橫洞爬坡法在鐵路隧道施工中的應用

趙景宇

(中鐵十九局集團第三工程有限公司， 遼寧 沈陽 110136)

1 工程概況

某隧道位于甘肅省慶陽市西峰區彭原鄉，行走于黃土梁塬溝壑區。地面高程1 270～1 430 m，相對高差越160 m，南側塬面緩平，北側沖溝發育，多為“V”型溝，隧道西安端洞口位于慶陽市西峰區彭原鄉李寺村塬面，交通便利；銀川端洞口位于驛馬溝右岸黃土梁斜坡上，車輛可至塬邊，交通較為便利。隧道起訖里程：DK254+200～DK259+006.36，全長4 806.36。隧道內縱坡依次為22.5‰、25‰的單面下坡；整座隧道左線位于R-7000m的曲線上，右線位于R-6995m的曲線上。

隧道增設橫洞位于線路右側，洞身穿越第四系中更新統風積黏質黃土(Q2eol3),橫洞進口處有一淺層黃土滑坡體存在。橫洞長340 m，與正洞交點里程DK257+400,井底高程1 319.2918 m，平面夾角為83°5′44″，縱坡為向洞外9%(85 m)，1%(255 m)的下坡，采用雙車道無軌橫洞，按臨時工程設計。

線路經過的地層為第四系中更新統風積黃土(Q2eol3)。

工點區地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水，第四系松散層孔隙潛水主要分布于黃土塬上部，含水層主要為中更新統黏質黃土，工點處地下水水位約為75 m。橫洞洞身位于地下水位以下，施工掘進中局部出現滲、滴水現象，地下水對隧道施工有一定影響。

2 施工方案

2.1 總體方案

2.1.1 工程特點

橫洞洞身穿越第四系中更新統風積黏質軟塑黃土，橫洞拱頂距離軟塑層4.5～6.5 m，垂直節理發育，水敏性強，含水率高。開挖后掌子面穩定性極差，極易發生變形、坍塌，施工難度大，安全風險高。橫洞與隧道正洞交叉處跨度較大，處于復雜的三維受力狀態[1]，正洞初期支護必須坐落于嚴格牢固的落腳平臺。

2.1.2 工程難點

(1)洞身開挖后，洞室周圍土體處于臨空狀態，地下水力坡度發生變化，在動、靜水壓力作用下,土體結構極易受到破壞，強度急劇降低，發生變形、破壞，掌子面穩定性極差，在拱頂易發生塌方及變形，邊墻易發生滑動，墻腳流土(泥)等破壞現象[2]。

(2)軟塑狀黃土，錨管作用效果差，拱腳穩定性不易控制，支護結構整體沉降大。如何預防支護結構的整體下沉、控制圍巖穩定是施工的關鍵。

(3)針對軟塑黃土地層，如何制定排水方案降低土體含水率，改善物理力學性能，同時優化工序工法，加強機械配套以達到及早封閉、安全快速施工的目的是方案制定的關鍵。

(4)雙車道橫洞斷面大，交叉口處為受力集中點，橫梁跨度大，集中受力為薄弱點。

2.1.3 總體施工方法

橫洞與正洞交叉口結構特殊，在橫洞接近正洞時，橫洞斷面雙車道長度10 m。在正洞與橫洞相交處，正洞采用小導洞法開挖[3]。導洞由橫洞開始斜向上爬坡開挖達到正洞拱頂高程，再下坡開挖至正洞外側上臺階拱腳，然后在小導洞范圍內施工正洞上臺階初期支護，完成工序轉換后，按標準的正洞斷面進行正洞開挖。

2.2 施工工藝流程

施工工藝流程，見圖1。

圖1 施工工藝流程

2.3 分步施工方案

2.3.1 橫洞施做大管棚

具體措施如下：拱部180°范圍施做Φ108大管棚+Φ42小導管進行超前支護并預注漿，采用臺階法設臨時橫撐(I18鋼架)輔助施工。全斷面設I25a型鋼鋼架，間距0.5 m/榀，噴射混凝土標號提高至C30，厚度28 cm[4]。

2.3.2 門梁架設施工

根據門梁受力計算，橫梁越短受力越小，則變形量越小，同時為避免橫梁范圍內的焊接接頭，保證橫梁一次性安裝到位。為盡可能縮短門梁跨徑，施工時門梁立柱置于初支內，安裝位置位于橫洞初期支護兩榀鋼拱架之間，最終確定的門梁跨徑為11.21 m。門梁與橫洞最后一循環初支拱架同時安裝，采用兩臺階安裝，初期支護下臺階接長時同時接長門梁立柱，立柱坐落于條形基礎之上。在橫洞左右兩側邊墻腳處澆筑1.0 m×0.76 m×0.6 m的C25混凝土條形基礎，并預埋尺寸為65 cm×40 cm×15 mm的鋼板，鋼板底部設置4根Ф22錨筋(帶彎鉤)，長度45 cm/根。條形基礎強度達標后，安裝門梁豎腿，長度7.78 m，上部與橫梁預留連接板螺栓連接，下部與條形基礎預埋鋼板焊接牢固，條形基礎與橫洞仰拱澆筑為整體。交叉口處最終受力結構詳見圖2。

圖2 橫洞與正洞交叉口處受力結構圖

2.3.3 橫洞向主洞管棚施工

交叉口處受力形式比較復雜，且工字鋼門梁至第1榀小導洞鋼架之間的高差為1.03 m，爬坡難度比較大，圍巖易失穩。為保證安全，自橫洞H3+28.24處向4 m寬小導洞門架范圍內施工超前大管棚以保證安全，采用Φ108超前大管棚，施工角度為上仰33°，長度7.0 m/根，環向間距0.5 m，施工7根，管棚內注雙液漿加固。

大管棚施工采用管棚鉆機，在橫洞上臺階完成下臺階落底前施工，將上臺階作為鉆機平臺，橫洞初期支護鋼拱架作為管棚支撐點。

2.3.4 小導洞爬坡施工

小導洞爬坡開挖支護采用I20a型鋼鋼架支護，凈寬4 m，高度隨爬坡施工相應調整。鋼架間距0.6 m/榀，兩側拱架各設置2根Φ89鎖腳錨管，長度L=4.0 m，每循環開挖完成后對所有暴露的圍巖采用C25噴射混凝土封閉，厚度25 cm。小導洞開挖預留變形量為40 cm。

2.3.5 正洞上臺階鋼拱架安裝

23榀小導洞門架全部施工完成后，小導洞由右側邊墻爬坡施工至左側邊墻，正洞上臺階作業面全部形成，此時按照正洞初期支護設計參數進行上臺階拱架安裝，此處正洞初期支護鋼拱架安裝前需要將橫洞洞內襯砌全部施工完成。上臺階拱架采用I25a型鋼鋼架，間距0.5 m，鋼架采用異型結構。

正洞右側拱腳置于橫洞門梁上，并與門梁采用焊接連接牢固；左側拱腳置于圍巖上，采用擴大拱腳的方式避免拱部沉降，同時拱腳設置4根Φ108鎖腳錨管加固，長度L=6.0 m，安裝角度斜向下45°。

3 施工中注意事項

橫洞與正洞形成的喇叭口，由于開挖斷面大，作為施工通道放置時間長，圍巖在應力重分布和應力釋放的過程中，會引起支護結構產生位移、變形，直至支護結構破壞，危及隧道安全，因此在施工中建立嚴密的監控量測是保證安全的主要手段，同時也是調整支護參數的信息來源。

在挑頂施工期間，監控量測布點嚴格按照規范要求進行布設，同時量測頻率由每天1次加密至2～4次(視變形情況而定)，將各監控量測的預警級別全部提高一級，并每周組織專題會分析沉降變形情況，分析主要內容如下：在取得圍巖監控量測數據后，及時整理分析數據。結合圍巖、支護受力及變形情況，進行分析判斷，將實測值與允許值進行比較，及時繪制各種變形或應力～時間關系曲線，預測變形發展趨向及圍巖和隧道結構的安全狀況，并將結果反饋給設計、監理，從而實現動態設計、動態施工。

(1)若時間—位移曲線出現反常，表明圍巖和支護已呈不穩定狀態，應加強支護，必要時暫停開挖并進行施工處理。

(2)當時間—位移曲線趨于平緩時，可進行數據處理或回歸分析，從而推算最終位移值和掌握位移變化規律。

(3)當各量測項目的位移速率明顯收斂，圍巖基本穩定后，可進行二次襯砌的施作。

4 小結

本文通過對橫洞貫穿主洞時開挖施工、大管棚、門架安設施工時的方法及注意事項的研究，得出了以下結論：在開挖時，特別是軟弱圍巖地區要遵循短進尺、快支護的原則，開挖面不能暴露時間過長；精確控制大管棚安裝角度，確保管棚不侵入初期支護限界；嚴格按設計圖制作安裝鋼拱架。