下穿村莊強(qiáng)風(fēng)化圍巖隧道挑頂施工技術(shù)應(yīng)用

于維林

（中交疏浚（天津）投資有限公司，天津 301900）

1 工程概況

東北某客運(yùn)專線長(zhǎng)大隧道全長(zhǎng)8860m，埋深43～269m，斜井長(zhǎng)605m，與正洞左線相交夾角為39°。交匯區(qū)域設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，凝灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎或較完整，呈塊石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。施工區(qū)段下穿村莊及鄉(xiāng)村道路，采用鉆爆法施工會(huì)對(duì)地上建（構(gòu)）筑物造成一定擾動(dòng)，并對(duì)村民生活及生產(chǎn)造成一定影響。該施工區(qū)段地下水主要為基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水，巖體破碎透水性較好，施工段日正常涌水量為1300m3，日最大涌水量達(dá)5379m3。區(qū)段分布有斷層，層間斷層泥多為薄層，工程物理力學(xué)性質(zhì)較差。斷層上盤(pán)巖性較破碎，斷層下盤(pán)較穩(wěn)定，巖層完整性較好。

2 指導(dǎo)原則

（1）下穿村莊及鄉(xiāng)村道路施工區(qū)段爆破開(kāi)挖施工應(yīng)遵循的基本原則是“短進(jìn)尺、弱爆破、多循環(huán)、強(qiáng)支護(hù)”。（2）盡量減小對(duì)居民生產(chǎn)和生活用水的影響，做好超前周邊注漿，必要時(shí)調(diào)整為止水帷幕注漿。（3）先加固后開(kāi)挖。從工程地質(zhì)反映情況來(lái)看，斜井與正洞交匯區(qū)域的初期支護(hù)需加強(qiáng)，襯砌需為模筑混凝土。（4）斜井與正洞相交處的門(mén)洞采用加強(qiáng)環(huán)，挑頂前進(jìn)趨勢(shì)應(yīng)從外向內(nèi)漸進(jìn)式擴(kuò)大。（5）斜井與正洞交匯區(qū)段圍巖需滿足大跨度臨空受力要求，因此在圍巖級(jí)別應(yīng)比實(shí)際下調(diào)一級(jí)，襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級(jí)提高一級(jí)。（6）為防止不均勻沉降引起相交區(qū)段正洞一側(cè)襯砌開(kāi)裂，交匯區(qū)段斜井開(kāi)挖斷面寬度兩側(cè)的沉降縫應(yīng)在二次襯砌施作時(shí)預(yù)設(shè)，位置選擇在其斷面寬度開(kāi)挖輪廓線外。

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

斜井進(jìn)入主洞挑頂施工主要采用加長(zhǎng)炮孔和利用工作面地質(zhì)素描的方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，需準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方3～5m范圍穿越地層的洞身地層地質(zhì)構(gòu)造（巖性、節(jié)理）以及水文地質(zhì)情況。

4 超前周邊注漿

下穿段地下水多為裂隙水，為不影響當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟?，必須進(jìn)行超前周邊注漿或止水帷幕，防止地下水位下降。注漿孔直徑以110mm為宜，長(zhǎng)度為3.5m；單孔有效擴(kuò)散半徑為3m；注漿有效覆蓋范圍應(yīng)在隧道設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線外4～5m；注漿壓力控制區(qū)間以靜水壓力以上0.5～1.5MPa為宜。每循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)度為25m，配合環(huán)向注漿范圍30m，止?jié){巖盤(pán)長(zhǎng)度5m；每循環(huán)注漿孔3～4環(huán)，共56～68孔；注漿管直徑為108mm，壁厚5mm，長(zhǎng)度為3.5m，孔口管埋置于孔內(nèi)，固定牢靠，止?jié){功能可靠。注漿順序?yàn)橄葍?nèi)后外，先無(wú)水后有水，同一環(huán)隔孔加注，巖層破碎伴有坍孔隱患時(shí)須優(yōu)先進(jìn)行前進(jìn)式注漿，反之則采用后進(jìn)式注漿。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，斷層段需增設(shè)止水帷幕注漿。從實(shí)際情況來(lái)看，通過(guò)村莊區(qū)段水位下降的可能性極大，建議該段將超前周邊注漿調(diào)整為止水帷幕注漿。

5 超前支護(hù)與系統(tǒng)錨桿

超前小導(dǎo)管外插角度須符合設(shè)計(jì)要求，鉆孔完成后，將小導(dǎo)管頂入孔內(nèi)，導(dǎo)管末端外露長(zhǎng)度滿足注漿要求，導(dǎo)管末端焊接在鋼架上，同時(shí)以鋼架作為注漿支撐點(diǎn)，鋼架緊貼圍巖架立，注漿后的鋼管與鋼架（格柵）形成管架（柵）一體化結(jié)構(gòu)，整體支護(hù)能力增強(qiáng)。

風(fēng)鉆鉆孔完成后，砂漿錨桿沿專用測(cè)斜儀控制的錨桿孔道傾角插設(shè)，專用注漿泵及時(shí)壓漿。錨桿末端外露長(zhǎng)度不短于鋼架或格柵主筋凈距，錨桿外插角須滿足設(shè)計(jì)要求，錨桿末端與鋼架幫條焊接在一起。風(fēng)鉆鉆孔完成后，液壓平臺(tái)配合人工安裝組合中空錨桿，專用高壓注漿泵及時(shí)注漿。

6 挑頂技術(shù)

斜井與正洞交匯區(qū)段圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，以橫向爬坡棚架法挑頂進(jìn)洞。以正洞開(kāi)挖輪廓線為界，開(kāi)挖至分界線斜井一側(cè)14.6m處時(shí)，逐步提高斜井拱頂高程，鋼架尺寸隨拱部寬度逐步加長(zhǎng)，進(jìn)洞坡度斜向上30°。在斜井與正洞相交處施作加強(qiáng)環(huán)和預(yù)埋柱頭，施作完畢后運(yùn)送石渣壓實(shí)成型構(gòu)成下臺(tái)階，然后按設(shè)計(jì)棚架尺寸開(kāi)挖進(jìn)正洞，棚洞成型后開(kāi)挖正洞。棚洞沿拱頂曲線，斜向上橫向開(kāi)挖至正洞中線處，按坡度30°爬坡，達(dá)到正洞拱頂高程后再以平坡沿拱頂曲線橫向開(kāi)挖至正洞開(kāi)挖輪廓線外側(cè)上臺(tái)階拱腳處。棚洞開(kāi)挖輪廓線需控制在正洞開(kāi)挖輪廓線外一定距離，成形后不得侵入限界，套拱位于棚洞橫梁下部，套拱結(jié)束后再沿主線大小里程分臺(tái)階開(kāi)挖正洞。

7 挑頂工序

7.1 斜井與正洞交匯區(qū)域

按照斜井與正洞之間的設(shè)計(jì)高差計(jì)算，需在距正洞開(kāi)挖輪廓線14.6m處開(kāi)始擴(kuò)挖斜井拱頂，按30%坡度抬高開(kāi)挖進(jìn)洞。交匯處斜井一側(cè)設(shè)置3榀寬度為0.6m的I25a型鋼鋼架加強(qiáng)環(huán)，沿拱部環(huán)向120°范圍內(nèi)預(yù)埋一圈I20a工字鋼柱頭，設(shè)置間隔0.6m，長(zhǎng)度為0.8m，埋入長(zhǎng)度為0.6m，外露長(zhǎng)度為0.2m，鋼柱頭頭部與斜井鋼架焊接。

在靠近正洞斜井一側(cè)設(shè)置7榀I18型鋼鋼架，相同位置處設(shè)置同等數(shù)量仰拱鋼架，且正洞仰拱鋼架須焊接在斜井加強(qiáng)環(huán)最外側(cè)的仰拱鋼架上，形成整體受力結(jié)構(gòu)，以使正洞和斜井交匯口處的連接更為牢固可靠。鋼架間以縱向連接筋焊接，間隔1m，梅花形分布。

7.2 棚洞開(kāi)挖

斜井進(jìn)洞后，沿垂直正洞中線方向以棚洞方式開(kāi)挖，開(kāi)挖斷面尺寸為5m×4.2m（頂部?jī)魧?m），按30°斜向上爬坡開(kāi)挖到正洞拱頂中線位置處，再以平坡橫向開(kāi)挖至正洞開(kāi)挖輪廓線外側(cè)上導(dǎo)坑拱腳位置處，棚洞以型鋼鋼架作為臨時(shí)支護(hù)。

棚洞鋼架選用I18型鋼，間距60cm，鋼架整體構(gòu)成臨時(shí)封閉環(huán)，封閉環(huán)頂部為橫梁、兩側(cè)為斜柱、底部為橫撐，兩側(cè)底腳設(shè)置鎖腳錨桿4根，直徑為50mm。根據(jù)開(kāi)挖面圍巖情況，決定是否需要在橫梁兩側(cè)增加豎向支撐，提高棚架強(qiáng)度，并沿環(huán)向設(shè)置鋼架網(wǎng)，直徑為8mm，網(wǎng)格橫豎向間距為20cm；間隔1m，梅花形布置系統(tǒng)錨桿，直徑為22mm，長(zhǎng)度為3.5m。為使支護(hù)厚度、預(yù)留變形量和凈空滿足要求，棚洞拱頂高程實(shí)際開(kāi)挖輪廓線須超出正洞設(shè)計(jì)開(kāi)挖線，使棚洞鋼架橫梁實(shí)際位于正洞初期支護(hù)外，考慮安全因素，以減少圍巖擾動(dòng)，做正洞初支時(shí)不再取出，與初支形成整體復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。

7.3 套拱施工

棚洞施作完成后，在鋼架內(nèi)側(cè)沿拱頂環(huán)向2m范圍內(nèi)施作套拱。套拱鋼架選用I20a工字鋼，棚洞內(nèi)每60cm設(shè)置1榀，共4榀。棚洞外兩側(cè)（4～6m范圍）各設(shè)置6榀伸長(zhǎng)套拱剛架，間隔80cm。鋼架兩側(cè)分別焊接于斜井加強(qiáng)環(huán)I20a工字鋼柱頭上和正洞上臺(tái)階拱腳處，拱腳外緣與正洞輪廓線距離60cm。相鄰鋼架間以縱向鋼筋（直徑為22mm）焊接為整體，環(huán)向梅花形布置，間距80cm。每榀鋼架拱腳處打設(shè)2根鎖腳錨管。鋼架支立完畢后噴射28cm厚的C25混凝土。

套拱施作完成后，緊跟設(shè)置正洞初期支護(hù)鋼架，交錯(cuò)布置在套拱鋼架間。鋼架一端焊接于斜井與正洞設(shè)置的門(mén)形加強(qiáng)環(huán)橫梁上，另一端焊接于混凝土墊塊預(yù)埋鋼板上，每榀鋼架在分節(jié)和拱腳處各打設(shè)2根鎖腳錨管。

7.4 挑頂區(qū)段正洞施工

激光斷面儀應(yīng)按設(shè)計(jì)要求控制隧道開(kāi)挖輪廓線，交匯區(qū)段人工使用機(jī)械較為頻繁，洞內(nèi)的導(dǎo)線樁、中線樁和水準(zhǔn)點(diǎn)需加密復(fù)測(cè)頻率，其設(shè)置也必須牢固可靠。

（1）優(yōu)先開(kāi)挖與支護(hù)大里程方向，然后開(kāi)挖及支護(hù)小里程方向，在斜井與正洞交匯區(qū)段正洞初支施工完畢時(shí)停止正洞上導(dǎo)開(kāi)挖。（2）開(kāi)挖及支護(hù)大里程方向1號(hào)區(qū)段上導(dǎo)，并同時(shí)開(kāi)挖及支護(hù)1號(hào)區(qū)段中導(dǎo)，上、中導(dǎo)開(kāi)挖進(jìn)尺不大于2m，上導(dǎo)與中導(dǎo)跟進(jìn)距離不大于5m。初期支護(hù)完成后封閉大里程方向的上中導(dǎo)掌子面。此段完成后，便可在上臺(tái)階大里程一側(cè)拼裝焊接開(kāi)挖臺(tái)車。（3）開(kāi)挖及支護(hù)小里程方向1號(hào)區(qū)段上導(dǎo)，并同時(shí)開(kāi)挖及支護(hù)1號(hào)區(qū)段中導(dǎo)，上、中導(dǎo)開(kāi)挖進(jìn)尺不大于2m，上導(dǎo)與中導(dǎo)跟進(jìn)距離不大于5m。初期支護(hù)完成后封閉大里程方向的上中導(dǎo)掌子面。此段完成后，為方便組裝二襯臺(tái)車，需在支護(hù)噴混前注意在該區(qū)段預(yù)埋鋼板或吊環(huán)。（4）開(kāi)挖及支護(hù)大里程方向2號(hào)區(qū)段上導(dǎo)，并同時(shí)開(kāi)挖及支護(hù)2號(hào)區(qū)段中導(dǎo)，1號(hào)區(qū)段下導(dǎo)緊隨其后開(kāi)挖及支護(hù)，上、中、下導(dǎo)開(kāi)挖進(jìn)尺不大于2m。開(kāi)挖中、下導(dǎo)時(shí)避免交叉施工，馬口錯(cuò)開(kāi)寬度宜大于3m。支護(hù)完后大里程開(kāi)挖隨即暫停。（5）開(kāi)挖及支護(hù)小里程方向2號(hào)區(qū)段上導(dǎo)，并同時(shí)開(kāi)挖及支護(hù)2號(hào)區(qū)段中導(dǎo)，1號(hào)區(qū)段下導(dǎo)緊跟開(kāi)挖，上、中、下導(dǎo)開(kāi)挖進(jìn)尺不大于2m。開(kāi)挖中、下導(dǎo)時(shí)避免交叉施工，馬口錯(cuò)開(kāi)寬度宜大于3m。在兩端上導(dǎo)相距50m時(shí)可同時(shí)開(kāi)挖及支護(hù)。

7.5 鋼筋網(wǎng)

鋼筋網(wǎng)貼近圍巖表面布置并預(yù)留足夠保護(hù)層，與錨桿和鋼架焊接牢固，形成整體。噴混凝土?xí)r需控制好噴頭與受噴面距離并控制風(fēng)壓，將施工產(chǎn)生的振動(dòng)減至較低水平減少回彈。

7.6 型鋼鋼架

掌子面初次噴射完成后，應(yīng)立即進(jìn)行鋼架安裝。鋼架底腳必須支撐于堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)表面須平整干凈。鋼架拱頂段須以完整單元方式架立，將系統(tǒng)錨桿作為定位鋼筋，并于拱、墻角位置每側(cè)打設(shè)2根鎖腳錨管。

8 過(guò)程控制要點(diǎn)

（1）交匯區(qū)段圍巖監(jiān)測(cè)斷面選擇。交匯口斜井一側(cè)20m、交匯點(diǎn)正洞大小里程各30m內(nèi)，按每5m設(shè)置1個(gè)，尤其是交匯口處需設(shè)置1個(gè)監(jiān)控量測(cè)斷面，在設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的頻率范圍內(nèi)，及時(shí)對(duì)圍巖周邊水平位移和凈空變化、拱頂下沉等展開(kāi)監(jiān)測(cè)，通過(guò)識(shí)別位移變化速度和位移時(shí)的曲線形態(tài)，判別圍巖狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整施工狀態(tài)，保障安全質(zhì)量受控。（2）嚴(yán)格控制棚洞鋼架體系施工質(zhì)量和鎖腳錨管與鋼架連接質(zhì)量。（3）加強(qiáng)環(huán)為正洞支護(hù)體系的支撐點(diǎn)，確保施工精度，使其與正洞初期支護(hù)連成整體。（4）正洞仰拱、二次襯砌緊跟開(kāi)挖，盡早閉合成環(huán)，降低因交匯口段受力復(fù)雜導(dǎo)致的圍巖不穩(wěn)定性，確保安全。（5）交匯段內(nèi)斷面結(jié)構(gòu)變化較大，通風(fēng)不暢，尤其棚洞施工空間較窄，溫度集聚效應(yīng)大，必須加強(qiáng)通風(fēng)和作業(yè)面降溫。（6）動(dòng)態(tài)掌握地質(zhì)變化情況。開(kāi)挖面應(yīng)盡量為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供空間，根據(jù)反饋的地質(zhì)條件及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖和支護(hù)條件，或適時(shí)調(diào)整挑頂方案。

9 結(jié)束語(yǔ)

超前技術(shù)為施工構(gòu)建了安全的作業(yè)環(huán)境，動(dòng)態(tài)調(diào)整與檢測(cè)手段極大地提高了挑頂?shù)陌踩禂?shù)，為橫向爬坡棚架快速進(jìn)洞方案實(shí)施提供了安全基礎(chǔ)。此次挑頂施工得到了設(shè)計(jì)方的全方位指導(dǎo)，施工單位在超前檢測(cè)、交匯加強(qiáng)、正洞施工階段獲得了完整的技術(shù)參數(shù)，積累了難得的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)復(fù)雜地下空間斜交挑頂順利施工奠定了工藝基礎(chǔ)。