高速铁路隧道辅助坑道斜交进洞快速挑顶施工技术

高速铁路隧道辅助坑道斜交进洞快速挑顶施工技术

蔡维刚

中铁广州工程局集团市政环保工程有限公司， 陕西 西安 712000

摘要：在复杂地层山区长大隧道施工过程中，辅助坑道进正洞挑顶施工成为铁路隧道施工的关键点和重难点，尤其是软弱围岩隧道挑顶段落应力集中、施工变形不易控制、安全风险高、施工难度大。文中以高速铁路隧道斜井进正洞段挑顶施工为例，在保证施工安全、进度等目标前提下，提出了适用于铁路隧道工程软弱围岩快速挑顶进洞的施工方法，阐述了软弱围岩快速挑顶进洞施工方案、施工流程和施工要点，以便为同类条件下的隧道施工提供参考。

关键词：铁路隧道；软弱围岩；快速挑顶；施工安全

0引言

近年来在“交通强国、铁路先行”的战略目标指引下，随着铁路建设发展向纵深推进及路网的进一步完善，越来越多的山区铁路建设陆续展开，在山区铁路建设过程中，长大隧道数量多，隧道占比大，为提高项目施工建设进度，通过科学合理的设置横洞、斜井及平导等辅助坑道，增加工作面以缩减控制性长大隧道工程建设工期，成为铁路隧道设计施工的普遍现象。在铁路隧道施工过程中，常见的辅助坑道进正洞施工方法有：大包法、小包法、棚架套拱挑顶法、导洞挑顶法以及斜井挑梁施工法等，不同的工程特点、围岩地质及水文情况等，对挑顶工法的选择成为隧道挑顶施工的关键点，科学合理适用于工程特点的施工工法，往往能安全快速的完成挑顶施工，且同时能够带来直接或间接的经济效益。本文以新建西安至安康高速铁路枫坪隧道工程为背景，提出了针对复杂软弱围岩地质情况下，铁路隧道辅助坑道斜交进洞快速安全施工方法。

１工程背景

1.1工程概况

新建西安至安康高速铁路XKZQ-5标项目经理部承建的枫坪隧道位于陕西省安康市旬阳县境内，隧区为南秦岭中山峡谷区，隧道起讫里程为：K123+570～DK129+924，长链413.067m，全长6767.067m。隧道最大埋深595.5m。洞内坡度依次为30m/23%、6213.067m/14.2456%的上坡，524m/0%的平坡；除DK123+570～DK128+882.51段位于R-9000m的曲线上，其余均位于直线上辅助斜井长780m，与正洞交汇点里程DK125+650，综合坡度7.5%。与正洞进行斜交，斜交角度50°。

图1.1-1斜井与隧道正洞平面关系图

1.2水文地质概况

隧区位于南秦岭中山峡谷区。区内构造运动强烈且复杂。隧址区范围内构造发育，产状多变。地层为第四系全新统坡积粗角砾土、志留系下统梅子垭组千枚岩、泥质板岩、压碎岩等，岩体节理裂隙较发育，局部夹条带状石英岩脉，岩体局部破碎。隧址区的地下水主要为第四系松散堆积层孔隙潜水、基岩裂隙水、构造裂隙水。岩层节理裂隙较发育，连通性较好，地下水相对富集且受季节和降雨影响较大。

1.3设计参数

表1.3-1 挑顶段正洞设计支护参数表

表1.3-2 挑顶段斜井设计支护参数表

2 施工工法及工艺

2.1施工工法

隧道斜井与正洞50°相交于DK125+650，采用导洞进入法进行正洞开挖。由于斜井与正洞斜交，导洞进入正洞由斜交转为正交；导洞由斜井拱形转为矩形，适应正洞开挖轮廓；提前5米加高斜井轮廓，直至与正洞轮廓相切，方便机械施工。

隧道斜井正常施工至X0+022.8初支需做异型钢架支撑，距离正洞10m处施做异形拱架（异1～异6），为了减少挑顶时上挑的角度，枫坪斜井采用比设计提前5m开始挑顶，即距离正洞5m处开始挑顶施做异形挑顶拱架（挑1～挑5），采用I18型钢架。由于斜井与正洞交叉角度较小，且交叉口为双车道，跨度大；在斜井与正洞交汇处以矩形小导洞形式垂直进入正洞上台阶，过正洞中线后上部沿正洞开挖轮廓开挖，同时安装临时I18钢架（导1～导13）。导洞及临时支护全部施工完后，在斜井与正洞交界处安装2榀I20加强门架（并焊），以及施工斜井挑顶5m范围内，设计位置初支拱架，然后施工导洞内正洞上台阶拱架（正1～正7），一次性成型喷混完成初支。其中导洞每次开挖不超过2榀；正洞拱架架设时，线路一侧置于稳定岩体上，另一侧置于加强门架上。喷射混凝土支护完成后，待初支强度达到100%后，方可拆除导洞临时竖向支撑。向大小里程完成交叉口段初期支护，初支封闭成环后，继续向小里程开挖50m，安装栈桥和二衬台车等工装设备，最后掉头向大里程方向开挖。正洞采用三台阶法开挖，并及时施做仰拱及二衬。

2.2施工工艺流程及操作要点

2.2.1施工工艺流程

图5.1-1斜井挑顶进入正洞施工流程图

2.2.2操作要点

（1）挑顶加强段开挖支护

开挖至斜井里程X0+022.8处，即异1钢架处，斜井开始调整拱架方向逐渐平行于正洞线路方向，X0+022.8～X0+017.8采用异形钢架工18型钢（异1～异6），X0+017.8～X0+012.8采用异形挑顶加强钢架，采用整体加宽I18型钢架（挑1～挑5），钢架边墙下部采用直墙，顶部采用拱形，工字钢在隧道中心上间距均为100cm，喷射C25混凝土厚度23cm，系统锚杆间距1m×1m呈梅花型布置（环×纵），锚杆单根长度3.0m，钢筋网采用φ8钢筋网，网格间距20cm×20cm，拱部范围采用超前小导管预支护，开挖方式根据超前地质预报、监控量测数据和围岩情况来定。

斜井开挖至距离正洞初支外边线5m，即X0+017.8处，开始上坡挑顶开挖，开挖高度同斜井；加强钢架顶部采用拱形钢架，开挖至正洞初支外边线。

图2.2.2-1 斜井进正洞平面图

（2）导洞挑顶开挖支护

斜井异性加强段挑顶上爬至正洞初支外边线处后，正洞挑顶开挖以小导洞形式垂直进入正洞，开挖断面转换为门型断面拱架，沿开挖轮廓爬坡开挖，导洞宽度为6.66m，边开挖边进行工字钢临时支护（导1～导13），钢架间距1.0m，采用I18钢架，每次开挖进尺不超过两榀拱架，钢架采用矩形支撑，开挖时注意预留变形量，并控制钢架横向支撑标高，不得侵入正洞初期支护断面。超前支护采用超前小导管加固，小导管长L=3.5m，Ⅳ级间距50cm，纵向间距2.0m，外插角均采用10°～15°。导洞锁脚锚管同斜井采用3.5m长Φ42×3.5mm热轧无缝钢管，钢架完成后及时施作喷锚支护，拱部横向支撑喷射C25混凝土厚度23cm，边墙竖向支撑喷射C25混凝土厚度23cm。钢筋网片采用Φ8@20cm×20cm间距。

导洞开挖跨越隧道正洞中心线后，开挖轮廓线向下走，需要边前进边下降平台高度，在下降平台面时需要及时接长门架和异性加强架支腿，始终保证开挖台架能正常使用。一直按此方法施工至正洞对面侧，完成临时门形断面开挖及初支作业。

图2.2.2-2 隧道斜井挑顶开挖纵断面图

图2.2.2-3挑顶现场施工图

（3）施工斜井永久性初支及门架

导洞初支全部施工完后，将斜井范围上挑5m段挑顶异形加强拱架两侧落至底板底喷混支护，由于挑顶异形拱架外放，在内侧再架设设计初支轮廓内的初支拱架，类似套拱形式；同时在斜井与正洞交界处设置一道加强门架，此门架横梁及竖向支撑杆均采用双拼工20工字钢并焊加强，并在横梁上焊接拱架斜支撑，横梁顶部预留正洞拱架落脚连接板。上挑初支与斜井设计初支之间采用喷射砼回填。

图2.2.2-4 交叉口门架示意图

图2.2.2-5 加强门架现场施工照片

（4）导洞范围正洞初期支护

斜井与正洞交叉口处加强门架施工完成后，开始架设导洞内正洞上台阶拱架（正1～正7），一次性成型喷混完成初支。正洞拱架架设时，线路一侧置于稳定岩体上，每榀钢架拱脚位置安设4根锁脚锚管，锁脚锚管采用4m长Φ42×3.5mm热轧无缝钢管。另一侧置于加强门架上并与预留的钢板采用螺栓连接，拱架之间焊接纵向连接钢筋及钢筋网，顶部安装系统锚杆，单根长度4m，钢架与锚杆焊接牢固，喷射混C30凝土厚度25cm。

（5）斜井交叉口正洞钢架安装

待正洞上台阶钢架（正1～正7）完成后，隧道向正洞大小里程方向开挖，采用三台阶法开挖。由于斜井与正洞交叉处断面跨度为12m左右，导洞开挖断面6.66m，斜井断面两侧比导洞各宽2m多，为保证交叉断面的安全，向大小里程开挖时，要求过斜井外轮廓线10m后按正洞进尺正常施工。左右10m范围内正洞开挖进尺控制在每循环1榀。

为保证斜井门架受力对称，在拱脚处增加2根4m长锁脚锚管。

图2.2.2-6 加强门架现场施工照片

（6）导洞临时竖撑拆除施工

导洞临时竖撑拆除施工工艺流程图如下图2.2.2-7所示。

图2.2.2-7 导洞临时竖撑拆除施工流程图

1）导洞内正洞拱架架设喷混完成后，即完成挑顶施工，正洞开挖必须待导洞内正洞初支强度达到100%后，方可开始拆除导洞竖向临时拱架，向两侧开挖。

2）拆除导洞内临时竖撑时，先采用人工将导洞小里程方向门型拱架沿着正洞初支位置将导洞喷射混凝土破除，然后割掉临时竖撑工字钢。

3）导洞小里程方向侧壁上打设炮眼，进行爆破开挖，开挖进尺至斜井门架端部，施做正洞拱架落至门架上，完成上导初支。

4）为保证门架受力均匀，对称向大里程按相同方法开挖，完成大里程方向门架范围正洞初支施工。

5）对称向大小里程施工至斜井外轮廓线10m处，最后按照正洞正常开挖方法向小里程方向施工至50m，预留拼装工装设备场地，再开始向大里程方向继续掘进。

开始施工过程中，加强监控量测监测，如有异常，立即停止拆除，并进行加固。

（7）正洞开挖支护

待正洞向斜井两侧开挖至10m外后，及时施做仰拱，然后开始按正常正洞开挖工序向小里程开挖50m，以方便安装栈桥、二衬台车等工装设备，然后掉头向大里程方向开挖。正洞开挖按照设计三台阶法组织施工。

正洞下台阶向两端施工完成后要及时施做仰拱，尽早形成闭合的环向支撑体系，确保安全。

３ 施工原则及注意事项

3.1交叉口段施工原则

（1）加强围岩监控量测和超前地质预报工作，将超前地质预报和监控量测纳入工序化管理；

（2）严格按照隧道施工安全“十八字”方针和“岩变我变”的原则组织施工。

（3）做好领导现场带班作业，落实好各级安全生产责任制。

（4）严格按照批准的施工组织设计和施工方案组织现场施工。

（5）做好现场施工管理人员及作业人员的专项施工方案培训和应急预案的安全技术交底工作。

（6）加强监控量测，量测频次由原来的2次/天改为每六小时观测一次，监控沉降变形情况，如有异常情况，立即分析原因，并采取应急措施，加强支护。

（7）稳扎稳打，不得冒进，加强现场管理，切实做好支护质量，及时封闭成环，确保挑顶施工安全顺利。

3.2施工要点及注意事项

（1）小导洞采用人工配合机械进行开挖，挖机配合扒碴，自卸汽车出碴，开挖循环进尺控制为2.0ｍ．
   （2）注意控制挑顶段拱顶标高，顶部初支内侧沿正洞开挖轮廓线布置，并做好施工误差及沉降变形量预留。
    （3）控制超欠挖：由于从斜井进入正洞后，拱顶标高先低后高，变化较大，控制超欠挖尤为重要。
   （4）开挖完成后及时初喷，再架立拱架。拱架架立时测量组必须每榀检查，检查时根据开挖进尺及拱顶高程确定拱架架立位置，防止出现欠挖。
   （5）拱架架立经检查合格后，立即进行喷混凝土作业，喷混凝土时特别注意三岔口拱背必须用喷混凝土回填密实，严禁出现空洞。

（6）正洞上断面开挖到位后，停止开挖，对前方无法架立拱架的部位挂网、打设锚杆、喷混凝土并封闭掌子面。

（7）正洞拱架斜井洞口侧架立在斜井洞口加强拱架上，并焊接牢固，在每榀拱脚打设两根锁脚锚管（锁脚锚管长度4.0ｍ），正洞拱架必须架立在坚硬稳定岩石上，严禁架立在虚碴上，并每处打设两根锁脚锚管。

（8）为防止正洞交叉口处拱架变形侵限，将该段进出口方向各10ｍ范围内预留30cm变形量，一旦发生较大沉降变形，立即架设护拱。

（9）进入正洞后，在交叉口段两个方向不得同时开挖，未施工的掌子面必须用喷射混凝土封闭并加强监控量测。

（10）通过信息化平台，实时查看检测数据特别注意出现预警情况，应立即采取相应应急措施。监控设备引至掌子面，管理人员和各方能随时查看现场实时施工动态。

结语：

枫坪隧道斜井进正洞挑顶施工，是采用小断面辅助导洞进入大截面正洞的施工技术，该施工工法能在软弱围岩地质条件下，快速完成斜井挑顶进正洞，从而加快软弱围岩地质段辅助坑道进入正洞的施工进度，施工安全性较高，极大地解决了传统隧道逃顶施工周期长、安全风险高、成本管控难的系列问题。从根本上缩短了隧道挑顶施工工期，降低了施工安全风险，保障了施工质量，经济社会效益明显，具有良好的推广应用价值。

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