大斷面客專雙線隧道快速挑頂施工技術

楊善龍，張先龍

(1.中鐵隧道股份有限公司,河南 鄭州 450000； 2.中鐵隧道局集團路橋工程有限公司,天津 300000)

隨著我國基礎設施建設力度的加大和推進，國家鐵路投資建設向西部延深，在未來的基礎設施建設中，長大隧道的修建比例將越來越高，為滿足工期要求，在隧道施工中往往需要設置輔助坑道[1],目前國內特長隧道施工大多采用長隧短打的方式，往往設計較多的斜井或平導，甚至施工過程中增設迂回平導以增加工作面，提高施工效率，縮短工期[2-3]。在輔助坑道進正洞的過程中，由于通道口結構特殊、受力情況復雜，挑頂方法的選擇不僅關系到整個結構的安全穩定同時對整個隧道的施工生產進度具有重要影響，因此，在以往的隧道修建中，對隧道挑頂施工展開了大量研究，隨著我國隧道施工裝備和技術水平的提高，對輔助坑道進正洞挑頂施工技術也越發成熟，并根據圍巖地質條件，施工成本等各種因素不斷優化設計，提出了多種挑頂施工新方法，以鄭萬高鐵香爐坪隧道7號橫通道進正洞為例，闡述在大機配套施工條件下，通過優化施工工藝，充分結合地質條件，快速完成Ⅲ級圍巖條件下的挑頂施工，并對橫通道挑頂施工進行簡要總結。

1 工程概況

鄭萬高鐵香爐坪隧道位于湖北省宜昌市興山縣境內，全長15 154 m,為大斷面雙線隧道，全隧設計圍巖Ⅲ級占29.3%，Ⅳ級占58.59%，Ⅴ級占12.11%，隧道最大埋深1 100 m，隧道進口D1K585+082～D1K586+980段為低瓦斯段，全隧穿越香爐坪斷層和姜家坡斷層，隧道圍巖復雜多變，地質條件復雜，洞身右側順層偏壓，洞口右側邊坡順層，為滿足施工工期、防災救援、通風排水的需要，結合地形、地質條件，本隧道采用“4平導+2斜井”的輔助坑道模式，隧道采用大機配套全斷面法進行施工。

2 設計參數

2.1 正洞設計參數

香爐坪隧道一號平導7號橫通道進正洞對應洞身圍巖等級設計為Ⅲ級，交叉口段采用Ⅲ級加強復合式襯砌，拱墻設置Ⅰ18工字鋼架，鋼架縱向間距1.0 m,系統錨桿拱部采用φ25預應力錨桿、邊墻采用φ22砂漿錨桿，錨桿長3.5 m，間距1.5 m×1.5 m(環×縱)，拱墻設置φ6鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm，初期支護設計噴射C30混凝土，厚25 cm，二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，厚45 cm，正洞斷面圖如圖1所示。

2.2 橫通道設計參數

橫通道原設計采用單車道無軌Ⅰ型Ⅲa型復合式襯砌，凈空5.0 m(寬)×6.0 m(高)，由于香爐坪隧道進口為加強型機械化配套工區，工區全電腦三臂鑿巖臺車、濕噴機械手、鉆注一體式錨桿臺車、鋼拱架安裝臺車等大型機械配套齊全。隧道7號橫通道與正洞小里程方向平面夾角45°，原設計采用無軌單車道Ⅰ型斷面，鑿巖臺車長18 m，通過橫通道轉入正洞施工時通過條件困難，根據施工組織需要，為提高大型機械通過效率，提高施工效率，7號橫通道斷面凈空尺寸調整為7.5 m×6.2 m(寬×高)，采用雙(錯)車道Ⅲ級圍巖Ⅲa型復合(交叉口)襯砌，初期支護采用錨噴支護，系統錨桿拱部采用φ22砂漿錨桿，錨桿長2.5 m，間距1.2 m×1.5 m(環×縱)，拱部設置φ6鋼筋網，網格間距25 cm×25 cm，初期支護設計噴射C25混凝土，厚12 cm，二次襯砌采用C25混凝土，厚25 cm，橫通道斷面圖如圖2所示。

3 挑頂方案

香爐坪隧道進口7號橫通道長31.87 m，橫通道中線與平導中線交叉里程為PD1K587+849.1，與正洞左中線交叉里程為D1K587+902.85，與正洞小里程方向夾角45°，橫通道交叉口位置關系如圖3所示。

3.1 采用門架導洞法

采用門架導洞法能夠使用門架橫梁作為正洞的臨時支撐，由于其開挖斷面小，初期支護能夠快速封閉，保證了圍巖的穩定和施工安全，在挑頂過程中這種方法特別在軟弱圍巖地段得到了廣泛應用。

具體實施方式為，在橫通道開挖至正洞邊緣時支立兩榀鎖口拱架，采用門式導洞向主洞開挖，在門型拱架安設完成后，及時進行錨噴支護，加強導洞的穩定性，在導洞開挖支護完成后，進行該段交叉口主洞鎖口及挑頂段鋼拱架的安裝，并及時進行噴混凝土支護，支護完成后對門式導洞兩側的拱架進行拆除，進行主洞上臺階的開挖支護作業，見圖4～圖7。

采用門架導洞法能夠安全穩定的完成挑頂段的施工，但同時存在以下問題：

1)從圖4可知，在門型拱架安設完成，進行挑頂段正洞拱架的立設時，門架橫梁無法進行拆除，永久性地作為正洞初期支護的一部分，且后期進行正洞兩側的開挖時，需要對已經錨噴支護過的門架進行拆除，拆除后的門架基本扭曲變形，無法再次利用，造成了鋼材的浪費，增加了成本。

2)從圖6，圖7可知，由于正洞拱架與橫通道鎖口拱架的順接，導致左上方局部形成了三角形超挖帶，這種超挖多半是由于人為導致，是由施工方法所決定的，很難避免，在后期施工二次襯砌時，需要對其進行回填，增加了混凝土的使用量。

3.2 采用反向擴挖法

由于7號橫通道進入正洞對應洞身圍巖為Ⅲ級，圍巖自穩能力較好，采用擴挖法進行施工，不僅保證了安全同時提高了施工效率。圖8在橫通道與正洞交叉口立設兩榀鎖口拱架進行加強支護，然后開挖進入正洞，并以較小斷面(小于正洞開挖輪廓2 m～3 m)向兩側開挖，待兩側開挖一定距離后，由出口方向逐步抬高開挖至正洞拱頂位置形成上臺階開挖，然后不斷擴大開挖半徑直到開挖至正洞設計輪廓，形成正洞上臺階開挖，最后進行反向開挖，完成整個交叉段的開挖。

對于Ⅲ級圍巖，采用擴挖法，充分利用圍巖的自穩性，采用錨噴支護一方面提高了施工效率，另一方面降低了施工成本，且擴挖法使用較為靈活，能夠根據開挖揭露的圍巖情況及時調整支護參數，能夠較好地保證施工安全。但仍然存在一定的不足，主要體現在：1)該工法在實施中由于需二次擴挖,對土體的擾動較大[4]；2)在整個反向擴挖法實施過程中，不斷改變開挖方向，且受開挖場地和方向的限制，不利于大型機械化設備正常開展工作。

鑒于香爐坪隧道7號橫通道進正洞的地質條件，決定采用擴挖法進行挑頂，并結合香爐坪隧道大機配套開挖的工裝設備，對現有的擴挖法進行優化。

4 挑頂方案實施

香爐坪隧道7號橫通道進正洞洞身圍巖設計為Ⅲ級，結合地質條件，決定采用外擴法進行挑頂施工，為確保施工安全，在橫通道開挖至正洞邊緣時，再次施作超前地質預報，采用地質雷達法探明橫通道前方圍巖情況，施工步驟如下：

1)在橫通道開挖至正洞邊緣時立設兩榀異型拱架，對交叉口進行立拱加強，考慮正洞拱架落腳位置的牢固性，為其提供一個牢固的落腳平臺[5]。

2)橫通道進入正洞的過程中，不改變進入正洞的方向繼續向前開挖至正洞右側開挖輪廓線的交點,對應橫通道里程HTD+048，正洞里程D1K587+929.2，整個開挖過程中采用逐步抬高進行開挖，根據對應的正洞標高不斷調整橫通道開挖輪廓，每循環開挖完成應及時支護，及時封閉，以有效保證隧道施工質量[6]。

3)對靠近橫通道兩側等腰三角形待挖區進行開挖，從而形成正洞上臺階。

4)對上臺階及時進行支護，支護參數為：采用φ6鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm，拱部采用φ25預應力錨桿，長3.5 m，間距1.5 m×1.5 m(環×縱)，加強支護采用Ⅰ18型鋼，間距1 m，噴射25 cm厚C30混凝土。

5)對橫通道左側區域進行開挖，使左側形成整個正洞上臺階開挖，并繼續向大里程進行開挖至D1K587+929。

6)在上臺階往大里程開挖過程中，及時進行支護，立拱加強段至D1K587+913,D1K587+913～D1K587+929采用錨噴支護，鋼筋網片采用φ6鋼筋網，網格間距25 cm×25 cm，拱部采用φ25預應力錨桿，長3.0 m，間距1.5 m×1.5 m(環×縱)，噴射12 cm厚C30混凝土。

7)反向開挖橫通道右側區域，使小里程開挖至D1K587+893。

8)及時對小里程上臺階進行支護，支護參數同大里程加強支護，完成整個橫通道的上臺階挑頂施工，然后再進行下臺階的施工直至形成全斷面開挖，開挖步驟如圖9所示。

采用上述方法挑頂，應爭取一次開挖成型，減少處理欠挖對圍巖帶來的擾動，交叉口圍巖受力復雜,且圍巖本身十分破碎,施工中監控量測尤為重要[7]。圍巖監控量測是指導施工、確保安全的重要手段，通過施工前和施工中收集的數據和工程地質資料，及時分析判斷爆破后圍巖穩定狀態[8],在整個橫通道進正洞段逐步抬高開挖的過程中，每循環開挖結束后嚴格執行斷面輪廓的掃描，并按照橫通道對應的開挖標高進行開挖，為方便鑿巖臺車的進出，每循環利用洞渣回填平整場地，從而保證整個開挖面的坡度角方便鑿巖臺車和運輸設備的進出(見圖10)；由于橫通道在進入正洞開挖的過程中，橫通道左右側對應的正洞的標高不同，為避免欠挖，減少超挖，在整個橫通道進入正洞的開挖過程中，斷面輪廓會產生一個過渡(如圖11所示)。

采用上述挑頂法，優點如下：

1)與門架導洞法相比，一方面提高了施工效率，另一方面降低了施工成本，采用門架導洞法，在整個挑頂過程中共使用鋼材約8.55 t，其中門架橫梁2.81 t,門架5.74 t，由于門架橫梁掩埋在正洞初期支護的拱架上方無法拆除，造成材料浪費，兩側門架在錨噴支護后，從混凝土中再次拆除時，大多扭曲變形再次重復使用的利用率極低，整個門架導洞法在實施過程中無法避免的會產生三角形超挖帶，增加了后期施工混凝土的使用量，門架支護和錨噴支護相比增加了施工工序和施工時間。

2)與現有的外擴法相比，現行的外擴法需要不斷擴大開挖半徑和開挖方向，不利于大型機械化設備開展工作，依賴于人工打眼爆破開挖，不僅增加了勞動力的投入，效率遠不如鑿巖臺車開挖，且原先外擴法不斷擴大斷面輪廓和轉向，增加了對圍巖的擾動，不利于圍巖自身的穩定。

香爐坪隧道7號通道在挑頂過程中通過對各種挑頂方案進行比選，結合圍巖地質條件等各種因素，因地制宜，選擇了最經濟合理的挑頂方法，并對其進行優化改進，充分利用現有的工裝設備，采用三臂鑿巖臺車快速完成了挑頂施工，提高了施工效率，降低了施工成本。

5 結語

隨著我國隧道施工裝備水平和技術水平的不斷提高，橫通道進正洞挑頂施工技術也越發成熟，在原有的外擴法、導洞法、雙聯法等[9]施工方法的基礎上衍生出垂直挑頂法[10]、無門架導洞法[11]等多種施工方法，并針對軟弱富水圍巖等地質條件復雜地段挑頂施工展開大量研究，積攢了大量施工經驗。目前隨著隧道施工領域不斷拓展，長大隧道逐漸增多，地質條件更趨復雜，橫通道進正洞的挑頂方法應以保證安全為前提，并綜合考慮影響施工成本的各種因素，因地制宜，通過對方法不斷改進和優化，充分利用現有的工裝設備，使其達到安全、經濟、高效的目的。無論選擇何種方法，在整個施工過程中，由于三岔口受力結構的復雜性，應加大對施工過程中的控制，嚴格按照施工方案進行施工，及時支護，并根據地質條件對支護參數進行調整，從而保證橫通道進正洞的安全。

香爐坪隧道7號橫通道利用鑿巖臺車進行挑頂，與傳統人工挑頂相比，更加方便快捷、安全高效，隨著我國隧道建設機械化水平不斷提高，加之人工勞動力年齡結構偏大趨勢明顯，成本不斷上漲，隧道全機械化開挖將會成為一種必然[12]，在未來的隧道施工中，利用鑿巖臺車進行輔助坑道進正洞挑頂施工值得推廣和應用。