金甬鐵路大莊隧道一號(hào)斜井轉(zhuǎn)正洞施工技術(shù)

吳海睿 （中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，浙江 杭州 310000）

大莊隧道是金甬鐵路重難點(diǎn)控制工程之一，隧道全長5795m，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖共占隧道總長的91.39%，地質(zhì)十分復(fù)雜，穿越地層起伏較大，淺埋偏壓段較多。隧道穿越泥質(zhì)粉砂巖、多期玄武巖下部發(fā)育古風(fēng)化殼，巖體自穩(wěn)性質(zhì)較差，開挖時(shí)頂部易垮塌。結(jié)合地質(zhì)條件、施工組織要求，大莊隧道在DK83+430、DK84+450附近分別設(shè)置長約247m、500m的1號(hào)、2號(hào)斜井，開辟新的工作面，以滿足施組工期。由于大莊隧道開挖斷面大，工期緊，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大，加強(qiáng)支護(hù)和排水措施，減少周圍土層擾動(dòng)，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，選擇科學(xué)、安全有效的斜井與正線交叉口處的施工方法特別重要。

1 工程概況

金華至寧波鐵路大莊隧道一號(hào)斜井位于線路大里程方向右側(cè)，與隧道正洞交于DK82+430里程處，斜井采用無軌運(yùn)輸雙車道，斜井綜合坡度為6.2%，斜井長247m，與線路大里程方向平面夾角為38°。該處洞身位于白堊系下統(tǒng)朝川組(Kc)弱風(fēng)化紫紅色泥質(zhì)粉砂巖中。其上為第三系嵊縣組(N2s)多期玄武巖強(qiáng)心弱風(fēng)化，多期玄武巖中間發(fā)育古鳳化殼，主要成分為第三系嵊縣組(N2s)河湖相沉積層，成分以硅藻土、砂層及圓礫土層為主。

斜井與正洞交匯段，斜井洞身為Ⅳ級(jí)圍巖，采用降低一級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌斷面。即采用Ⅴ級(jí)圍巖，支護(hù)參數(shù)（主筋Φ22格柵鋼架，間距80m，初支厚度23cm；拱部120設(shè)置Φ50mm，壁厚3.5mm超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長度4.5m，每環(huán)25根；二次襯砌為C30混凝土襯砌，厚度35cm）進(jìn)行施工。

正洞段為Ⅴ級(jí)圍巖，DK82+430處埋深約49m。采用Ⅴa型復(fù)合式襯砌（初期支護(hù)為180格柵鋼架，間距80cm，厚度27cm，拱部120設(shè)置Φ42mm，壁厚3.5mm超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長度4.5m，每環(huán)40根，二次襯砌為C35鋼筋混凝土襯砌，厚度50cm）支護(hù)參數(shù)進(jìn)行施工。

2 工程難點(diǎn)及分析對(duì)策

大莊隧道1#斜井挑頂進(jìn)洞施工是重難點(diǎn)施工項(xiàng)目。斜井與正洞交叉口處，由斜井開挖正洞時(shí)，隧道周邊圍巖臨空面多，受力復(fù)雜。因施工工作面小，施工難度較大，安全隱患多。若施工工序及支護(hù)措施不合理，容易導(dǎo)致圍巖沉降變形，甚至出現(xiàn)塌方，所以需要對(duì)交叉口處采用合理的措施進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

一是泥質(zhì)砂巖地層，易產(chǎn)生掉塊。初期支護(hù)不及時(shí)易出現(xiàn)塌方、掉塊現(xiàn)象。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測（X1DK0+015.8-X1DK0+(-014.2)）30m 范圍內(nèi)，及時(shí)探明前方地質(zhì)及地下水情況。

二是斜井與正洞交叉段可能存在軟弱不均巖層，開挖時(shí)圍巖易出現(xiàn)較大的沉降變形。開挖前采用超前小導(dǎo)管注漿進(jìn)行預(yù)支護(hù)，開挖過程中采用鋼架對(duì)圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

三是正洞與斜井交叉段，正洞的跨度較大，開挖后若不及時(shí)支護(hù)并封閉成環(huán)，圍巖易沉降變形或塌方。根據(jù)圍巖情況，交叉段采用三臺(tái)階法施工，及時(shí)施做初期支護(hù)并封閉成環(huán)。

四是受施工空間限制，施工工序繁雜，開挖斷面小、進(jìn)尺短，對(duì)圍巖擾動(dòng)較大。施工過程中采用控制爆破措施減小對(duì)周邊圍巖的影響，爆破振動(dòng)速度不大于3cm/s。

3 斜井轉(zhuǎn)正洞施工方案

3.1 施工范圍

大莊隧道1#斜井與正洞設(shè)計(jì)相交里程為X1DK0+000，斜井進(jìn)正洞挑頂施工里程為X1DK0+033.6～X1DK0+015，長度為18.6m；正洞交叉里程（左線）為DK82+430，交叉口里程范圍DK82+410.042～DK82+425.31；斜井進(jìn)正洞挑頂施工按照交叉口左側(cè)40m，右側(cè)50m計(jì)算，即正洞挑頂里程DK82+390-DK82+480，全長90m。

3.2 斜井轉(zhuǎn)正洞方案的選定

方案思路：輔助坑道施工至正洞交界處，以導(dǎo)洞方式與隧道線路左線呈38°的角度進(jìn)入正洞，同時(shí)在斜井中線與隧道左邊線交匯點(diǎn)處，沿垂直隧道線路方向開挖至隧道正洞對(duì)側(cè)邊墻上臺(tái)階拱腳處。臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后，再沿正洞方向施工正洞，按照三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖正洞標(biāo)準(zhǔn)斷面。

具體的施工方案如下：

斜井開挖至正洞交界處時(shí)，在斜井與正洞交匯面位置，平行與正洞中線方向設(shè)置斜井初期支護(hù)加強(qiáng)鋼架，作為正交叉口處正洞初期支護(hù)鋼架的基礎(chǔ)。斜井襯砌施工完成后，再開挖正洞?？刂票崎_挖，并用機(jī)械相配合。采用5.5m寬的導(dǎo)坑方式由斜井進(jìn)入正洞，導(dǎo)坑中線垂直于正洞，并且要斜向上進(jìn)行挑頂開挖。開挖過程中及時(shí)采用I18型鋼作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，并噴混凝土封閉。拱頂支護(hù)標(biāo)高在設(shè)計(jì)初支輪廓線以外，主洞初支預(yù)留沉降按照25cm考慮。當(dāng)臨時(shí)棚架施工完成后，施做棚架范圍內(nèi)正洞設(shè)計(jì)初期支護(hù)，其靠斜井一側(cè)鋼架拱腳落在斜井口的托梁上。待棚架范圍內(nèi)主洞支護(hù)完成后，然后拆除臨時(shí)棚架大里程側(cè)立撐，但拱頂處縱向棚架橫梁保留。按三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行隧道大里程方向的上臺(tái)階開挖，當(dāng)上臺(tái)階沿隧道正洞開挖長度達(dá)到35m時(shí)，再按要求開挖中、下臺(tái)階，并同時(shí)施工邊墻及仰拱初期支護(hù)，使正洞初期支護(hù)封閉成環(huán)，確保圍巖穩(wěn)定及施工安全。

3.3 施工工序、施工方法及施工工藝

3.3.1 施工工序流程

挑頂施工工序按照?qǐng)D1所示。

圖1 施工工藝流程圖

3.3.2 施工方法及施工工藝

①為確保斜井開挖進(jìn)入正洞的施工安全，需對(duì)交叉口段斜井初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。斜井與正洞夾角為38，采用18榀（起止里程：X1DK0+033.6～X1DK0+015，采用14榀I18工字鋼、2榀H175型鋼工字鋼和2榀H175型鋼雙拼工字鋼鋼架，鎖腳鋼管為每榀4根，每根4.5m，超前小導(dǎo)管按照原設(shè)計(jì)施工）鋼架偏立法架立調(diào)整到與正洞縱向平行，見圖2。

圖2 斜井與正洞交叉平面布置圖

②因交叉段靠斜井側(cè)的正洞初期支護(hù)鋼架基礎(chǔ)需落在斜井口的初期支護(hù)上，斜井口處斜井初期支護(hù)鋼架的外緣再設(shè)置兩榀H175型鋼，并焊在一起進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

③為加強(qiáng)門字鋼架的整體受力，在雙拼門架底部架設(shè)橫向支撐（采用I16工字鋼），使初期支護(hù)封閉成環(huán)，改善受力結(jié)構(gòu)。為避免橫撐工字鋼受運(yùn)輸車輛的影響，橫撐應(yīng)埋在地面以下，并用混凝土封閉。提前預(yù)制混凝土塊，解決鋼架拱腳落地不實(shí)的問題。雙拼工字鋼頂面按間距0.5m和0.8m間距（詳見圖3）焊接50×30×1.6cm厚鋼板（并預(yù)留螺栓孔），預(yù)留與交叉口范圍內(nèi)主洞鋼架連接，以解決交叉口段主洞設(shè)計(jì)拱部鋼架右側(cè)落腳問題。

圖3 斜井交叉口托梁、支撐安裝正面圖（標(biāo)注尺寸單位:cm）

④為解決斜井底板與正洞仰拱填充滿高差問題，在斜井至交叉口31.92m處將斜井坡度調(diào)整為3.77%，確保斜井底板與正洞填充面能有效順接；為便于施工，斜井在交叉口處設(shè)置臨時(shí)水溝，挑頂進(jìn)洞后，再補(bǔ)做斜井水溝和電力電纜槽，待正洞貫通后，再施工交叉口處底板至設(shè)計(jì)高程。

⑤為加強(qiáng)交叉口處復(fù)合式襯砌強(qiáng)度，斜井靠近正洞端18m范圍內(nèi)襯砌采用單層鋼筋混凝土襯砌進(jìn)行加強(qiáng)，襯砌厚度35cm，環(huán)向主筋為HRB400 20mm鋼筋，間距20cm，縱向鋼筋為HRB400 12mm鋼筋，間距25cm。

⑥回填土修筑施工斜坡道，能夠滿足現(xiàn)場施工為準(zhǔn)?？刂票崎_挖正洞，并用機(jī)械相配合。采用5.5m寬的導(dǎo)坑方式由斜井進(jìn)入正洞，導(dǎo)坑中線垂直于正洞，并且要斜向上進(jìn)行挑頂開挖。正洞范圍需要預(yù)留臨時(shí)支護(hù)的厚度及圍巖變形量的空間。開挖過程中及時(shí)采用I18型鋼作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，并噴混凝土封閉。導(dǎo)坑開挖至正洞拱頂后，平坡向前開挖至上臺(tái)階左側(cè)拱腳位置，將上臺(tái)階拱架安裝完畢后移除臨時(shí)棚架一側(cè)豎撐，施做該側(cè)初期支護(hù)（先施做棚架范圍內(nèi)主洞鋼架，然后再拆除臨時(shí)支護(hù)的豎撐），拱頂范圍的棚架橫梁作為永久支護(hù)不拆除，另一側(cè)采用同樣的方法施工（詳見圖4）。

圖4 交叉口段斜井進(jìn)正洞挑頂開挖順序示意圖（單位：cm）

⑦待上臺(tái)階初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后，再采用控制爆破配合機(jī)械向?qū)幉ǚ较蜷_挖拱部上臺(tái)階，進(jìn)尺8m。開挖完成后立即初噴混凝土封閉，及時(shí)施作初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。交叉口處正洞5m范圍內(nèi)初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，前10榀鋼架間距0.5m，后續(xù)鋼架間距0.8m。

⑧待小里程方向上臺(tái)階支護(hù)8m后，掉頭采用人工及挖機(jī)向大里程方向（主攻）開挖拱部上臺(tái)階進(jìn)尺7m（同時(shí)斜井最后一模襯砌施工）。開挖完成后立即初噴混凝土封閉，及時(shí)施作初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)將到導(dǎo)洞范圍內(nèi)的上臺(tái)階拱架下落至中臺(tái)階位置。

⑨當(dāng)小里程側(cè)8m范圍內(nèi)上臺(tái)階拱架下落至對(duì)側(cè)中臺(tái)階拱腳處。采用挖掘機(jī)反向開挖金華端，同時(shí)小里程方向上臺(tái)階拱架下落至對(duì)側(cè)中臺(tái)階拱腳處。

⑩當(dāng)上斷面主、副攻掌子面距離達(dá)到35m時(shí)，分段開挖全幅仰拱，每次開挖3m。中臺(tái)階施工時(shí)，左右邊墻分部開挖，兩側(cè)前后錯(cuò)開2～3m，每循環(huán)進(jìn)尺80cm，同時(shí)向前推進(jìn)。同時(shí)小里程方向的上臺(tái)階掌子面繼續(xù)向前掘進(jìn)至45m。

[11]小里程方向仰拱及填充完成36m后，在仰拱填充上進(jìn)行二襯臺(tái)車拼裝。

3.4 施工要點(diǎn)

為確保正洞挑頂施工安全，斜井與正交叉口處，正洞初支不能懸空，需設(shè)置在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，同時(shí)應(yīng)確保正洞初支鋼架鎖腳錨管的施工質(zhì)量，防止拱架下沉。

3.4.1 斜井與正洞交叉段應(yīng)加強(qiáng)斜井與正洞的初期支護(hù)及二次襯砌結(jié)構(gòu)

①斜井加強(qiáng)段（1m范圍）底板內(nèi)設(shè)置I16工字鋼橫撐，橫撐與初期支護(hù)鋼架形成整體，保證橫撐與鋼架連接牢固（為避免橫撐工字鋼受運(yùn)輸車輛的影響，橫撐應(yīng)埋在地面以下，并用混凝土封閉）。

②斜井靠近正洞端18m范圍內(nèi)二襯采用單層鋼筋混凝土襯砌進(jìn)行加強(qiáng)，襯砌厚度35cm，環(huán)向主筋為HRB400 20mm鋼筋，間距20cm，縱向鋼筋為HRB400 12mm鋼筋，間距25cm。

3.4.2 交叉處斜井口初支加強(qiáng)鋼架設(shè)置

為確保正洞施工安全，正洞初支鋼架靠斜井側(cè)基礎(chǔ)需要落在斜井初支鋼架上。斜井與正洞分界處初支鋼架應(yīng)加強(qiáng)，加強(qiáng)鋼架由2榀HW175型鋼鋼架并焊組成。斜井初支鋼架間縱向采用Φ22鋼筋連接，鎖腳錨管垂直于鋼架斜向下施作。

斜井進(jìn)入正洞時(shí)的導(dǎo)坑采用Ⅰ18臨時(shí)鋼架支撐，鋼架縱向間距為0.8m，鋼架間采用Φ22鋼筋焊接。臨時(shí)鋼架頂部網(wǎng)噴15cm厚C25混凝土，鋼筋網(wǎng)格尺寸20cm×20cm，鎖腳鋼管按照每榀4根設(shè)置，形成臨時(shí)支護(hù)體系。棚架結(jié)構(gòu)尺寸見圖5，圖中H、b，根據(jù)現(xiàn)場情況確定尺寸，現(xiàn)場加工。

圖5 臨時(shí)棚架尺寸圖

3.4.3 交叉口段施工要求

①交叉口段正洞上臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺不得大于1榀鋼架間距，中、下臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺不得超過2榀鋼架間距，仰拱每次開挖不得超過3m。

②目前大莊1#斜井?dāng)嗝婺噘|(zhì)砂巖，交叉口段斜井加強(qiáng)段預(yù)留沉降量15cm，交叉口段正洞預(yù)留沉降量25cm，視斷面圍巖產(chǎn)狀及時(shí)調(diào)整。

③交叉口段正洞各臺(tái)階鋼架落腳處預(yù)留60cm采用人工修邊開挖，防止超挖或鋼架懸空。鋼架落腳處需增設(shè)25cm×25cm×5cm（長×寬×厚）混凝土預(yù)制塊，保證鋼架落腳處基礎(chǔ)密實(shí)。

4 監(jiān)測及效果評(píng)價(jià)

施工期間斜井與正洞空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了保證施工安全，在斜井轉(zhuǎn)正洞施工期間進(jìn)了隧道拱頂下沉和凈空變化的量測斷面，取一斷面反映圍巖變化情況，變形監(jiān)測單次最大變形量為1.1mm，最終累計(jì)變形量為8mm，沉降量變化很小，可以認(rèn)為斜井與正洞交叉口處圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測測量結(jié)果說明斜井轉(zhuǎn)正洞施工方案選擇合理可行，能夠確保隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖6 監(jiān)測效果