段挑頂前施工

3.2.1 橫通道鋼架施工

橫通道洞身與正線貴陽方向夾角為40°，由于橫通道與正洞為非正交關(guān)系，故橫通道開挖至臨近正洞邊線時(shí)，型鋼鋼架的立設(shè)采用由正交變?yōu)樾苯?。以中心間距0.8 m安裝異型鋼架，鋼架由垂直于橫通道中線逐漸變?yōu)槠叫杏谡粗芯€。具體施工方法為:拱墻設(shè)型鋼鋼架，拱部中心位置間距80 cm，在橫通道右側(cè)邊墻的鋼架間距取50cm，則左側(cè)邊墻的鋼架間距相應(yīng)為110 cm;每榀/次鋼架轉(zhuǎn)向約4°，11榀共完成了約40°轉(zhuǎn)向，最后2榀鋼架與正洞中線平行，且最后一榀距正洞邊線50 cm。如圖4所示。

圖4 橫通道段支護(hù)示意圖(單位:cm)Fig.4 Sketch of support of horizontal adit section(cm)

3.2.2 橫通道上挑施工

橫通道離正洞開挖邊線9.3m時(shí)，拱頂逐漸抬高，每榀拱架上挑15 cm，直至最后一榀拱架累計(jì)抬高165 cm。橫通道與正洞相接處設(shè)2榀門型鋼架，為正洞上臺(tái)階初期支護(hù)拱架提供落腳及作業(yè)空間。2榀門型拱架的高度與異型拱架最后一榀拱頂標(biāo)高一致，如圖5所示。

圖5 橫通道上挑及加強(qiáng)支護(hù)示意圖(單位:cm)Fig.5 Roof ripping and support strengthening of horizontal adit(cm)

3.2.3 橫洞口加強(qiáng)支護(hù)

橫通道靠近正洞段(喇叭口)受力結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，特別是橫通道與正洞的銳角一側(cè)，受力極為薄弱，極易出現(xiàn)變形、開裂甚至坍塌，而門型鋼架不僅是橫洞本身的加強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)也作為該區(qū)段正洞上臺(tái)階拱架的承重基礎(chǔ)，受力相對(duì)集中，因此應(yīng)對(duì)橫通道洞口段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

因原設(shè)計(jì)橫通道為拱墻錨噴支護(hù)，為確保施工安全，橫通道漸變段設(shè)置全環(huán)I18工字鋼架和拱部φ42小導(dǎo)管加強(qiáng)支護(hù)。工字鋼中線縱向間距0.8 m，每榀鋼架設(shè)置8根鎖腳導(dǎo)管，每根長4m，小導(dǎo)管1.6m/環(huán)，每環(huán)20根，每根長3.0 m，環(huán)向間距30 cm;拱墻設(shè)置φ22砂漿錨桿和φ8網(wǎng)片支護(hù)，錨桿間距1.0 m×0.8 m(環(huán) ×縱)，每根長2.5 m，網(wǎng)格間距25 cm ×25 cm;全環(huán)噴射23 cm厚C25混凝土;門型鋼架采用2榀H175型鋼焊接聯(lián)合支護(hù)，根據(jù)監(jiān)控量測確定是否在門型鋼架下設(shè)置I18工字鋼套拱，套拱與門型鋼架間隙采用I18工字鋼支撐，間距50 cm;門型鋼架施工完成后橫通道底板一次性澆筑混凝土至正洞邊線，確保在挑頂之前橫通道支護(hù)封閉成環(huán)。

3.3 正洞橫導(dǎo)洞上挑施工

垂直導(dǎo)洞挑頂采用垂直于正洞中線的小導(dǎo)洞進(jìn)入正洞上臺(tái)階施工，為便于挖機(jī)出碴作業(yè)，導(dǎo)洞寬度為5 m，挑頂段高度不低于3.5 m。利用導(dǎo)洞洞碴將橫通道喇叭口段回填成不大于20°的坡道，為導(dǎo)洞施工提供作業(yè)平臺(tái)。導(dǎo)洞頂支護(hù)鋼架位于正洞初期支護(hù)外，沿正洞初期支護(hù)外輪廓線布置，同時(shí)預(yù)留20 cm變形量，腳趾落在基巖上。

導(dǎo)洞拱架采用I16工字鋼，間距0.8m，頂部設(shè)置高約25cm的弧拱，改變平拱的受力結(jié)構(gòu)，每榀拱架設(shè)置8根鎖腳導(dǎo)管，每根長3 m;拱部設(shè)置φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)，1.6m/環(huán)，每環(huán)15根，每根長3 m;設(shè)置拱墻φ8網(wǎng)片和C25噴射混凝土臨時(shí)支護(hù)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm，噴射18 cm厚混凝土。導(dǎo)洞挑頂及支護(hù)如圖6和圖7所示。

3.4 正洞交岔段施工

3.4.1 正洞施工

導(dǎo)洞施工完成后，形成正洞上臺(tái)階作業(yè)空間，即可進(jìn)行正洞上臺(tái)階初期支護(hù)施工。上臺(tái)階拱架一端腳趾坐落在H175門型鋼架橫梁上，另一端坐落在上臺(tái)階基巖上，注意腳趾必須墊槽鋼。上臺(tái)階導(dǎo)洞段拱架一次架設(shè)完成，然后進(jìn)行掛網(wǎng)、系統(tǒng)錨桿和噴射混凝土作業(yè)，靠近大里程、小里程掌子面按設(shè)計(jì)施作超前支護(hù)。導(dǎo)洞段上臺(tái)階初期支護(hù)完成后先拆除大里程導(dǎo)洞邊墻拱架，開始向大里程施工正洞上臺(tái)階，上臺(tái)階完成5 m后即可拉槽施工中臺(tái)階，中臺(tái)階施工約30 m后，封閉大里程上臺(tái)階、中臺(tái)階掌子面，繼而轉(zhuǎn)向小里程施工，一定距離后即可展開下臺(tái)階及仰拱施工，盡早封閉成環(huán)，至此，橫洞與正洞交岔段開挖支護(hù)基本完成。正洞展開工作面如圖8和圖9所示。

3.4.2 支護(hù)參數(shù)

挑頂段正洞40 m范圍內(nèi)采取加強(qiáng)支護(hù)，拱架間距由80 cm調(diào)整為60 cm，噴射混凝土由23 cm調(diào)整為25 cm，其余初期支護(hù)參數(shù)不變。為避免初期支護(hù)變形造成侵占二次襯砌凈空，預(yù)留變形量由13 cm調(diào)整為20 cm。

3.5 資源配置和施工組織

為提高施工效率，在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，資源配置應(yīng)滿足高強(qiáng)度和滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)需要。由于門型鋼架單根拱架較重，特別是橫梁吊裝較為困難，門型鋼架施工采用挖機(jī)配合人工架設(shè)。挑頂期間開挖、拱架支護(hù)及噴混凝土均按2班人員配置，濕噴機(jī)3臺(tái)，其中1臺(tái)備用。作業(yè)平臺(tái)采用臨時(shí)拼裝臺(tái)架，出碴先用挖機(jī)將洞碴翻至橫通道內(nèi)，采用1臺(tái)ITC312SL挖裝機(jī)配合7臺(tái)鐵馬自卸汽車出碴，同時(shí)掌子面進(jìn)行臨時(shí)作業(yè)臺(tái)架的拼裝和拱架支護(hù)作業(yè)，出碴作業(yè)不占用循環(huán)時(shí)間。

4 施工效果

三聯(lián)隧道迂回平導(dǎo)進(jìn)入正洞共完成3次橫洞與正洞交岔段施工，在不斷積累經(jīng)驗(yàn)、逐步優(yōu)化的基礎(chǔ)上取得了良好效果。第1個(gè)交岔段由于是第1次采用此挑頂工法，施工經(jīng)驗(yàn)不足，雖經(jīng)過反復(fù)研討，仍然出現(xiàn)了難以預(yù)料的情況(如垂直導(dǎo)洞開口位置不合理、導(dǎo)洞頂部平拱受力不均勻等)，致使轉(zhuǎn)換時(shí)間長達(dá)16 d;第2個(gè)交岔段施工調(diào)整了部分支護(hù)參數(shù)，如將H175門型鋼架由3榀減少為2榀，門型鋼架套拱暫緩施工等，提高了施工效率，此段施工共用了14 d;第3個(gè)交岔段施工取得了較大突破，從施工經(jīng)驗(yàn)到管理模式以及激勵(lì)措施等，都有效地確保了施工生產(chǎn)，僅用7 d就完成了三岔段施工，實(shí)現(xiàn)了小斷面橫洞到大斷面正洞的快速轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)論與體會(huì)

1)由于橫通道拱架腳趾比正洞拱架腳趾標(biāo)高高65 cm，為避免正洞下臺(tái)階開挖時(shí)門型鋼架立柱懸空，門型鋼架立柱腳趾標(biāo)高必須保證和正洞下臺(tái)階門型鋼架一致，且橫通道底板混凝土必須將門型鋼架立柱腳趾封閉。

2)門型鋼架方形斷面開挖時(shí)，盡量保證一次到位，寧超勿欠，避免反復(fù)鉆爆作業(yè)，危及施工安全。

3)導(dǎo)洞開口位置要充分考慮到挖機(jī)操作角度和旋轉(zhuǎn)半徑，以距離銳角邊1 m左右的位置最為方便，盡量避免靠近左側(cè)。

4)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)拱架設(shè)置成弧拱，拱高以30 cm為宜，雖然平拱可以減少不必要的超挖，但受力極為不利。三聯(lián)隧道14#橫通道進(jìn)正洞挑頂，平拱噴射混凝土后出現(xiàn)頂部彎曲下沉，最后導(dǎo)致拱架嚴(yán)重變形，經(jīng)分析為I16工字鋼剛度不足以承受圍巖壓力，隨后將已加工成型的平拱調(diào)整為弧拱，問題得以徹底解決。

5)對(duì)于圍巖較好地段，導(dǎo)洞網(wǎng)片及噴射混凝土僅可以支護(hù)拱部，但對(duì)于圍巖較差地段，特別是軟弱圍巖地段，必須拱墻支護(hù)，避免圍巖長時(shí)間暴露，出現(xiàn)塌落。

三聯(lián)隧道在迂回平導(dǎo)進(jìn)入正洞14#橫通道采用垂直于正洞中線的小導(dǎo)洞上挑施工的方法，通過總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化施工工序和施工細(xì)節(jié)，在13#橫通道進(jìn)正洞的挑頂施工取得了極大的成功，僅用7 d就全部展開正洞工作面施工，比傳統(tǒng)挑頂工法有很大的安全和效率優(yōu)勢，為軟弱圍巖的快速施工創(chuàng)造了必要條件。目前在門型鋼架橫梁架設(shè)和挑頂橫導(dǎo)洞第1榀、第2榀拱架架設(shè)方面尚存在一定的施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)，如果能再取得一定的改進(jìn)，既可降低安全風(fēng)險(xiǎn)，又能節(jié)約1 d的挑頂時(shí)間，今后將在此方面做進(jìn)一步研究，希望能有新的突破。

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