大斷面黃土隧道斜井與主洞交叉施工技術

李代群 中咨華科交通建設技術有限公司

1.工程概況

劉家塬隧道為曲線形雙向六車道分離式黃土隧道，左線施工里程ZK63+440～ZK64+995，共1555m；右線施工里程YK62+750～YK64+055共1305m，合計共2860m。隧道左右洞間距約為170m；左線最大埋深約115m，右線最大埋深約124m。隧道內襯砌輪廓線寬15.53m，高8.02m，采用復合式襯砌結構，設計時速100km/h，建筑限界凈寬14.5m，凈高5m。

洞室圍巖為中更新統離石黃土，結構致密，含少量鈣質結核，夾谷土壤層，呈大塊狀壓密結構。巖土體波速Vp=1.1～1.3km/s，圍巖穩定性差，洞室開挖洞頂極易坍塌，處理不當會出現大的坍塌，側壁經常出現小坍塌。開挖過程中可出現滴水、滲水現象。

左線斜井設置在左線右側ZK64+175處，右線斜井設置在右線左側YK63+380處，均為無軌雙車道斜井。YK63+380處斜井的長度為96m，縱坡6.51%，與主洞交角67°，斜井進口高程1160.4m，與主洞交接處高程1154.15，距離右線進口547m。ZK64+175處斜井的長度為106.3m，縱坡-5.767%，距離左線出口820m，進口設計高為1159.42，井底的設計高為1153.29。斜井建筑限界系數指標為7×5m。

2.常規隧道挑頂施工

挑頂施工是隧道斜井進入主洞最常用的施工方式[1-2]，主要施工方法是：當斜井施工至與主洞交界處后（與主洞設計二次襯砌最大跨度相交時），停止斜井掌子面施工，即時完成斜井加強段襯砌（一般為主洞交叉至斜井10～20m范圍內）并在與主洞交界處設置雙層門子型鋼拱架，作為交叉口處主洞初期支護的鋼拱架落腳點；然后采用小導洞進行挑頂施工(小導洞一般采用門子型拱架作為臨時支護，小導洞臨時支護頂部略高于主洞初期支護)，直至主洞起拱線位置，再在小導洞內施作主洞初期支護(主洞初期支護拱架靠近斜井一端與斜井主洞交叉處的門子型拱架連接)，完成小導洞位置主洞初支并穩定后，拆除小導洞主洞方向一側豎向臨時支撐，根據實際地質情況采用預留核心土法或單側壁導坑法進行隧道主洞的施工，當隧道主洞上導開挖到一定長度后，進行下導及仰拱施工，使主洞鋼拱架封閉成環，完成挑頂施工。該方法具有施工速度較快，臨時支護等額外工程量小，施工成本低、斜井利用率高(挑頂施工完成后，即可形成兩個工作面)等優點。

但是挑頂施工時斜井交叉口的主洞一側凌空，主線隧道拱頂的巖體的壓力通過斜井口的初期支護傳遞到斜井的墻身，同時主洞與斜井交叉處圍巖處于空間三維受力狀態，受力情況復雜，對圍巖等級要求較高。軟弱圍巖采用這種方法施工時，對支護強度要求大大提高，導致主洞橫向挑頂開挖支護難度極大，且由于挑頂過程中工作空間狹小，無法采用機械進行開挖，只能進行人工開挖，即使發生小面積的掉塊或者坍塌也容易造成人員傷亡，大大增加了施工難度和安全風險。開挖支護不當圍巖極易造成變形下沉甚至塌方，發生重大安全質量事故，且挑頂完成后，交叉口段主洞二次襯砌短時間內無法施工，所以該方案用于本隧道時施工難度和安全風險都將大大提高。

3.斜井斜交進洞漸變擴挖

針對本隧道圍巖等級低，斷面大，易坍塌等特點，如何解決斜井進洞過程中的應力集中、凌空面過大、施工空間狹小、交叉處圍巖受力狀態復雜等問題，成為最大的難題。采用斜井進洞轉向至主洞斷面后，漸變擴挖的施工方法很好地解決了這些難題，當斜井施工至主洞交界處后，不進行挑頂施工，而是以曲線形式轉體進入主洞(斜井斷面及尺寸均不變)，待斜井斷面與主洞斷面平行后，顯喇叭口形式逐步擴挖至主洞標準斷面，形成新的工作面。斜井進入主洞后以曲線形式轉向至與主洞斷面平行，然后漸變擴挖的施工方法相當于一個獨立的曲線小斷面隧道，受力情況和普通的小斷面隧道受力狀況相似，避免了應力集中和斜井與主洞交叉處圍巖空間三維受力的復雜狀態，而且斜井斷面向隧道主洞斷面的過渡采用喇叭口漸變的方式施工，有利于隧道圍巖的穩定，對隧道圍巖的等級要求大大降低，非常適合軟弱圍巖斜井進洞的施工。

3.1 主要施工方法及施工工藝

（1）斜井施工至主洞位置后，以曲線形式進入主洞。

（2）斜井掌子面施工至與主洞斷面平行后，采用喇叭口擴挖方式逐漸擴挖至主洞斷面（擴挖段長度根據實際圍巖情況確定），并施作臨時仰拱。

（3）擴挖完成形成新的工作面，進行主洞施工作業直至主洞貫通。

（4）主洞貫通后，為保證擴挖段及主洞范圍內斜井換拱施工及后期運營安全對擴挖段及斜井進行回填。

（5）逐榀拆除擴挖段及主洞范圍內斜井的臨時支護并逐榀施工主洞初期支護至隧道貫通。

3.2 施工注意事項

（1）施工中加強圍巖量測，根據圍巖量測結果及時反饋支護信息，確保支護措施安全合理。

（2）斜井進入主洞時，在滿足行車要求條件下，盡量采取直交進洞，以減短斜井與主線交叉面長度，降低后期換拱處理難度。

（3）由于喇叭口擴挖段鋼拱架的支護方向與圍巖壓力方向不是垂直受力關系，喇叭口段擴挖角度越大，圍巖壓力方向與鋼拱架交角越大，側向推力越大，拱架受力越差，支護強度要求越高，圍巖變形越難控制，施工難度和施工成本也越高；擴挖角度越小，擴挖段越長，隧道貫通后回填和換拱工程數量越大，所以應根據實際地質情況合理設置喇叭口擴挖段的擴挖角度，保證方案經濟性和合理性。

（4）斜井進入主洞，經轉向與主洞方向一致后，綜合考慮支護情況，靠近主洞一側初期支護參數可按照主洞初期支護施工，以減少后期換拱工程數量，降低施工成本。

（5）對擴挖段及斜井進行回填時，為防止斜井換拱時擴挖段及主洞范圍內圍巖應力改變導致主洞與斜井交叉處斜井初支變形或者垮塌，以及減少后期主洞范圍外廢棄斜井后期變形或垮塌對主洞造成影響，主洞與斜井交叉面以外8m范圍內宜采用片石混凝土回填或漿砌片石砌筑，擴挖段及其余部分可采用素土或洞渣回填。

3.3 存在問題

（1）該方法施工進入只能形成一個工作面，不利于快速展開施工，如需增設工作面，需在導洞進入主洞前增設支導洞，以同樣方式進洞。

（2）進入主洞后斜井轉向施工及喇叭口擴挖段落臨時支護與挑頂施工相比均屬于附加工程，且主洞貫通后均需拆除，施工成本較挑頂施工有所增加。

（3）主洞貫通后，需對斜井和擴挖段進行回填，并對喇叭口及主洞范圍內斜井段落進行擴挖換拱處理，較挑頂施工后期處理施工難度和施工成本都有所增加。

（4）該方案由于施工周期和施工成本比傳統的挑頂施工都有所增加，對于圍巖較好或斷面較小的隧道并不適用，所以僅適用于圍巖較差不適合挑頂施工的隧道。

4.結束語

大斷面黃土隧道，土質疏松、圍巖軟弱、含水量大，在施工中容易發生變形及坍塌，增設斜井時如采取常規的挑頂施工，支護強度要求高，施工難度大，且安全風險難以控制，采取斜井進洞后轉向漸變擴挖的進洞方式，避免了軟弱圍巖地段挑頂施工難度大，質量安全隱患多，開挖支護不當圍巖很容易下沉變形，甚至塌方發生重大質量安全事故的危險，雖然該方法較隧道挑頂施工成本及施工周期都略有增加，但其大大降低了軟弱圍巖地段斜井進入主洞的施工難度和安全風險，避免了大斷面黃土隧道采用挑頂施工易導致變形或坍塌的情況，對軟弱圍巖斜井進洞施工具有極其重要的意義。