大斷面黃土隧道斜井與主洞交叉施工技術(shù)

李代群 中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司

1.工程概況

劉家塬隧道為曲線形雙向六車(chē)道分離式黃土隧道，左線施工里程ZK63+440～ZK64+995，共1555m；右線施工里程YK62+750～YK64+055共1305m，合計(jì)共2860m。隧道左右洞間距約為170m；左線最大埋深約115m，右線最大埋深約124m。隧道內(nèi)襯砌輪廓線寬15.53m，高8.02m，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h，建筑限界凈寬14.5m，凈高5m。

洞室圍巖為中更新統(tǒng)離石黃土，結(jié)構(gòu)致密，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，夾谷土壤層，呈大塊狀壓密結(jié)構(gòu)。巖土體波速Vp=1.1～1.3km/s，圍巖穩(wěn)定性差，洞室開(kāi)挖洞頂極易坍塌，處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)大的坍塌，側(cè)壁經(jīng)常出現(xiàn)小坍塌。開(kāi)挖過(guò)程中可出現(xiàn)滴水、滲水現(xiàn)象。

左線斜井設(shè)置在左線右側(cè)ZK64+175處，右線斜井設(shè)置在右線左側(cè)YK63+380處，均為無(wú)軌雙車(chē)道斜井。YK63+380處斜井的長(zhǎng)度為96m，縱坡6.51%，與主洞交角67°，斜井進(jìn)口高程1160.4m，與主洞交接處高程1154.15，距離右線進(jìn)口547m。ZK64+175處斜井的長(zhǎng)度為106.3m，縱坡-5.767%，距離左線出口820m，進(jìn)口設(shè)計(jì)高為1159.42，井底的設(shè)計(jì)高為1153.29。斜井建筑限界系數(shù)指標(biāo)為7×5m。

2.常規(guī)隧道挑頂施工

挑頂施工是隧道斜井進(jìn)入主洞最常用的施工方式[1-2]，主要施工方法是：當(dāng)斜井施工至與主洞交界處后（與主洞設(shè)計(jì)二次襯砌最大跨度相交時(shí)），停止斜井掌子面施工，即時(shí)完成斜井加強(qiáng)段襯砌（一般為主洞交叉至斜井10～20m范圍內(nèi)）并在與主洞交界處設(shè)置雙層門(mén)子型鋼拱架，作為交叉口處主洞初期支護(hù)的鋼拱架落腳點(diǎn)；然后采用小導(dǎo)洞進(jìn)行挑頂施工(小導(dǎo)洞一般采用門(mén)子型拱架作為臨時(shí)支護(hù)，小導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)頂部略高于主洞初期支護(hù))，直至主洞起拱線位置，再在小導(dǎo)洞內(nèi)施作主洞初期支護(hù)(主洞初期支護(hù)拱架靠近斜井一端與斜井主洞交叉處的門(mén)子型拱架連接)，完成小導(dǎo)洞位置主洞初支并穩(wěn)定后，拆除小導(dǎo)洞主洞方向一側(cè)豎向臨時(shí)支撐，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況采用預(yù)留核心土法或單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行隧道主洞的施工，當(dāng)隧道主洞上導(dǎo)開(kāi)挖到一定長(zhǎng)度后，進(jìn)行下導(dǎo)及仰拱施工，使主洞鋼拱架封閉成環(huán)，完成挑頂施工。該方法具有施工速度較快，臨時(shí)支護(hù)等額外工程量小，施工成本低、斜井利用率高(挑頂施工完成后，即可形成兩個(gè)工作面)等優(yōu)點(diǎn)。

但是挑頂施工時(shí)斜井交叉口的主洞一側(cè)凌空，主線隧道拱頂?shù)膸r體的壓力通過(guò)斜井口的初期支護(hù)傳遞到斜井的墻身，同時(shí)主洞與斜井交叉處圍巖處于空間三維受力狀態(tài)，受力情況復(fù)雜，對(duì)圍巖等級(jí)要求較高。軟弱圍巖采用這種方法施工時(shí)，對(duì)支護(hù)強(qiáng)度要求大大提高，導(dǎo)致主洞橫向挑頂開(kāi)挖支護(hù)難度極大，且由于挑頂過(guò)程中工作空間狹小，無(wú)法采用機(jī)械進(jìn)行開(kāi)挖，只能進(jìn)行人工開(kāi)挖，即使發(fā)生小面積的掉塊或者坍塌也容易造成人員傷亡，大大增加了施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。開(kāi)挖支護(hù)不當(dāng)圍巖極易造成變形下沉甚至塌方，發(fā)生重大安全質(zhì)量事故，且挑頂完成后，交叉口段主洞二次襯砌短時(shí)間內(nèi)無(wú)法施工，所以該方案用于本隧道時(shí)施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)都將大大提高。

3.斜井斜交進(jìn)洞漸變擴(kuò)挖

針對(duì)本隧道圍巖等級(jí)低，斷面大，易坍塌等特點(diǎn)，如何解決斜井進(jìn)洞過(guò)程中的應(yīng)力集中、凌空面過(guò)大、施工空間狹小、交叉處圍巖受力狀態(tài)復(fù)雜等問(wèn)題，成為最大的難題。采用斜井進(jìn)洞轉(zhuǎn)向至主洞斷面后，漸變擴(kuò)挖的施工方法很好地解決了這些難題，當(dāng)斜井施工至主洞交界處后，不進(jìn)行挑頂施工，而是以曲線形式轉(zhuǎn)體進(jìn)入主洞(斜井?dāng)嗝婕俺叽缇蛔?，待斜井?dāng)嗝媾c主洞斷面平行后，顯喇叭口形式逐步擴(kuò)挖至主洞標(biāo)準(zhǔn)斷面，形成新的工作面。斜井進(jìn)入主洞后以曲線形式轉(zhuǎn)向至與主洞斷面平行，然后漸變擴(kuò)挖的施工方法相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的曲線小斷面隧道，受力情況和普通的小斷面隧道受力狀況相似，避免了應(yīng)力集中和斜井與主洞交叉處圍巖空間三維受力的復(fù)雜狀態(tài)，而且斜井?dāng)嗝嫦蛩淼乐鞫磾嗝娴倪^(guò)渡采用喇叭口漸變的方式施工，有利于隧道圍巖的穩(wěn)定，對(duì)隧道圍巖的等級(jí)要求大大降低，非常適合軟弱圍巖斜井進(jìn)洞的施工。

3.1 主要施工方法及施工工藝

（1）斜井施工至主洞位置后，以曲線形式進(jìn)入主洞。

（2）斜井掌子面施工至與主洞斷面平行后，采用喇叭口擴(kuò)挖方式逐漸擴(kuò)挖至主洞斷面（擴(kuò)挖段長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際圍巖情況確定），并施作臨時(shí)仰拱。

（3）擴(kuò)挖完成形成新的工作面，進(jìn)行主洞施工作業(yè)直至主洞貫通。

（4）主洞貫通后，為保證擴(kuò)挖段及主洞范圍內(nèi)斜井換拱施工及后期運(yùn)營(yíng)安全對(duì)擴(kuò)挖段及斜井進(jìn)行回填。

（5）逐榀拆除擴(kuò)挖段及主洞范圍內(nèi)斜井的臨時(shí)支護(hù)并逐榀施工主洞初期支護(hù)至隧道貫通。

3.2 施工注意事項(xiàng)

（1）施工中加強(qiáng)圍巖量測(cè)，根據(jù)圍巖量測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋支護(hù)信息，確保支護(hù)措施安全合理。

（2）斜井進(jìn)入主洞時(shí)，在滿(mǎn)足行車(chē)要求條件下，盡量采取直交進(jìn)洞，以減短斜井與主線交叉面長(zhǎng)度，降低后期換拱處理難度。

（3）由于喇叭口擴(kuò)挖段鋼拱架的支護(hù)方向與圍巖壓力方向不是垂直受力關(guān)系，喇叭口段擴(kuò)挖角度越大，圍巖壓力方向與鋼拱架交角越大，側(cè)向推力越大，拱架受力越差，支護(hù)強(qiáng)度要求越高，圍巖變形越難控制，施工難度和施工成本也越高；擴(kuò)挖角度越小，擴(kuò)挖段越長(zhǎng)，隧道貫通后回填和換拱工程數(shù)量越大，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況合理設(shè)置喇叭口擴(kuò)挖段的擴(kuò)挖角度，保證方案經(jīng)濟(jì)性和合理性。

（4）斜井進(jìn)入主洞，經(jīng)轉(zhuǎn)向與主洞方向一致后，綜合考慮支護(hù)情況，靠近主洞一側(cè)初期支護(hù)參數(shù)可按照主洞初期支護(hù)施工，以減少后期換拱工程數(shù)量，降低施工成本。

（5）對(duì)擴(kuò)挖段及斜井進(jìn)行回填時(shí)，為防止斜井換拱時(shí)擴(kuò)挖段及主洞范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力改變導(dǎo)致主洞與斜井交叉處斜井初支變形或者垮塌，以及減少后期主洞范圍外廢棄斜井后期變形或垮塌對(duì)主洞造成影響，主洞與斜井交叉面以外8m范圍內(nèi)宜采用片石混凝土回填或漿砌片石砌筑，擴(kuò)挖段及其余部分可采用素土或洞渣回填。

3.3 存在問(wèn)題

（1）該方法施工進(jìn)入只能形成一個(gè)工作面，不利于快速展開(kāi)施工，如需增設(shè)工作面，需在導(dǎo)洞進(jìn)入主洞前增設(shè)支導(dǎo)洞，以同樣方式進(jìn)洞。

（2）進(jìn)入主洞后斜井轉(zhuǎn)向施工及喇叭口擴(kuò)挖段落臨時(shí)支護(hù)與挑頂施工相比均屬于附加工程，且主洞貫通后均需拆除，施工成本較挑頂施工有所增加。

（3）主洞貫通后，需對(duì)斜井和擴(kuò)挖段進(jìn)行回填，并對(duì)喇叭口及主洞范圍內(nèi)斜井段落進(jìn)行擴(kuò)挖換拱處理，較挑頂施工后期處理施工難度和施工成本都有所增加。

（4）該方案由于施工周期和施工成本比傳統(tǒng)的挑頂施工都有所增加，對(duì)于圍巖較好或斷面較小的隧道并不適用，所以?xún)H適用于圍巖較差不適合挑頂施工的隧道。

4.結(jié)束語(yǔ)

大斷面黃土隧道，土質(zhì)疏松、圍巖軟弱、含水量大，在施工中容易發(fā)生變形及坍塌，增設(shè)斜井時(shí)如采取常規(guī)的挑頂施工，支護(hù)強(qiáng)度要求高，施工難度大，且安全風(fēng)險(xiǎn)難以控制，采取斜井進(jìn)洞后轉(zhuǎn)向漸變擴(kuò)挖的進(jìn)洞方式，避免了軟弱圍巖地段挑頂施工難度大，質(zhì)量安全隱患多，開(kāi)挖支護(hù)不當(dāng)圍巖很容易下沉變形，甚至塌方發(fā)生重大質(zhì)量安全事故的危險(xiǎn)，雖然該方法較隧道挑頂施工成本及施工周期都略有增加，但其大大降低了軟弱圍巖地段斜井進(jìn)入主洞的施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)，避免了大斷面黃土隧道采用挑頂施工易導(dǎo)致變形或坍塌的情況，對(duì)軟弱圍巖斜井進(jìn)洞施工具有極其重要的意義。