新烏鞘嶺隧道千枚巖地段斜井轉正洞垂直挑頂施工技術

王新勝

（甘肅信達建設工程咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 研究背景

新烏鞘嶺隧道是蘭張三四線中川機場至武威段關鍵線路上的控制性工程，位于甘肅省武威市天祝藏族自治縣祁連山脈，海拔2 700 m 以上。新烏鞘嶺隧道利用既有8 號斜井（長2 773.76 m）及新建4 號支洞（長161.69 m，坡度-9.17%）進入正洞，進洞里程DK170+000。進洞處圍巖為志留系下統板巖夾千枚巖，以薄層狀夾于板巖中；巖體受地質構造影響嚴重，節理很發育—發育，巖體破碎—極破碎，呈碎石狀—塊狀結構［1］，圍巖軟弱存在較大的變形及塌方風險。

斜井轉正洞段，因其結構形狀特殊，受力狀態復雜，易出現應力集中現象，施工不當極易引起塌方，因而必須高度重視斜井轉正洞挑頂施工［2］。斜井進正洞常見的施工方法有棚架套拱挑頂法、導洞挑頂法、大小包法和斜井挑梁等施工方法［3］。這些常見的隧道挑頂作業中，多采用弧形導坑法進正洞：先從斜井開挖小導洞，當爬升高度達到正洞設計拱頂高度后進行反向擴洞開挖，直至正常隧道斷面［4-5］。該工法存在以下問題：一是反向開挖時需要擴挖至正常斷面，超欠挖難以控制，圍巖與鋼架間隙較大，不利于控制圍巖變形，存在較大的塌方風險，同時開挖小導洞對周圍圍巖形成擾動，增大了后期正洞開挖風險［6］；二是由小導洞反向擴挖至正常斷面，要不斷調整斷面大小，加工不同半徑的臨時拱架，增加了拱架設計及加工的工作量；三是先進行小導洞開挖再進行正洞擴挖，施工工序繁瑣，挑頂工期較長（一般挑頂工期最少20 d）。

新烏鞘嶺隧道4 號支洞工區利用既有8 號斜井及新建4 號支洞進入正洞，三岔口受力復雜［7］；進洞處圍巖為志留系下統板巖夾薄層千枚巖，節理很發育—發育，巖體破碎—極破碎，呈碎石狀—塊狀結構，為大變形的千枚巖Ⅶ級風險段落，存在較大的變形及塌方風險，采用傳統的弧形導坑挑頂施工先小導洞開挖再反向擴挖對圍巖擾動大，安全風險極高［8-9］。為解決上述問題，通過設置臨時門架進入正洞開挖，然后在臨門保護下進行正洞上臺階開挖支護施工，不需反向擴挖，可減少對圍巖的擾動，有效控制圍巖變形，確保軟巖大變形隧道三岔口施工安全［10］。

2 臨時門架垂直挑頂方法

2.1 總體施工方法流程

施工準備—支洞加強段開挖支護—鎖口門架施工—超前小導管施工—進正洞開挖（寬6 m、上下臺階法）—沿垂直線路方向，按照隧道挑頂橫斷面輪廓線開挖、立架（支腿I20b 工字鋼、橫梁H175 型鋼）—正洞上導開挖、臨時支護完畢—架設永久初期支護鋼架（一側搭設至鎖口門架上）及其他永久初期支護措施—割除臨時鋼架支撐腿—小里程開挖支護施工—大里程開挖支護施工—仰拱、二次襯砌施工。

2.2 主要施工工序

（1） 對進正洞前20 m 支洞進行加強處理，拱架采用I20b工字鋼，間距1 m。

（2）支洞施工至與正洞開挖線交界處后，立一榀雙拼H175 型鋼門架，并按要求做好鎖腳錨管。支洞進正洞示意見圖1。

圖1 支洞進正洞示意圖

（3）沿垂直正洞線路方向開挖、支護至隧道右輪廓線，開挖寬度為6 m。高度為比正洞挑頂鋼架高24～29 cm，正洞進洞口左右側各5 m 范圍挑頂鋼架預留變形量為50 cm。開挖落底高度為從支洞底開始起坡至正洞上臺階高度，采用I20b 工字鋼做支腿、H175 型鋼為橫梁的門架加強支護，間距1 m，每循環進尺不大于2榀［4］。進洞門架布置縱斷面示意見圖2。

圖2 進洞門架布置縱斷面示意圖

（4）對開挖完成的縱向6 m長上臺階斷面進行永久初期支護施工。采用間距0.6 m 的H175 型鋼加強支護，C25 噴混凝土25 cm 厚；φ8 鋼筋網采用間距20 cm×20 cm 網格拱墻設置；拱部設置φ25×7 普通中空錨桿，邊墻設置間距1.2 m×1.2 m的φ22砂漿錨桿。

（5）拆除臨時支護支撐部分。

（6）采用兩臺階法對正洞小里程開挖支護施工，并對正洞范圍進行加強支護，洞口20 m 范圍正洞采用間距0.6 m 的H175 型鋼，左右側各加強10 m，采用I20b工字鋼，間距0.6 m一榀。

（7）正洞支護加強段，上臺階支護完成后及時施作支洞二次襯砌，以確保支洞及交叉口穩定。

3 垂直挑頂施工方法

3.1 支洞進正洞前施工準備

由于千枚巖的大變形特點，為確保支洞挑頂段結構穩定及施工安全，挑頂施工前首先要對進正洞前20 m 的支洞進行加強處理，初支拱架型號由原設計的I12 調整為I20b 工字鋼，間距1 m，同時交叉口段30 m支洞及時完成襯砌澆筑，襯砌厚度不小于30 cm［5］。

3.2 支洞鎖口門架加強支護

（1）支洞開挖至與正洞開挖輪廓線交界處后，施做支洞末端鎖口加強門架，門架采用矩形形式，用2榀H175型鋼雙拼焊接。安裝支洞口雙拼H175型鋼支腿及橫擔（每間距0.6 m 設置連接鋼板，并滿焊連接雙拼門架），并將支洞拱頂弧形拱架與橫擔滿焊連接。同時在門架腰部及拱腳、支洞拱架拱腳上1 m處安裝鎖腳鋼板及錨管，鎖腳鋼管采用φ42鋼管（壁厚4 mm、長4 m）具體設置位置見圖3。

圖3 支洞進正洞門架圖

（2）采用螺栓連接將鎖口門架上方橫梁與立柱鋼架栓接，為正洞鋼架提供落腳平臺。

（3）立柱鋼架與橫梁鋼架間設置H175 型鋼的斜撐，與鋼架焊接牢固。

（4）噴射混凝土覆蓋門架。通過支洞鎖口門架加強支護處置，既為正洞鋼架提供了落腳平臺，又為進入正洞做好準備。

3.3 進入正洞施工步驟

沿垂直正洞線路方向從左側進行開挖、支護至隧道右輪廓線。

（1）超前小導管施工。開挖前布設超前小導管，導管環向間距0.5 m，長4 m，縱向間距3 m，搭接長度1 m。布置方式見圖4［5］。

圖4 進正洞斷面超前小導管布置示意圖

超前小導管一般采用壁厚3.5 mm，外徑42 mm 的熱軋無縫鋼管制成，尾部焊φ6箍筋，尾部長度不小于30 cm，作為不鉆孔的止漿段。小導管現場安裝由錘擊打入或鉆機頂入，頂入長度不小于總長的95%。小導管安裝完成后用高壓風將管內吹干凈，并用塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙［10］。

（2） 注漿。采用水泥漿液，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。注漿過程中及時觀察掌子面圍巖情況，并根據吸漿量及壓力上升情況，當兩者之一達到設計規定時結束注漿作業。為加快注漿速度和發揮設備效率，可采用群管注漿（每次3～5根）。注漿時遵循從下到上，從無水至有水的原則進行。

（3）支洞進正洞開挖及支護施工。①沿垂直正洞線路方向進行開挖、支護至隧道右輪廓線，開挖寬度為6 m。高度為比正洞挑頂鋼架高24～29 cm，正洞進洞口左右側各5 m 范圍挑頂鋼架預留變形量為50 cm。開挖落底高度為從支洞底開始起坡至正洞上臺階高度。②支護采用I20b 工字鋼做支腿、H175 型鋼為橫梁的門架加強支護，間距1 m，每循環進尺不大于2 榀（支護鋼架見圖5）。拱頂橫向鋼架采用弧形，拱頂弦高50 cm。在每榀拱架左右側，距離拱頂鋼架接頭向下2 m 處以及拱腳處，每側設置2 根長3.5 mφ42 鎖腳錨管，水平向下傾角20°～40°，鎖腳錨管用L形鋼筋+鎖腳鋼板焊接鎖固，與工字鋼滿焊，焊接質量須滿足要求。連接筋采用φ22螺紋鋼，環向間距1 m。支護錨桿長度3 m，間距1.2 m×1.2 m；φ8 鋼筋網，網格大小20 cm×20 cm，噴射混凝土厚29 cm。

圖5 進正洞斷面支護鋼架示意圖

（4）永久初期支護施工。對開挖完成的縱向6 m長上臺階斷面進行永久初期支護施工。支護參數為H175型鋼0.6 m/榀；C25噴混凝土25 cm厚；φ8鋼筋網網格間距20 cm×20 cm 拱墻設置；拱部設置φ25×7 普通中空錨桿，邊墻設置φ22 砂漿錨桿，間距1.2 m×1.2 m。支護鋼架采用異型鋼架與鎖口門架，焊接牢固形成整體受力［11］，并在每榀異型鋼架上設置6根長4 mφ42鎖腳錨管，正洞鋼架示意見圖6。

圖6 隧道正洞鋼架示意圖

（5）拆除臨時支護鋼架。將臨時支護鋼架支撐立柱拆除，并按照正洞開挖輪廓線，將正洞掌子面初期支護與拱頂初期支護間鑿出10 cm寬縫隙，以保證正洞上臺階爆破開挖時不破壞拱頂初期支護。

（6）正洞上臺階施工。正洞6 m 段永久支護完成，掌子面鋼架及初期支護按上述拆除完成后，按照設計超前支護參數進行超前支護加固，按照臺階法進行正洞開挖施工。為確保交叉口處正洞結構安全，在設計支護參數的基礎上，對正洞范圍進行加強支護，洞口20 m 范圍正洞采用H175 型鋼，間距0.6 m，之后左右側各加強10 m，采用I20b工字鋼，間距0.6 m一榀，并加設仰拱拱架。

上臺階一次開挖循環進尺不超過2榀拱架間距，正洞先單側施工20 m 后，具備一定長度的作業空間后再反向施工另一側正洞，直至挑頂兩側正洞全部完成支護施工。

（7）監控量測措施。開挖支護完成后及時安裝監控量測點，進正洞交叉口附近支洞20 m 范圍每5 m 一個斷面，拱頂1 個點，拱腰2 個點。交叉口附近正洞30 m范圍按照每5 m一個斷面，上臺階3個點，下臺階2 個點，監控量測日變化大于10 mm，累計變形超過100 mm 時，立即組織人員撤離，并組織相關技術人員制定應急措施，保證正洞施工安全。

3.4 施工注意事項

（1）根據地質預報材料核實地質情況，要及時調整開挖挑頂施工方案。

（2）根據監控量測結果和圍巖地質情況，對挑頂段門架要預留一定的沉降變形量，確保挑頂完畢后凈空斷面滿足設計要求。

（3）機械開挖出渣時，因挑頂段工作面狹小，要預防大型機械碰撞已支護好的鋼架，避免造成鋼架損壞。開挖作業中，開挖作業班組長及安全員應根據作業環境及機型，劃定安全作業區域，并設置警示標志，非作業人員不得入內，并設專人指揮車輛；開挖時，應由專人對開挖作業進行指揮，嚴格限制機械作業界限，防止碰壞鋼架［12］。

（4）找頂作業應確認找頂作業區無其他人員，并在專職安全員現場指導下進行，找頂作業應檢查有無盲炮、有無殘余炸藥及雷管，清除開挖工作面松動的巖塊，對已開挖支護地段的支護結構變形或開裂進行處理，先用挖掘機等機械設備找頂，經安全員檢查確認后，方可進行人工找頂作業。

（5）鋼架每一循環安裝作業時，均要配足人員及機械資源，配置一氣呵成，使得支護快速形成并盡早形成封閉，對圍巖變形起到一定約束作用，減少安全事故發生［12］。

（6）正洞與支洞相交地段處于復雜的三維受力狀態，由于正洞開挖斷面較大，為確保挑頂段正洞施工安全，在支洞與正洞交接處設置一加強門架，加強門架由2 榀H175 型鋼工字鋼鋼架組成，鋼架間采取可靠焊接，噴射混凝土覆蓋鋼架。

（7）在正洞與支洞拱頂交界里程處，沿正洞方向設置拱頂縱向托梁，為正洞拱架提供落腳平臺。托梁采用兩榀H175 型鋼組成，進正洞側2 榀并在一起，牢固栓接于支洞鋼架拱頂。與門架對應的正洞鋼架均要支撐于門架托梁上，并焊接牢固。

4 結束語

針對蘭張三四線新烏鞘嶺隧道千枚巖軟弱大變形地質條件，挑頂施工具有安全風險高施工周期長的特點，采用臨時門架垂直挑頂進洞的施工技術，通過對初支面進行2次支護，有效降低了軟弱破碎圍巖地段挑頂塌方風險，達到施工安全可控。采用臨時門架垂直挑頂進洞的施工技術，有如下特點：

（1）臨時門架垂直挑頂進洞的施工技術采用臺階法臨時門架垂直進洞，之后拆除臨時門架，直接進入正洞開挖、支護施工階段。相對傳統弧形導坑法進洞，減少小導洞開挖及反挖擴大斷面工序，縮短了挑頂階段施工時間；同時施工空間較大，便于大型機械作業，施工效率較高。采用臨時門架垂直挑頂進洞的施工技術，挑頂時間12 d左右，比傳統弧形導坑法挑頂時間減少了8 d；同時不存在傳統弧形導坑法進洞、超欠挖難以控制、圍巖與鋼架間隙較大，鋼架受力不良的問題；也不存在小導洞開挖提前對圍巖形成擾動的問題。降低了進洞千枚巖Ⅶ級軟弱圍巖段，大變形及塌方的風險。

（2）采用臨時門架垂直挑頂進洞的施工技術，截面寬度是固定數值，只需要調整鋼架支腿的高度，不存在傳統弧形導坑法進洞，反向擴挖至正常斷面，不斷調整臨時鋼架半徑的問題，降低了鋼架設計、加工的工作量及難度。

（3）采用臨時門架垂直挑頂進洞的施工技術，相比傳統的弧形導坑法，臨時門架垂直挑頂技術具有施工簡便，工序簡單，流程連貫，挑頂作業進度高，工期短的特點。

目前新烏鞘嶺隧道大部分斜井進正洞采用垂直挑頂的施工方法節省了工期，保證了施工安全，為其他同類項目提供了經驗參考。