桃樹坪隧道3號斜井進主洞施工技術(shù)

張學(xué)文，王 猛，趙旭鵬

(1.中鐵十三局集團公司蘭渝鐵路工程指揮部，甘肅宕昌 748500;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧阜新 123000)

0 引言

近年來，隨著中期鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃和中國鐵路規(guī)劃的實施，一些地質(zhì)復(fù)雜、施工難度大的長大隧道將如期投資修建。為了縮短工期，往往采用各種輔助斜井進入正洞的方式來增加工作面，實現(xiàn)“長隧短掘”的目的［1］。由于隧道圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜多變，同時輔助斜井相對隧道正洞而言斷面較小，如何從小斷面安全過渡到正洞大斷面，其交叉段施工方案及技術(shù)顯得尤為重要。在斜井輔助正洞施工技術(shù)研究中，許多專家和學(xué)者開展了大量的工作，目前成熟的施工方法主要有大包法、上挑洞法、CRD法等。高洪濤等［2］研究了烏鞘嶺隧道斜井輔助正洞施工技術(shù);龍蛟［3］研究了石板山隧道斜井與正洞交叉段采用中導(dǎo)洞爬坡挖到正洞，然后反向挑頂?shù)氖┕し椒?申延虎［4］、辜鼎甲［5］介紹了隧道斜井進正洞施工技術(shù);楊勝［6］對穿過坡積物的斜井特殊進洞施工技術(shù)進行了研究，在斜井進主洞施工中取得了良好的效果。本文以桃樹坪隧道3號斜井進正洞施工為背景，結(jié)合其特殊的工程地質(zhì)條件，斜井采用臺階法正交水平穿過正洞，正洞施工整體分上、下2部分，上半斷面采用CD(或CRD)法施工，下半斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

桃樹坪隧道是蘭渝鐵路在建項目難度最大的隧道工程之一，位于蘭州東站站端，隧道起訖里程DK3+435～DK6+655，全長3 225m，設(shè)計為雙線隧道。進口位于蘭州東站出站端，出口位于榆中縣方家泉村。隧道進口低，出口高，地形起伏大，最小埋深處僅6 m，地表溝谷發(fā)育，下切較深。由于緊鄰蘭州市，桃樹坪隧道下穿多個垃圾回填的淺埋溝谷、饞柳高速、312國道、廠礦企業(yè)、密集的居民區(qū)。由于隧道圍巖差，施工困難，為加快施工進度，增設(shè)了0～4號共5個斜井。因此，在斜井進主洞時，需要制訂可行的施工方案，采取科學(xué)合理的施工技術(shù)。

1 工程地質(zhì)特征

從3號斜井揭示圍巖情況來看，斜井上半斷面(3～3.5 m高度)為上第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細砂巖，出水量大;下半斷面為鈣質(zhì)弱膠結(jié)砂巖，在兩層接觸面出現(xiàn)股狀流水。上導(dǎo)圍巖基本無自穩(wěn)能力，兩層接觸面基本呈流塑狀，隧道沉降、變形量大，極易發(fā)生坍塌，施工難度極大，如圖1所示。

圖1 3號斜井現(xiàn)場施工狀況Fig.1 Construction site of No.3 inclined shaft

上第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細砂巖，巖層致密。根據(jù)現(xiàn)場取樣試驗，孔隙率為22% ～26%，孔隙比為0.36 ～0.4，飽和度為 3.9% ～20%，實測最大飽和度為20%，密度為2.63g/cm3，在飽和狀態(tài)下試樣壓力為2～3MPa，非飽和狀態(tài)下試樣壓力為7～8MPa，滲透系數(shù)為0.01～0.001 cm/s，水平和垂直滲透系數(shù)相差很小，砂層較潔凈，含泥量5% ～10%，成巖作用差，無膠結(jié)，稍有擾動即成松散粉狀結(jié)構(gòu)，在富水時基本無自穩(wěn)能力，呈流塑狀，極易發(fā)生坍塌。圍巖在滲水情況下，原狀弱膠結(jié)粉細砂巖易迅速惡化呈流砂外涌。

2 斜井進主洞施工技術(shù)

由于桃樹坪3號斜井地質(zhì)條件極差，斜井上半斷面富水粉細砂巖層，出水量大，下半斷面為鈣質(zhì)弱膠結(jié)砂巖，在兩層接觸面出現(xiàn)股狀流水，有涌砂現(xiàn)象，斜井進入正洞及正洞施工難度極大，制定的總體施工方案是:利用斜井正交穿過正洞下半斷面，在斜井邊墻采用雙側(cè)壁法開挖正洞下半斷面，側(cè)壁導(dǎo)坑超前，可最大限度地解決正洞區(qū)段降排水問題，同時解決鈣質(zhì)膠結(jié)層面流水、流砂造成的沉降、變形等施工問題。通過小導(dǎo)洞上爬到正洞頂后再環(huán)向擴挖，完成正洞上半斷面的初始施工作業(yè)面，采用CD(或CRD)法施工正洞上半斷面，如圖2所示。

圖2 斜井進入主洞段施工示意圖(單位:m)Fig.2 Sketch showing construction of connection section between inclined shaft and main tunnel(m)

整個隧道施工的關(guān)鍵是降排水，主要采用真空輕型井點降水+集水坑集排水相結(jié)合的方法對隧道進行系統(tǒng)降排水施工。斜井采用全斷面降水，正洞段主要是下斷面雙側(cè)壁降水。

2.1 斜井降排水施工技術(shù)

根據(jù)不同條件下的隧道施工降排水技術(shù)［7－9］，結(jié)合現(xiàn)場試驗和專家意見，采用真空輕型井點降水+集水坑集排水方案進行降排水。

2.1.1 真空輕型井點降水

根據(jù)實際地質(zhì)情況，降水集中到鈣質(zhì)膠結(jié)層面0～3 m范圍采用真空輕型井點降水。

1)管井布置。斜井管井布置如圖3所示，邊墻位置距鈣質(zhì)膠結(jié)層面0.5～0.8 m以上布置2排管井，斜向下15°布置，排間距為1 m;井管長度分別為4.5 m和3 m，間隔布置，在上導(dǎo)段管井間距0.5 m，下導(dǎo)及仰拱完成段管井間距1 m。掌子面布置3～4排5 m長的超前管井，核心土部分管井間距0.6～1 m，在弧形導(dǎo)坑開挖面及拱腳位置管井間距0.5～0.6m。在拱腳位置出水較集中，斜向外插，管井布置加密，采用3m和5 m長的井管交錯布置，以保證降水效果。

側(cè)壁導(dǎo)坑的管井布置與斜井基本相同，可根據(jù)實際情況進行相應(yīng)調(diào)整。

圖3 真空井點降水管井布置圖(單位:cm)Fig.3 Layout of dewatering tubes(cm)

2)井管施工。井管采用φ32 PPR真空井管和φ42無縫鋼管加工，管頭20～30cm范圍內(nèi)對稱鉆4排φ6 mm吸水孔，孔間距3～5 cm，管壁采用100目雙層濾網(wǎng)包裹，用鋼絲扎緊。

φ32PPR井管適用于純砂層地段，可采用高壓風(fēng)或高壓水沖孔成功后插管完成;φ42無縫鋼管井管適用于有孤石、鈣質(zhì)膠結(jié)層地段，無法采用高壓風(fēng)、水沖孔，直接用風(fēng)槍鉆孔后推進完成。

3)真空輕型井點降水泵。降水采用7.5kW V6型真空泵，按出水量布置真空泵數(shù)量，每臺泵連接2節(jié)主管，8～12孔井管。集水總管直徑75～100 mm，每節(jié)長4.0 m，主管上按0.5 ～0.8 m 間距布置 φ32 支管，支管采用單閥控制，通過鋼絲軟管與井管連接。V6型真空泵運行形成負壓，通過井管將粉細砂圍巖中的水抽出，降水施工時真空負壓需控制在0.06 MPa以下。

2.1.2 集水坑降水

集水坑設(shè)置在仰拱或下導(dǎo)面基底部位，主要匯集掌子面及已施作支護地段斜井滲水，作為斜井輕型井點降水的輔助措施。為盡量減少掌子面滲出的水流對邊墻的影響，集水坑設(shè)置在距離斜井邊墻不小于1 m處，集水坑采用4 mm厚薄鋼板焊接而成，集水井間距5～10 m，施工時應(yīng)設(shè)置井蓋。仰拱施作前應(yīng)先行設(shè)置好集水坑，確?；诐B水能順暢流入集水坑，水匯集到集水坑后采用大功率潛水泵及離心泵集中抽排到洞外。

2.2 斜井正交水平穿過正洞段施工

斜井正交水平穿過正洞(斜井底面與正洞仰拱面同高)，采用臺階法開挖施工(上導(dǎo)弧形導(dǎo)坑保留核心土)。初期支護完成后及時進行回填注漿加固，并進行二次支護。

斜井與正洞交叉口段臨空面大、受力復(fù)雜，必須加強支護。斜井靠近正洞2.5 m范圍內(nèi)初期支護需設(shè)立12榀I20b型鋼拱架進行加強支護，如圖4所示。斜井完全穿過正洞后，對穿過正洞及距離交叉口20 m區(qū)段內(nèi)的斜井全部進行二次支護。交叉口5 m范圍內(nèi)二次支護拱架間距為0.6 m，其余二次支護拱架間距均為1 m。

圖4 斜井穿過正洞段斜井初期支護拱架布置示意圖(單位:m)Fig.4 Layout of steel ribs of connection section between inclined shaft and main tunnel(m)

2.3 側(cè)壁導(dǎo)坑及導(dǎo)洞施工

1)側(cè)壁導(dǎo)坑施工。斜井穿過正洞后封閉斜井工作面，在斜井邊墻位置開始進行正洞下斷面雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工。

側(cè)壁導(dǎo)坑采用臺階法施工，上、下臺階長度5～8 m，上臺階預(yù)留核心土弧形導(dǎo)坑開挖。工作面超前注化學(xué)漿液預(yù)加固，采用超前真空輕型井點降水，全人工開挖，加強支護。

側(cè)壁導(dǎo)坑開口段1 m范圍內(nèi)加強初期支護，將2榀側(cè)壁拱架并排焊接在一起，以20 cm為間距依次設(shè)立3組，其余拱架按0.5 m間距正常設(shè)立支護。為保證正洞仰拱的施工安全，側(cè)壁導(dǎo)坑全部設(shè)置臨時仰拱，并及時對初期支護背后進行回填注漿加固處理。

2)中部導(dǎo)洞施工。中部導(dǎo)洞可滯后正洞側(cè)壁導(dǎo)坑上臺階3～5 m施工，中部導(dǎo)洞初始開挖斷面為2.5 m ×2.5 m，逐漸漸變?yōu)?2.5 m ×4 m，保證拱頂坡度為38%，在距斜井邊墻16.5 m位置可達到拱頂設(shè)計高度，再水平掘進4 m后封閉導(dǎo)洞掌子面，開始環(huán)向擴挖施工。

3)環(huán)向擴挖施工。環(huán)向擴挖采用中心導(dǎo)坑開挖支護形式，沿正洞拱部開挖輪廓線環(huán)向兩側(cè)開挖，導(dǎo)洞開挖斷面逐漸由3 m×4 m漸變?yōu)? m×2.5 m，直到正洞兩側(cè)邊墻與側(cè)壁導(dǎo)坑頂相通為止。

環(huán)向擴挖完成后安裝正洞拱架，支護完成后可開始正洞施工。

2.4 正洞過渡段擴挖施工

2.4.1 正洞挑頂過渡段施工

通過中部導(dǎo)洞上挖到正洞頂，再環(huán)向擴挖，環(huán)向擴挖完成后安裝正洞拱架形成初始作業(yè)面，利用環(huán)向擴挖段作為工作平臺進行正洞上臺階施工，逐步擴展。正洞挑頂段施工如圖5所示。

圖5 正洞挑頂段施工示意圖(單位:m)Fig.5 Sketch of roof ripping of main tunnel(m)

正洞施工過程中，兩側(cè)壁導(dǎo)坑繼續(xù)采用臺階法超前掘進，以解決降水問題。正洞上半斷面采用CD(或CRD)法施工(根據(jù)圍巖情況決定)，分左、右2部開挖，按先左后右施工，每部均采用二臺階開挖，第1臺階開挖高度3.1m，作業(yè)層面與拱部導(dǎo)洞同高。第1臺階有一定長度空間后可選中間部位向下開挖第2臺階，第2臺階高度2.5m，臺階底部與側(cè)壁導(dǎo)坑頂同高。正洞上部拱架與側(cè)壁導(dǎo)坑拱架聯(lián)接，初期支護成環(huán)，然后再逐步挖除兩側(cè)壁中間部位。

一臺階底根據(jù)具體情況設(shè)I18b型鋼橫撐或I20b型鋼網(wǎng)噴臨時仰拱，二臺階底部設(shè)I20b型鋼網(wǎng)噴臨時仰拱，局部成環(huán)封閉，確保施工安全。

2.4.2 正洞跨斜井交叉段施工

正洞上斷面形成完整工作面后，正常掘進需上跨斜井交叉口。

正洞跨斜井交叉口段必須加強處理，對交叉口段5 m范圍內(nèi)的斜井進行第3次套拱加固。在正洞拱架拱腳2 m區(qū)段套拱采用I25a型鋼拱架，拱架間距0.5 m，模筑C30混凝土加固;其余3m套拱采用I20b型鋼拱架，間距1 m，如圖6所示。

正洞上跨掘進時，需現(xiàn)場適當(dāng)調(diào)整，確保正洞拱架拱腳落在斜井初期支護拱架上，在斜井拱架上焊接連接鋼板，與正洞拱架拱腳鋼板采用螺栓連接。正洞拱架拱腳支護完成后，拱腳位置必須注雙液漿加固處理。

圖6 交叉段加強支護施工示意圖(單位:m)Fig.6 Strengthened support of connection section(m)

2.5 正洞正常段施工

正洞施工進入正常施工循環(huán)，施工整體分上、下2部分進行，必須下部雙側(cè)壁超前掘進，采用真空輕型井點降水+集水坑集排水相結(jié)合的方法解決正洞區(qū)段降排水問題。其后逐步開挖上部各區(qū)段，如圖7所示。

下部開挖高度5.2 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，具體分為①—④部掘進施工;上部開挖高度5.6 m，采用CD(或CRD)法施工，具體分⑤—⑧部掘進施工，正洞各部掘進時按需要及時增設(shè)臨時仰拱，保證分部封閉成環(huán)，確保施工安全，對初期支護背后及時回填注漿，防止脫空;最后開挖⑨—⑩部，施工仰拱，初期支護成環(huán)。根據(jù)量測數(shù)據(jù)及時掌握圍巖收斂變形情況，按需要進行二次支護。

圖7 正洞段施工示意圖(單位:m)Fig.7 Sketch of main tunnel construction(m)

2.6 正洞仰拱、二次襯砌施工

待側(cè)壁導(dǎo)坑接腿支護完成后再進行中部仰拱開挖，安裝仰拱拱架，初期支護封閉成環(huán)。每次進尺1～2榀，拱架間距0.5～1m，仰拱開挖初期支護后及時澆筑仰拱混凝土、仰拱填充混凝土，以利隧道整體穩(wěn)定。

仰拱施工完畢達到100%強度后，根據(jù)圍巖監(jiān)控量測情況，隧道整體變形趨于穩(wěn)定即可逐步拆除臨時支撐，施工二次襯砌混凝土［10］。

2.7 實施效果

施工實踐證明:此套挑頂方案比較合理，從根本上解決了隧道降排水困難問題，有效控制了鈣質(zhì)膠結(jié)層面流砂造成的隧道初期支護沉降、變形和坍塌現(xiàn)象的發(fā)生，保證了工程的安全，提高了施工效率，保障了工程質(zhì)量。

3 結(jié)論與討論

采用真空輕型井點降水+集水坑集排水的方法解決了隧道下部涌、滲水對施工的影響。側(cè)壁導(dǎo)坑超前，可最大限度地解決正洞區(qū)段降排水問題，提高圍巖自穩(wěn)性能，實現(xiàn)無水條件下作業(yè)。

桃樹坪3號斜井進主洞施工技術(shù)的成功實施為同類條件的隧道施工提供了技術(shù)支持和借鑒，下一步的研究將針對支護參數(shù)進行優(yōu)化，減少支護成本的投入。

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