干陽溝隧道0號斜井挑頂方案比選和優化

柳福鑫

(中交一航局第二工程有限公司，山東青島 266071)

0 引言

山西中南部大能力鐵路對外通道是西起瓦塘東至日照南站的新建貨運專線，是一條“西煤東運”的能源運輸動脈，也是我國東西向路網干線鐵路之一，對我國國民經濟發展具有重要的能源安全保障作用。干陽溝隧道位于臨汾市浮山縣境內，全長8 460 m，為單洞雙線隧道，處于丘陵區，地面標高720 m～920 m，相對高差約200 m，依次通過第四系松散堆積層、上三系粉質黏土、第三系延長組砂巖夾泥巖、中統銅川組砂巖夾泥巖等地層，隧道正常涌水量46 m3/d～329 m3/d，圍巖穩定性極差，成洞困難。今年2月5日劃歸晉中南鐵路項目部時，全隧道僅完成17%的工程量，成為全線制約鋪架的控制性工程，剩余施工任務量巨大、施工工期極度緊張，已經引起業主的高度重視，為順利完成0號斜井施工任務，確保鋪架工期，選定安全可控的挑頂施工方案具有舉足輕重的意義。

1 工程概況

干陽溝隧道0號斜井位于線路前進方向右側，與線路相交于DK363+125里程處，XODK0+000～XODK0+190段與平面交角為40°，斜井綜合坡度為10.66%，斜井斜長191.16 m，與隧道采用斜交單聯式，無軌運輸單車道襯砌斷面，XODK0+190～XODK0+ 275段為拉槽段，斜井全長范圍內均為Ⅴ級圍巖，承擔正洞1 133 m施工任務。

0號斜井與正洞交接段為上第三系上新統粉質黏土，棕紅色，土質均勻、結構緊密，含砂量較高，堅硬，斜井上臺階潮濕，下臺階有地下水滲出，局部垂直節理發育明顯，掌子面穩定性較差，排水量達160 m3/d。

2 斜井挑頂正洞施工方案

結合黃土隧道施工特點和干陽溝隧道0號斜井圍巖地質情況，共制定了3套斜井挑頂正洞施工方案。

2.1 換拱法施工方案

斜井施工至正洞右線邊緣后，按斜井斷面以曲線轉體進入正洞，待斜井中心線與正洞中心線重合后(轉角90°)，上坡開挖斜井斷面直至斜井頂標高與正洞頂標高一致，并繼續按正洞斷面尺寸施作5 m～10 m上臺階初期支護，形成作業空間后反向按正洞尺寸擴挖臨時支護，直至挑頂段施工完成。斜井進入正洞平面關系見圖1。

2.1.1 施工步驟

1)施作曲線段異型鋼架支護，完成斜井中線與正洞中線重合的過渡施工，此過程中斜井導洞斷面標高保持不變;2)以20%的上坡坡度進行斜井斷面挑頂施工，直至斜井頂標高與正洞頂標高一致，按照正洞斷面尺寸繼續施作5 m～10 m上臺階初期支護，為反向施工提供作業空間，反向施工前需封閉大里程掌子面;3)反向拆除斜井導洞初支支護，每次僅拆除1榀，按照設計斷面施作正洞初期支護，斷面擴挖施工時先進行右線加寬施工，再進行左線加寬施工，施工中需支立豎向臨時支撐;4)反向擴挖施工至DK363+105里程時，噴射混凝土封閉掌子面，停止小里程上臺階施工，進行中下臺階施工，盡早使交叉口段初期支護封閉成環。

圖1 斜井與正洞平面位置示意圖

2.1.2 施工控制要點

1)斜井曲線轉體進入正洞段，轉體角度為90°，需提前計算、加工好各榀異型鋼架;

2)斜井導洞爬坡角度根據轉體段圍巖情況及時調整，如圍巖情況較好，為盡快到達正洞頂設計標高，在滿足施工安全和機械作業的前提下，可適當提高爬坡角度，如圍巖情況較差，則需適當降低爬坡高度;

3)反向拆除斜井導洞臨時支護，施工正洞斷面支護時應嚴格施工工序，先右線后左線，先拱頂后邊墻，嚴禁掏底開挖;

4)各初期支護參數嚴格按照設計要求施作，特別是鋼拱架嚴禁懸空，造成安全隱患;

5)應加強、加密挑頂段圍巖監控量測頻率，及時反饋量測信息，以便指導、調整支護參數，確保施工安全。

2.2 導洞法施工方案

在斜井與正洞交接處采用4 m×3 m(寬×高)小導洞向上挑頂施工。導洞頂標高比設計開挖輪廓線高27 cm，并預留15 cm沉降變形量，開挖過程中導洞高度固定不變，底標高根據正洞輪廓標高變化而變化，直至隧道橫斷面導洞施工完成。

2.2.1 施工步驟

1)進行斜井與正洞交接處加強環及龍門架施作，為保障施工安全，采用并排支立兩榀龍門架的施工方案，單榀龍門架及加強環加工見圖2;

2)斜井靠近正洞15 m長范圍內填碴順坡，即提供施工便道也起到反壓支護作用;

3)進行小導洞挑頂施工，將正洞上斷面拱形結構初期支護分為21個相互連接的節段，各節段水平投影長度0.6 m，施工時每次開挖一個節段，在節段前端安設臨時導洞工字鋼支撐門架，待第21個節段開挖完成后，整個臨時導洞便已施工完成;

4)支立正洞Ⅰ20a型鋼骨架，型鋼骨架左側支立在原狀圍巖上，右側支立在斜井與正洞相交處的門架上，待正洞型鋼骨架及噴射混凝土完成后;拆除臨時支撐門架的立腿，進行正洞上臺階開挖施工，完成斜井到正洞的施工體系轉換，轉由拱形支撐承受全部荷載。

圖2 龍門架及加強環加工示意圖

2.2.2 施工控制要點

1)斜井與正洞交接處處于三維受力狀態，正洞右側初期支護坐落在龍門架上，龍門架必須焊接牢靠且坐落在原狀圍巖上，支立及接長龍門架施工時需提前預制混凝土墊塊，防止開挖尺寸與龍門架尺寸不一致造成門架立腿懸空;

2)挑頂正洞施工前應完成斜井加強段初支成環和二次襯砌施工，為挑頂施工提供穩固的受力支撐;

3)做好挑頂正洞量測工作，挑頂小導洞頂標高必須高于設計開挖斷面頂標高27 cm，并預留沉降變形量，嚴禁欠挖;

4)挑頂門架立腿采取現場加工焊接作業，隧道圍巖節理發育，底部邊緣處圍巖存在坍塌可能，現場加工符合實際長度的立腿有利于開挖面及早封閉，相鄰門架間應采用連接筋焊接成整體受力;

5)正洞初期支護應采取加強措施，拱腳兩側采用雙排鎖腳錨管固定鋼架，緊貼鋼架打設間距1.0 m×0.6 m(環向×縱向)的砂漿錨桿，減小拱部對門架的壓力。

2.3 類CRD法施工方案

在交叉口處直接進行正洞挑頂開挖，開挖高度為設計高度加預留沉降量，開挖寬度為設計鋼架間距寬度，為滿足人員作業空間需求，開口處可依據實際情況適當加寬，施工順序見圖3。

圖3 類CRD法施工正洞開挖示意圖

2.3.1 施工步驟

1)進行交叉口處斜井挑頂正洞龍門架施工及順坡碎石回填; 2)采用人工風鎬法按照類CRD法開挖正洞，按順序先開挖①部，①部正洞鋼架采用異型鋼架，右側鋼架直接搭接在斜井龍門架上，臨時支護坐落在原狀圍巖上，進行混凝土噴射施工，臨時支護處只需噴射約10 cm厚混凝土進行掌子面封閉，為降低②部開挖及出碴難度，可先進行3榀～5榀①部開挖施工;3)拆除①部臨時支護混凝土，進行②部開挖并施作臨時支護，依次進行③部開挖支護;4)向小里程方向進行上臺階開挖作業，開挖進尺宜超過門架邊緣里程10 m，到達預定里程位置后封閉掌子面反向向大里程方向開挖上臺階至預定里程;5)上臺階施工完成后，及時進行④⑤⑥部中臺階開挖支護;6)循環施工，逐步完成斜井到正洞施工的空間和工序轉換。

2.3.2 施工控制要點

1)單循環開挖進尺深度達4.2 m，需設置專職安全人員全程旁站挑頂開挖過程，如圍巖情況較差，應及時采取應急措施封閉掌子面，降低開挖深度，增加臨時支護頻率;

2)開挖過程中應就近設置應急物資，特別是應急工字鋼、切割作業設備及發電設備;

3)開挖過程中應及時通風，確保正洞開挖狹小空間內空氣質量;

4)為降低正洞初支鋼架對門架的壓力，靠門架側拱腳處需打設4根鎖腳錨管，鋼架需每間隔1 m打設定位系筋和砂漿錨桿;

5)拆除臨時工字鋼支護后需增加豎向木支撐，然后再進行下部作業。

3 施工方案比選

通過施工安全風險、施工難易度、作業周期和施工成本等多方面的比較(見表1)，發現換拱法施工方案安全系數最高但拆除工作量極大，在干陽溝隧道施工工期如此緊張的前提下，可取性不強。類CRD法施工方案安全系數較小，支立和拆除作業交叉進行，三岔口段施工時間較長，不可預見性風險較大，最終選定小導洞法施工方案作為干陽溝隧道0號斜井的挑頂施工方案。

表1 施工方案優缺點對比

4 結語

按照小導洞法進行的干陽溝隧道0號斜井挑頂正洞施工效果良好，僅用時8 d就實現了斜井施工向正洞施工的空間和工序轉換，用時12 d實現人工作業向機械作業的轉換，共計用時28 d完成交叉段30 m上中臺階初期支護施工，達到了預期的效果，得到了業主的認可，為黃土隧道挑頂施工積累了施工經驗，具有一定的借鑒意義。

［1］ 康 軍.黃土公路隧道設計與施工技術研究［D］.西安：長安大學博士學位論文，2006.

［2］ 賀廷西，蘇萬軍.石太鐵路客運專線大斷面黃土隧道施工技術［J］.鐵道標準設計，2007(4)：21-24.

［3］ 周建富.軟弱圍巖隧道施工技術［D］.成都：西南交通大學，2005.

［4］ 史海勇.交口隧道3號橫洞挑頂方案和施工方法［J］.山西建筑，2009，35(8)：323-324.