金甬鐵路大莊隧道一號斜井轉正洞施工技術

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

大莊隧道是金甬鐵路重難點控制工程之一，隧道全長5795m，Ⅳ、Ⅴ級圍巖共占隧道總長的91.39%，地質十分復雜，穿越地層起伏較大，淺埋偏壓段較多。隧道穿越泥質粉砂巖、多期玄武巖下部發育古風化殼，巖體自穩性質較差，開挖時頂部易垮塌。結合地質條件、施工組織要求，大莊隧道在DK83+430、DK84+450附近分別設置長約247m、500m的1號、2號斜井，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，地質條件復雜，施工難度大，加強支護和排水措施，減少周圍土層擾動，預防地質災害發生，選擇科學、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斜井位于線路大里程方向右側，與隧道正洞交于DK82+430里程處，斜井采用無軌運輸雙車道，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朝川組(Kc)弱風化紫紅色泥質粉砂巖中。其上為第三系嵊縣組(N2s)多期玄武巖強心弱風化，多期玄武巖中間發育古鳳化殼，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級圍巖，采用降低一級圍巖復合式襯砌斷面。即采用Ⅴ級圍巖，支護參數（主筋Φ22格柵鋼架，間距80m，初支厚度23cm；拱部120設置Φ50mm，壁厚3.5mm超前小導管，小導管長度4.5m，每環25根；二次襯砌為C30混凝土襯砌，厚度35cm）進行施工。

正洞段為Ⅴ級圍巖，DK82+430處埋深約49m。采用Ⅴa型復合式襯砌（初期支護為180格柵鋼架，間距80cm，厚度27cm，拱部120設置Φ42mm，壁厚3.5mm超前小導管，小導管長度4.5m，每環40根，二次襯砌為C35鋼筋混凝土襯砌，厚度50cm）支護參數進行施工。

2 工程難點及分析對策

大莊隧道1#斜井挑頂進洞施工是重難點施工項目。斜井與正洞交叉口處，由斜井開挖正洞時，隧道周邊圍巖臨空面多，受力復雜。因施工工作面小，施工難度較大，安全隱患多。若施工工序及支護措施不合理，容易導致圍巖沉降變形，甚至出現塌方，所以需要對交叉口處采用合理的措施進行加強支護。

一是泥質砂巖地層，易產生掉塊。初期支護不及時易出現塌方、掉塊現象。超前地質預報探測（X1DK0+015.8-X1DK0+(-014.2)）30m 范圍內，及時探明前方地質及地下水情況。

二是斜井與正洞交叉段可能存在軟弱不均巖層，開挖時圍巖易出現較大的沉降變形。開挖前采用超前小導管注漿進行預支護，開挖過程中采用鋼架對圍巖進行加強支護。

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

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

3 斜井轉正洞施工方案

3.1 施工范圍

大莊隧道1#斜井與正洞設計相交里程為X1DK0+000，斜井進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；斜井進正洞挑頂施工按照交叉口左側40m，右側50m計算，即正洞挑頂里程DK82+390-DK82+480，全長90m。

3.2 斜井轉正洞方案的選定

方案思路：輔助坑道施工至正洞交界處，以導洞方式與隧道線路左線呈38°的角度進入正洞，同時在斜井中線與隧道左邊線交匯點處，沿垂直隧道線路方向開挖至隧道正洞對側邊墻上臺階拱腳處。臨時支護結構施工完成后，再沿正洞方向施工正洞，按照三臺階臨時仰拱法開挖正洞標準斷面。

具體的施工方案如下：

斜井開挖至正洞交界處時，在斜井與正洞交匯面位置，平行與正洞中線方向設置斜井初期支護加強鋼架，作為正交叉口處正洞初期支護鋼架的基礎。斜井襯砌施工完成后，再開挖正洞。控制爆破開挖，并用機械相配合。采用5.5m寬的導坑方式由斜井進入正洞，導坑中線垂直于正洞，并且要斜向上進行挑頂開挖。開挖過程中及時采用I18型鋼作為臨時支護結構，并噴混凝土封閉。拱頂支護標高在設計初支輪廓線以外，主洞初支預留沉降按照25cm考慮。當臨時棚架施工完成后，施做棚架范圍內正洞設計初期支護，其靠斜井一側鋼架拱腳落在斜井口的托梁上。待棚架范圍內主洞支護完成后，然后拆除臨時棚架大里程側立撐，但拱頂處縱向棚架橫梁保留。按三臺階臨時仰拱法進行隧道大里程方向的上臺階開挖，當上臺階沿隧道正洞開挖長度達到35m時，再按要求開挖中、下臺階，并同時施工邊墻及仰拱初期支護，使正洞初期支護封閉成環，確保圍巖穩定及施工安全。

3.3 施工工序、施工方法及施工工藝

3.3.1 施工工序流程

挑頂施工工序按照圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

3.3.2 施工方法及施工工藝

①為確保斜井開挖進入正洞的施工安全，需對交叉口段斜井初期支護結構進行加強。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，超前小導管按照原設計施工）鋼架偏立法架立調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因交叉段靠斜井側的正洞初期支護鋼架基礎需落在斜井口的初期支護上，斜井口處斜井初期支護鋼架的外緣再設置兩榀H175型鋼，并焊在一起進行加強支護。

③為加強門字鋼架的整體受力，在雙拼門架底部架設橫向支撐（采用I16工字鋼），使初期支護封閉成環，改善受力結構。為避免橫撐工字鋼受運輸車輛的影響，橫撐應埋在地面以下，并用混凝土封閉。提前預制混凝土塊，解決鋼架拱腳落地不實的問題。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（并預留螺栓孔），預留與交叉口范圍內主洞鋼架連接，以解決交叉口段主洞設計拱部鋼架右側落腳問題。

圖3 斜井交叉口托梁、支撐安裝正面圖（標注尺寸單位: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，斜井在交叉口處設置臨時水溝，挑頂進洞后，再補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計高程。

⑤為加強交叉口處復合式襯砌強度，斜井靠近正洞端18m范圍內襯砌采用單層鋼筋混凝土襯砌進行加強，襯砌厚度35cm，環向主筋為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，能夠滿足現場施工為準。控制爆破開挖正洞，并用機械相配合。采用5.5m寬的導坑方式由斜井進入正洞，導坑中線垂直于正洞，并且要斜向上進行挑頂開挖。正洞范圍需要預留臨時支護的厚度及圍巖變形量的空間。開挖過程中及時采用I18型鋼作為臨時支護結構，并噴混凝土封閉。導坑開挖至正洞拱頂后，平坡向前開挖至上臺階左側拱腳位置，將上臺階拱架安裝完畢后移除臨時棚架一側豎撐，施做該側初期支護（先施做棚架范圍內主洞鋼架，然后再拆除臨時支護的豎撐），拱頂范圍的棚架橫梁作為永久支護不拆除，另一側采用同樣的方法施工（詳見圖4）。

圖4 交叉口段斜井進正洞挑頂開挖順序示意圖（單位：cm）

⑦待上臺階初期支護結構變形穩定后，再采用控制爆破配合機械向寧波方向開挖拱部上臺階，進尺8m。開挖完成后立即初噴混凝土封閉，及時施作初期支護結構。交叉口處正洞5m范圍內初期支護進行加強，前10榀鋼架間距0.5m，后續鋼架間距0.8m。

⑧待小里程方向上臺階支護8m后，掉頭采用人工及挖機向大里程方向（主攻）開挖拱部上臺階進尺7m（同時斜井最后一模襯砌施工）。開挖完成后立即初噴混凝土封閉，及時施作初期支護結構，同時將到導洞范圍內的上臺階拱架下落至中臺階位置。

⑨當小里程側8m范圍內上臺階拱架下落至對側中臺階拱腳處。采用挖掘機反向開挖金華端，同時小里程方向上臺階拱架下落至對側中臺階拱腳處。

⑩當上斷面主、副攻掌子面距離達到35m時，分段開挖全幅仰拱，每次開挖3m。中臺階施工時，左右邊墻分部開挖，兩側前后錯開2～3m，每循環進尺80cm，同時向前推進。同時小里程方向的上臺階掌子面繼續向前掘進至45m。

[11]小里程方向仰拱及填充完成36m后，在仰拱填充上進行二襯臺車拼裝。

3.4 施工要點

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，需設置在穩固的基礎上，同時應確保正洞初支鋼架鎖腳錨管的施工質量，防止拱架下沉。

3.4.1 斜井與正洞交叉段應加強斜井與正洞的初期支護及二次襯砌結構

①斜井加強段（1m范圍）底板內設置I16工字鋼橫撐，橫撐與初期支護鋼架形成整體，保證橫撐與鋼架連接牢固（為避免橫撐工字鋼受運輸車輛的影響，橫撐應埋在地面以下，并用混凝土封閉）。

②斜井靠近正洞端18m范圍內二襯采用單層鋼筋混凝土襯砌進行加強，襯砌厚度35cm，環向主筋為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鋼架設置

為確保正洞施工安全，正洞初支鋼架靠斜井側基礎需要落在斜井初支鋼架上。斜井與正洞分界處初支鋼架應加強，加強鋼架由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。

斜井進入正洞時的導坑采用Ⅰ18臨時鋼架支撐，鋼架縱向間距為0.8m，鋼架間采用Φ22鋼筋焊接。臨時鋼架頂部網噴15cm厚C25混凝土，鋼筋網格尺寸20cm×20cm，鎖腳鋼管按照每榀4根設置，形成臨時支護體系。棚架結構尺寸見圖5，圖中H、b，根據現場情況確定尺寸，現場加工。

圖5 臨時棚架尺寸圖

3.4.3 交叉口段施工要求

①交叉口段正洞上臺階每循環進尺不得大于1榀鋼架間距，中、下臺階每循環進尺不得超過2榀鋼架間距，仰拱每次開挖不得超過3m。

②目前大莊1#斜井斷面泥質砂巖，交叉口段斜井加強段預留沉降量15cm，交叉口段正洞預留沉降量25cm，視斷面圍巖產狀及時調整。

③交叉口段正洞各臺階鋼架落腳處預留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25cm×25cm×5cm（長×寬×厚）混凝土預制塊，保證鋼架落腳處基礎密實。

4 監測及效果評價

施工期間斜井與正洞空間結構復雜，為了保證施工安全，在斜井轉正洞施工期間進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，變形監測單次最大變形量為1.1mm，最終累計變形量為8mm，沉降量變化很小，可以認為斜井與正洞交叉口處圍巖與支護結構逐漸趨于穩定狀態，監測測量結果說明斜井轉正洞施工方案選擇合理可行，能夠確保隧道圍巖與支護結構安全可靠。

圖6 監測效果