軟弱圍巖隧道斜井轉正洞設計與施工技術

楊延勇

(中鐵二十局集團第四工程有限公司，山東青島 266061)

1 隧道斜井轉正洞存在問題

近年來，隨著國內鐵路市場的發展，受地形、地貌影響，隧道工程數量也大量增加，而在長大隧道施工中，受施工工期的制約，需設置斜井、豎井或平行導坑等來實現“長隧短打”，達到縮短施工工期的目的。在我國已建成的隧道中，斜井設置較為常見［1］。其中斜井與正洞過渡段為最關鍵部位，如何實現斜井轉正洞施工安全、合理、快速是目前各相關單位共同研究的課題，同時斜井轉正洞施工尚存在以下幾個方面的問題。

(1)對于鐵路隧道斜井轉正洞施工，一些情況下只給出設計框架或說明，需要施工單位結合斜井轉正洞的圍巖情況以及施工安全、質量和進度等實際情況進行細化。

(2)斜井轉正洞過渡段是薄弱環節，尤其是軟弱圍巖隧道的斜井與正洞交叉口處，處理不當會造成初期支護變形較大，甚至塌方［2］。

(3)隧道斜井轉正洞要采取挑頂方法操作，而挑頂施工方法比較多，總的來說分為垂直挑、斜向挑兩種［3］，而在軟弱破碎圍巖地段采用挑頂的具體施工方法并沒有模式化的解決辦法。

2 工程概況

新建山西中南部鐵路通道工程為雙線鐵路，其等級為國家Ⅰ級重載鐵路，設計軸重300 kN，其ZNTJ-19標西鐵車2號隧道位于山東省萊蕪市西鐵車村東南至沂源縣小張莊村，隧道穿越碌碡陡坡及山間河谷區。隧道里程 DK1076+119～DK1083+970，全長7 851 km，為單洞雙線隧道，設計為單面坡。該隧道在DK1080+356處設置1處斜井，雙車道斷面，凈寬7.7 m，拱頂距斜井底高度6.2 m，斜井位于線路前進方向左側，與正洞平面交角為89°，斜長672.7 m，綜合坡度為8.7%，斜井進入正洞后雙方向施工。斜井與正洞相交處圍巖級別為Ⅳ級，開挖斷面面積為97.7 m2，巖性為灰巖夾頁巖，薄層狀，產狀近水平，節理裂隙發育，圍巖遇水易軟化，開挖后存在掉塊現象，并有少量滲水。斜井自2010年11月17日進洞以來，穿越圍巖多為薄層狀灰巖，地質條件極差，工期壓力巨大。選擇合理的斜井轉正洞施工方法顯得尤為重要。

3 斜井轉正洞的設計

3.1 斜井轉正洞總體方案

根據斜井使用時間較長以及斜井轉正洞相交處受力復雜的特點，斜井轉正洞應在適當保守的基礎上進行設計。

根據超前地質預報和實際圍巖開挖情況，確定西鐵車2號隧道斜井與正洞交叉處圍巖與設計相符?？紤]此種情況，同時為便于將來主洞施工，在斜井口DK0+005～DK0+000段設置為喇叭口狀，喇叭口與斜井呈30°角，斜井轉正洞施工過渡段設置5 m［4］，即斜井施工至DK0+005，進入斜井轉正洞前期過渡，斜井斷面逐漸抬高和加寬。斜井轉正洞施工采用鋼拱架和“門”式鋼架挑頂和加寬，再采用加強支護門式小導洞爬坡進入正洞交叉段，然后施作正洞交叉段支撐體系，直至轉入正洞正式施工。斜井與正洞相交處施工順序示意如圖1所示。

圖1 斜井與正洞相交處施工順序示意(單位:m)

3.2 斜井與正洞相交處施工布置

斜井與正洞相交處施工平面、立面如圖2、圖3所示。

3.3 斜井與正洞交叉口處“門”架設計

(1)斜井與正洞交叉口處設置“門”式鋼架與鋼拱架加強環作為主洞初期支護鋼拱架半幅的支撐載體。因該處應力集中，為薄弱環節，該處采用并排2榀I20a型鋼鋼拱架制成，再在其正上方安裝并排2榀I20a型鋼制成的“門”式鋼架，頂部橫梁與豎向支撐采用焊接16 mm厚鋼板后，再用M24×80 mm螺栓連接，鋼拱架和“門”式鋼架均采用φ16 mm短鋼筋縱向連接，同時兩者之間也采用鋼筋焊接連成整體。斜井與正洞相交處門架正面示意如圖4所示。

圖2 斜井與正洞相交處施工平面(單位:m)

圖3 斜井與正洞相交處施工立面(單位:m)

圖4 斜井與正洞相交處門架正面示意(單位:m)

3.4 小導洞內門架的設計

斜井轉正洞首先采用門式小導洞爬坡進入。考慮工作空間需求，小導洞凈寬設計為3.5 m，高度根據正洞斷面高度適當加高，以滿足后續正洞初期支護施工要求。小導洞內門架采用I12.6型鋼現場拼裝制成，頂部橫梁與豎向支撐采用焊接厚16 mm鋼板后，再用M24×80 mm螺栓連接。小導洞門架拼裝大樣如圖5所示。

圖5 小導洞門架拼裝大樣(單位:cm)

4 斜井轉正洞施工要點

4.1 過渡段施工

斜井DK0+005～DK0+000過渡段采用臺階法施工。根據喇叭口和正洞拱頂高程情況，將斜井斷面逐漸抬高和加寬。初期支護鋼拱架采用I16型鋼制成，鋼拱架縱向間距1.0 m，上臺階拱腳處每側設置雙排φ42 mm×5 mm鎖腳錨桿，單根長4.5 m。鋼架上滿鋪鋼筋網片，鋼筋網間距25 cm×25 cm。系統錨桿拱部采用φ25 mm中空錨桿，邊墻采用φ22 mm全長粘結砂漿錨桿，間距1.5 m×1.5 m，單根長3.5 m，錨桿尾端與鋼拱架焊接牢固。鋼拱架間采用φ22 mm鋼筋縱向連接，縱向連接筋環向間距1.0 m。噴射混凝土厚度25 cm。

當斜井上臺階開挖至與正洞開挖輪廓線交叉點處時，先精確安裝斜井口最后一榀雙排鋼拱架，再在其正上方安裝門架，鋼拱架與門架采用鋼筋焊接連成整體。在環向施作1環φ25 mm中空錨桿，間距1.0 m，單根長3.5 m，錨桿尾端與門架焊接牢固，上臺階門架腳部每側設雙排φ42 mm×5 mm鎖腳錨桿，同時采用φ22 mm縱向連接筋與后方鋼拱架焊接牢固，然后噴射混凝土封閉門架邊墻部位。因該處處于正洞交叉位置，應力集中，為保證安全，噴射混凝土厚度30 cm。

4.2 斜井轉正洞

斜井上臺階繼續開挖，采用門式小導洞爬坡進入正洞交叉段。小導洞內臨時支護鋼架采用I12.6型鋼制成的門架，門架凈寬3.5 m，縱向間距1.0 m，腳部每側設置單排φ42 mm×5 mm鎖腳錨桿，單根長3.0 m。門架頂部鋪設間距為25 cm×25 cm的鋼筋網，并打設φ25 mm中空錨桿，單根長2.5 m，間距1.0 m×1.0 m，錨桿尾部伸出支護表面25 cm，預備與正洞鋼拱架連接。鋼架間采用φ22 mm鋼筋縱向連接，縱向連接筋環向間距1.0 m。噴射混凝土厚度不小于10 cm。

4.3 小導洞內正洞初期支護施工

小導洞開挖支護直至正洞右側開挖輪廓線外側完成，開始施作正洞初期支護。小導洞內正洞交叉段初期支護適當加強，鋼拱架采用I20a型鋼鋼架，鋼架縱向間距1.2 m，并與小導洞內預留出的系統錨桿焊接牢固。鋼架一端支撐于正洞右側基巖上，并設置雙排φ42 mm×5 mm鎖腳錨桿，單根長4.5 m，另一端支撐于斜井口處門架頂部橫梁上。施工時，在門架頂部橫梁焊接打孔鋼板，用M24×80 mm螺栓與正洞鋼拱架連接。鋼拱架間采用φ22 mm鋼筋縱向連接，縱向連接筋環向間距1.0 m。噴射混凝土厚度25 cm。

4.4 正洞開挖支護施工

小導洞內正洞初期支護施工完成后，根據工程特點要求，先將正洞小里程側門架拆除，開挖上部弧形導坑，并按小導洞內正洞交叉段支護形式進行支護。鋼拱架縱向間距1.2 m，其上鋪設鋼筋網，鋼筋網間距25 cm×25 cm。拱部打設φ25 mm中空錨桿，單根長3.0 m，縱、環向間距1.2 m×1.0 m。噴射混凝土厚度25 cm。開挖支護施工直至斜井口處門架端頭，噴射混凝土封閉掌子面，暫停小里程方向開挖。然后按上述步驟反向施工至斜井口處門架另一端頭，至此正洞上部弧形導坑初期支護施工完畢。開始按設計Ⅳ級圍巖施工方法向小里程方向逐步擴挖成正洞上臺階，形成工作面，支護完畢后噴射混凝土封閉掌子面，反向開挖斜井口門架范圍內正洞中導坑。

斜井口門架范圍外正洞兩端上臺階開挖20 m之后，開挖斜井過渡段下導坑和門架范圍內正洞下導坑。中、下導坑開挖過程中，要先將門架和斜井段鋼架落底，再將門架范圍內正洞線路右側鋼架落底。至此正洞交叉段全部施工完成，可按設計要求轉入正洞正式施工。

4.5 施工注意事項

(1)對于軟弱圍巖隧道斜井轉正洞過渡段施工，斜井、小導洞、正洞施工均要堅持“短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測”的原則進行，一次開挖進尺一般不大于1榀鋼架間距。

(2)機械開挖和排險時，為防止挖掘機等大型機械與已支護好鋼架發生碰撞，造成鋼架損壞，施工過程中要指派專人進行指揮，嚴格限制機械作業限界，防止碰撞鋼架。

(3)斜井過渡段施工前，要做好過渡段、正洞交叉段支撐體系鋼拱架、斜井口和小導洞門架細部尺寸以及各項開挖斷面的技術交底工作，確保施工順利進行。

(4)斜井口處門架要求必須定位準確，門架和正洞交叉段支撐體系鋼拱架不得侵限。

(5)鋼拱架和門架邊墻拱部(頂部)、邊墻用噴射混凝土充填密實。腳部空隙要用混凝土楔塊頂緊，不得置于虛渣和松動圍巖上，軟弱圍巖地段，腳部須加設墊板或墊梁，確保鋼架置于牢固的基礎上。

(6)斜井口處門架中、下導坑接長時，要盡快完成，必要時設豎向臨時支撐頂部后再接長，避免暴露時間過長造成下沉，同時兩端不得同步進行。

(7)斜井與正洞掌子面施工時，要設專人值班，隨時觀察圍巖及支護狀態的穩定性。

(8)加強超前地質預報工作，及時核對地質情況，發現地質情況與設計不符要及時調整施工方案。

(9)現場監控量測是隧道施工管理的重要組成部分［5］。施工過程中要加強監控量測工作，斜井口門架頂部中心、邊墻設置一組監控量測點。正洞交叉段支撐體系范圍每5 m一個斷面設置監控量測點，每天觀測2次，如有異常，要及時通知相關單位采取措施處理。同時可對斜井與正洞交叉口處“門”架橫梁兩端、中心以及邊墻豎向支撐進行應力監測，總結應力徐變規律，為及時修正支護參數和后續施工提供參考。

(10)錨桿與鋼架、鋼架間縱向連接筋必須焊接牢固，保證鋼架與噴射混凝土連成一體。

(11)及時施作斜井交叉口處二次襯砌和正洞交叉段口處仰拱及兩端二次襯砌，確保安全施工。

(12)制定斜井轉正洞安全施工應急預案，做好應急物資、設備的儲備工作。

(13)考慮實際施工時圍巖變化復雜等因素影響，可適當加強支護措施，如縮小鋼架縱向間距、增加錨桿長度和密度、增加超前小導管支護等，且為確保施工安全，實際施工時斜井口處門架下方再安設并排2榀I20a型鋼拱架并噴射混凝土做支撐。

(14)必要時，根據設計要求，可在斜井過渡段施作二次襯砌，二次襯砌模板可采用木模或小塊鋼模拼裝制成。

5 結語

斜井為隧道正洞開辟新的工作面，可達到加快施工進度的目的，而斜井能否順利進入正洞，成為影響施工進度的關鍵。提出在斜井轉正洞過渡段設置喇叭口形式，成功應用于山西中南部鐵路通道ZNTJ-19標西鐵車2號隧道斜井轉正洞施工實踐中。實踐證明，喇叭口形式提高了施工工效，減少了施工過程中交叉作業的安全隱患，同時，利用斷面特點可有效地抵消交叉口處正洞初期支護對斜井的縱向推力作用［2］。該方案合理可行，安全可靠，通過合理的工序安排，并以嚴謹的態度嚴格按照規范施工，西鐵車2號隧道從斜井過渡段到轉入正洞施工僅用時10d，安全無傷亡，為正洞施工贏得了時間，取得了業主和設計方的認可。

［1］薛模美.胡恒福.客運專線隧道斜井轉正洞施工技術研究［J］.鐵道標準設計，2008(4):90-93.

［2］趙生彬.辛軍響.軟弱圍巖大斷面隧道斜井進正洞挑頂施工技術［J］.鐵道標準設計，2008(S1):132-134.

［3］付艷麗.隧道斜井進正洞挑頂施工技術［J］.鐵道建筑，2011(6):83-85.

［4］鐵道部經濟規劃研究院.TZ 204—2008 鐵路隧道工程施工技術指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［5］張國輝.大斷面黃土隧道斜井進正洞施工工藝［J］.鐵道建筑技術，2007(S):99-101.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB10304—2009 鐵路隧道工程施工安全技術規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［7］龍蛟.石板山隧道斜井與正洞交叉段施工方法與技術［J］.國防交通工程與技術，2010(1):50-53.

［8］付國宏.7號斜井進正洞挑頂施工技術［J］.鐵道標準設計，2005(9):77-79.

［9］閆志剛.鷹鷂山隧道斜井進正洞挑頂施工技術［J］.鐵道建筑，2009(11):47-48.

［10］馬棟，黃立新.鐵路長大隧道斜井與正洞交叉段軟弱層狀圍巖開挖支護施工方法淺析［J］.工程力學，2000(S):751-757.