軟弱地層輔助坑道進(jìn)隧道正洞上聯(lián)洞+門(mén)架法挑頂施工技術(shù)

張洪達(dá)

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶 401123)

0 引言

長(zhǎng)大隧道通常設(shè)置斜井、平導(dǎo)等輔助坑道增開(kāi)工作面，以實(shí)現(xiàn)加快掘進(jìn)速度、協(xié)助通風(fēng)排水等目的。由輔助坑道進(jìn)入正洞的交叉口段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，三維受力轉(zhuǎn)換頻繁，對(duì)挑頂工藝要求嚴(yán)格。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，探索一種快捷、安全的挑頂工法具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

目前，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)隧道挑頂技術(shù)進(jìn)行了大量研究和總結(jié)[1-6]，普遍認(rèn)為，通過(guò)在交叉口處設(shè)置垂直于正洞的爬坡導(dǎo)洞實(shí)施挑頂是較為行之有效的方法。劉毅等[7-8]闡述了垂直挑頂工藝在大跨度地鐵隧道斜井進(jìn)正洞施工中的流程及要點(diǎn)，并采用三維有限元方法計(jì)算，以應(yīng)力、位移為指標(biāo)，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了垂直挑頂工藝在中、微風(fēng)化石英砂巖地層中控制圍巖變形的有效性。郝文廣[9]、黎冬來(lái)[10]分別研究了黃土及膨脹土地層中橫洞進(jìn)隧道正洞采用橫向垂直導(dǎo)洞法挑頂工藝的實(shí)施要點(diǎn)。魯建邦[11]對(duì)大斷面隧道斜井挑頂過(guò)程中力學(xué)場(chǎng)特征和變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，得出在垂直挑頂過(guò)程中對(duì)正洞核心土進(jìn)行加固可以減小應(yīng)力集中程度。以上研究大多是對(duì)特定條件下隧道挑頂實(shí)施方案的總結(jié)分析，少部分文獻(xiàn)對(duì)挑頂施工不同方案進(jìn)行了比選[12-13]。

上述研究所涉及的工法仍多以輔助坑道和正洞的交叉口為切入點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整輔助坑道斷面或設(shè)置不同形式的爬坡導(dǎo)洞實(shí)現(xiàn)挑頂。在交叉口段狹小作業(yè)空間下，工序錯(cuò)綜復(fù)雜，初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)交錯(cuò)進(jìn)行，支護(hù)結(jié)構(gòu)拆換及多種受力結(jié)構(gòu)交叉的情況依然存在。通過(guò)控制開(kāi)挖斷面尺寸、采取超前預(yù)支護(hù)、圍巖注漿加固和加強(qiáng)初期支護(hù)等措施來(lái)控制初期支護(hù)變形，交叉口段圍巖復(fù)雜的三維受力狀態(tài)尚未因工法革新得到徹底改善。 本文以新建重慶至昆明高速鐵路云貴段昭通隧道2號(hào)斜井進(jìn)正洞交叉口在膨脹土地層挑頂為例，采用在交叉口后方設(shè)置獨(dú)立式上聯(lián)洞爬升至正洞拱部的方法，結(jié)合密排門(mén)架支護(hù)進(jìn)行挑頂，多工作面同步施作斜井交叉口段襯砌，從工法優(yōu)化入手預(yù)防多種安全風(fēng)險(xiǎn)疊加，并分析和總結(jié)上聯(lián)洞+門(mén)架法挑頂工藝的應(yīng)用效果。

1 工程概況

新建重慶至昆明高速鐵路云貴段昭通隧道位于云南省彝良縣與昭通市之間，隧道全長(zhǎng)16.260 km，起訖里程DK373+070～DK389+330，為全線控制性工程，屬于Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道采取“2橫洞+2斜井+進(jìn)口平導(dǎo)”的輔助坑道方案，其中，2號(hào)斜井位于昭陽(yáng)區(qū)龍汛村附近，洞長(zhǎng)250 m，縱坡-10.59%，斜井中線與正洞中線相交于DK388+750,與正洞大里程端平面交角成61°，交叉口段拱頂埋深約48 m。2號(hào)斜井工區(qū)承擔(dān)正洞施工長(zhǎng)度達(dá)2 660 m，2號(hào)斜井轉(zhuǎn)入正洞小里程施工為隧道工程的關(guān)鍵線路。

1.1 設(shè)計(jì)概況

2號(hào)斜井井身采用單線斷面V級(jí)復(fù)合式(設(shè)底板)襯砌結(jié)構(gòu)，洞身開(kāi)挖斷面寬度為8.88 m，高度為7.61 m。隧道正洞為鐵路單洞雙線斷面，洞身開(kāi)挖寬度為15.26 m,高度為11.26 m。交叉口段2號(hào)斜井及正洞隧道支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 交叉口段2號(hào)斜井及正洞隧道支護(hù)參數(shù)

1.2 地形地貌

隧址區(qū)屬高原斜坡地帶中低山峽谷區(qū)，地形陡峻，起伏大，地面高程1 390～2 900 m,相對(duì)高差約1 500 m，自然橫坡10°～45°，斜坡地帶基巖大多裸露，覆土薄。2號(hào)斜井至正洞段地形相對(duì)平緩，緩坡地帶及淺狀溝槽覆土相對(duì)較厚，坡面上灌木叢生，林地、耕地較少。

1.3 水文條件

2號(hào)斜井段無(wú)河流、湖泊、水庫(kù)等地表水體。地表水主要為溝水和坡面暫時(shí)性流水，地下水以地表補(bǔ)給為主，流量受季節(jié)影響明顯。雨季多集中在6～10月，占全年降水量80%以上，為地下水補(bǔ)給旺盛時(shí)期，月降雨量為160～210 mm。

1.4 工程地質(zhì)

斜井與正洞交叉口段位于第三系黏土夾碎、塊石地層，覆土層厚，土質(zhì)較軟。黏土具有弱—中等膨脹性，自由膨脹率為37%～62%，夾褐煤，為微瓦斯段落，瓦斯壓力<0.15 MPa，絕對(duì)瓦斯涌出量為0.16 m3/min。所夾碎石為灰?guī)r質(zhì)，巖質(zhì)較硬。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行土體膨脹性判定，判定參數(shù)及結(jié)果如表2所示。

表2 土體膨脹性判定參數(shù)及結(jié)果

2 挑頂方案選擇

傳統(tǒng)隧道挑頂方法多通過(guò)在交叉口處設(shè)爬坡導(dǎo)洞進(jìn)入正洞后實(shí)現(xiàn)擴(kuò)挖。橫向垂直導(dǎo)洞法，即在交叉口附近通過(guò)抬高輔助坑道拱頂高度，設(shè)置大坡度過(guò)渡段，利用垂直于正洞的橫向?qū)Ф矗_(kāi)挖出正洞上臺(tái)階輪廓后轉(zhuǎn)入正洞施工。

本工程若選用橫向垂直導(dǎo)洞法挑頂，井底拱頂需超挖過(guò)渡至正洞上臺(tái)階，最大開(kāi)挖高度超過(guò)10 m，短期內(nèi)無(wú)法完成交叉口段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉和二次襯砌，正洞初期支護(hù)承擔(dān)的外力也將傳遞到斜井交叉口拱腳處，導(dǎo)致膨脹土段圍巖變形加大，安全風(fēng)險(xiǎn)隨之加??；同時(shí)，抬高斜井拱頂標(biāo)高后，每榀拱架高度不等，需單獨(dú)加工，安裝精度要求高，異形斷面為交叉口段襯砌施工帶來(lái)不便。斜井交叉段襯砌與導(dǎo)洞開(kāi)挖順序施工，工期延長(zhǎng)，且由于2號(hào)斜井位于隧道工程關(guān)鍵線路上，將對(duì)總工期造成不利影響。

綜合分析已開(kāi)挖斜井段弱膨脹土地質(zhì)特征和變形特點(diǎn)，需要優(yōu)先進(jìn)行斜井井底交叉口段襯砌施工，確保應(yīng)力集中部位巖體穩(wěn)定。結(jié)合隧道斷面尺寸、斜井縱坡、拱頂高差等因素，選擇在斜井與正洞交叉口后方設(shè)置上聯(lián)洞，利用井底交叉段襯砌施工時(shí)段，可短距離掘進(jìn)至正洞大里程方向拱部，并采用異形門(mén)架加強(qiáng)支護(hù)完成挑頂，在超前中管棚的保護(hù)下通過(guò)正洞交叉口段。

3 挑頂施工技術(shù)

3.1 斜井交叉口段施工

自2號(hào)斜井X2DK0+040處進(jìn)入井底交叉口加強(qiáng)段(X2DK0+040～+011.38)施工。施作超前小導(dǎo)管后，采用臺(tái)階法機(jī)械開(kāi)挖并及時(shí)支護(hù)。2號(hào)斜井與正洞中線斜交 ，井底加強(qiáng)段采用偏立法安裝I18異形拱架至正洞開(kāi)挖輪廓，斜井端口處并排架設(shè)2榀HW200型鋼鋼架落底成環(huán)，同時(shí)兼作正洞拱架的落腳基礎(chǔ)。偏立法鋼架安裝示意如圖1所示。

斜井掌子面上臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)入正洞3～5 m，以滿(mǎn)足交叉口段斜井二次襯砌施作空間為宜。在形成可自穩(wěn)的緩傾掌子面后，噴射15 cm厚混凝土封閉巖面，并及時(shí)組織井底交叉口段仰拱及襯砌施工，以確保交叉口段支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。斜井與正洞交叉口端頭部處理示意如圖2所示。

圖1 交叉口段偏立法鋼架安裝示意圖

圖2 斜井與正洞交叉口端頭部處理示意圖

3.2 上聯(lián)洞施工

斜井交叉口段仰拱施工完成后，在交叉點(diǎn)后方30 m，即2號(hào)斜井X2DK0+040處設(shè)置上聯(lián)洞，向正洞大里程方向爬升至上斷面實(shí)施挑頂。上聯(lián)洞長(zhǎng)32.5 m，與斜井小里程方向平面交角成59.5°，縱坡為12%，與正洞交于DK388+784處。上聯(lián)洞與正洞交叉口段設(shè)置4.5 m正交過(guò)渡段，使導(dǎo)洞與正洞調(diào)整至正向交匯，上聯(lián)洞拱頂與正洞洞頂標(biāo)高基本平齊。上聯(lián)洞平面和縱斷面布置分別如圖3和圖4所示。

上聯(lián)洞為直墻式斷面，為滿(mǎn)足施工機(jī)械操作需要，確定其凈空寬度為4.5 m，高度為4.75 m，略小于斜井洞身尺寸。上聯(lián)洞洞身超前支護(hù)及初期支護(hù)參數(shù)參考斜井參數(shù)確定，如表3所示。上聯(lián)洞采用短臺(tái)階法機(jī)械開(kāi)挖，小型自卸汽車(chē)出渣。上臺(tái)階開(kāi)挖高度為2.8 m，每循環(huán)進(jìn)尺按1榀拱架間距控制，即0.8 m，左右兩側(cè)交錯(cuò)施作下臺(tái)階。上聯(lián)洞進(jìn)正洞處并排架設(shè)2榀HW200型鋼矩形鋼架并成環(huán)，矩形鋼架上部與上聯(lián)洞初期支護(hù)鋼架采用豎撐焊接。上聯(lián)洞與正洞交叉口及挑頂門(mén)架設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖3 上聯(lián)洞平面布置圖

圖4 上聯(lián)洞縱斷面布置圖

表3 上聯(lián)洞洞身及門(mén)架挑頂段支護(hù)參數(shù)

圖5 上聯(lián)洞與正洞交叉口及挑頂門(mén)架設(shè)計(jì)圖(單位： cm)

3.3 門(mén)架法挑頂

矩形挑頂導(dǎo)洞寬度為2 m，可滿(mǎn)足小型挖掘機(jī)扒渣需要。當(dāng)上聯(lián)洞開(kāi)挖至正洞交叉口，端頭矩形型鋼門(mén)架安裝完畢后，垂直于正洞中線平坡開(kāi)挖至對(duì)側(cè)，洞頂標(biāo)高隨正洞開(kāi)挖輪廓線調(diào)整。該段正洞門(mén)架法挑頂初期支護(hù)完成后，凈空斷面較設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線外擴(kuò)30 cm，用于施作正洞超前管棚的工作室。上聯(lián)洞門(mén)架法挑頂平面示意如圖6所示。

圖6 上聯(lián)洞門(mén)架法挑頂平面示意圖(單位： cm)

門(mén)架法挑頂段最大開(kāi)挖高度為5.2 m，采用短臺(tái)階法人工開(kāi)挖，確保各層臺(tái)階高度不大于3 m, 每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.6 m，開(kāi)挖后立即進(jìn)行初期支護(hù)，逐榀架設(shè)門(mén)架掘進(jìn)至正洞對(duì)側(cè)邊墻處，停止上聯(lián)洞挑頂開(kāi)挖。門(mén)架挑頂段支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表3。

在矩形門(mén)架保護(hù)下完成正洞上臺(tái)階初期支護(hù)。架設(shè)正洞HW200鋼支撐，鋼架一側(cè)落在上聯(lián)洞端頭門(mén)架上，另一側(cè)置于穩(wěn)定的基巖上，并下墊槽鋼確保拱腳堅(jiān)實(shí)，控制圍巖變形。上聯(lián)洞門(mén)架法挑頂斷面示意如圖7所示。

3.4 正洞開(kāi)挖

由于門(mén)架挑頂段成型空間有限，一次施作9 m長(zhǎng)管棚難以操作。在門(mén)架導(dǎo)洞大里程側(cè)邊墻即正洞拱部范圍內(nèi)沿開(kāi)挖輪廓打設(shè)φ42 mm@3.5 mm雙層超前小導(dǎo)管，拆除臨時(shí)門(mén)架豎撐，開(kāi)挖6 m上臺(tái)階后噴射20 cm厚混凝土封閉掌子面。利用已成型的正洞上臺(tái)階作為管棚工作室，向正洞小里程方向施作φ76 mm中管棚，實(shí)施斜井與正洞交叉口段開(kāi)挖。

圖7 上聯(lián)洞門(mén)架法挑頂斷面示意圖

正洞采用三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖，臺(tái)階高度自上而下依次為4.1、3.5、3.6 m。上臺(tái)階開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，臨時(shí)仰拱設(shè)I18鋼架并噴射C25混凝土封閉，待上臺(tái)階通過(guò)斜井與正洞交叉口后施工中、下層臺(tái)階。

正洞上臺(tái)階開(kāi)挖至斜井與正洞交叉口時(shí)，斜井交叉口段襯砌已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。斜井井底襯砌施作結(jié)束后，采用堆碼沙袋的方式對(duì)斜井掌子面進(jìn)行反壓，防止正洞開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)溜坍，反壓層厚1.2 m，高5.5 m，緊貼巖面堆碼。然后逐榀開(kāi)挖上臺(tái)階并及時(shí)支護(hù)，將靠近斜井一側(cè)的鋼架與井口預(yù)埋的雙拼型鋼門(mén)架進(jìn)行螺栓連接，另一側(cè)鋼架落底至上臺(tái)階拱腳部位，參照門(mén)架段正洞拱架的安裝方式，直至交叉口處上臺(tái)階開(kāi)挖完成。

待2號(hào)斜井與正洞交叉口處挑頂完成后，自交叉口向兩側(cè)施作中、下臺(tái)階，利用2號(hào)斜井出渣，此時(shí)已形成正洞三臺(tái)階平行推進(jìn)，正洞挑頂安全結(jié)束。待正洞襯砌臺(tái)車(chē)拼裝后，及時(shí)施作交叉口段襯砌，保證該部位的結(jié)構(gòu)安全。正洞段開(kāi)挖順序示意如圖8所示。圖中，Ⅰ為斜井交叉口段開(kāi)挖及襯砌；Ⅱ?yàn)樯下?lián)洞及門(mén)架法挑頂段開(kāi)挖；Ⅲ為反向管棚工作室開(kāi)挖；Ⅳ為正洞上臺(tái)階開(kāi)挖；Ⅴ為正洞中臺(tái)階開(kāi)挖；Ⅵ為正洞下臺(tái)階開(kāi)挖；Ⅶ為正洞交叉口段二次襯砌。

圖8 正洞段開(kāi)挖順序示意圖

3.5 上聯(lián)洞封堵

2號(hào)斜井進(jìn)正洞后承擔(dān)出口段580 m的施工任務(wù)。利用上聯(lián)洞作為大里程方向送風(fēng)通道，避免通風(fēng)管路經(jīng)斜井井底折返，有效降低通風(fēng)損失。待2號(hào)斜井與出口貫通后，拆除通風(fēng)管路，對(duì)上聯(lián)洞與正洞交叉口10 m范圍、斜井與上聯(lián)洞交叉口3 m范圍采用C25片石混凝土封堵。

4 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

上聯(lián)洞掘進(jìn)及挑頂過(guò)程中開(kāi)展圍巖變形監(jiān)控量測(cè)，以判定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)對(duì)發(fā)生變形較大處典型斷面(斜井X2DK0+040、門(mén)架挑頂段X2DsK0+032、正洞交叉口DK388+755、正洞DK388+778)的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，拱頂下沉及周邊收斂和累計(jì)變形量均在預(yù)警值范圍內(nèi)。典型斷面變形量統(tǒng)計(jì)如表4所示。

典型斷面拱頂下沉和周邊收斂監(jiān)測(cè)回歸分析分別如圖9和圖10所示。變形速率和累計(jì)變形量較大的斷面發(fā)生在上聯(lián)洞與斜井和門(mén)架挑頂交叉口、正洞與斜井的交叉口以及挑頂后正洞長(zhǎng)臺(tái)階開(kāi)挖段，其持續(xù)受到多次圍巖擾動(dòng)的影響，在仰拱封閉后逐漸趨于穩(wěn)定。

表4 典型斷面變形量統(tǒng)計(jì)

圖9 拱頂下沉監(jiān)測(cè)回歸分析圖

圖10 周邊收斂監(jiān)測(cè)回歸分析圖

5 適用性分析

5.1 安全性分析

斜井施工為確定上聯(lián)洞斷面形式及支護(hù)參數(shù)提供了參考依據(jù)。上聯(lián)洞開(kāi)挖尺寸小于斜井?dāng)嗝妫诘刭|(zhì)水文條件相近的條件下，經(jīng)受力驗(yàn)算后對(duì)應(yīng)力集中部位加強(qiáng)支護(hù)，可確保上聯(lián)洞洞身結(jié)構(gòu)安全。上聯(lián)洞循環(huán)進(jìn)尺控制在0.8 m，門(mén)架挑頂段循環(huán)進(jìn)尺控制在0.6 m，開(kāi)挖臺(tái)階高度均小于3 m，無(wú)需采取開(kāi)挖面加固措施即可確保其自穩(wěn)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在密排矩形門(mén)架支護(hù)下，實(shí)施正洞挑頂變形可控。通過(guò)上聯(lián)洞挑頂進(jìn)入正洞，有效避免了斜井與正洞交叉口處應(yīng)力集中。正洞上斷面開(kāi)挖至交叉口時(shí)，井底交叉口段支護(hù)結(jié)構(gòu)已封閉，二次襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，施工安全更有保障。

5.2 進(jìn)度分析

以本工程為例，上聯(lián)洞自進(jìn)洞至門(mén)架段挑頂結(jié)束僅用時(shí)20 d，較傳統(tǒng)工法節(jié)約工期近半個(gè)月。其進(jìn)度優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在： 1)上聯(lián)洞拱頂與正洞拱頂高差更小，可通過(guò)短距離緩坡直達(dá)正洞拱頂； 2)無(wú)需過(guò)度超挖和頻繁變換斷面，掘進(jìn)速度穩(wěn)定； 3)節(jié)約了臨時(shí)工程拆除時(shí)間； 4)交叉口后方設(shè)置上聯(lián)洞，掘進(jìn)速度不受井底施工的干擾，實(shí)現(xiàn)了斜井交叉口段襯砌與上聯(lián)洞開(kāi)挖支護(hù)平行施工，縮短了隧道挑頂時(shí)間。

6 結(jié)論與建議

1)利用上聯(lián)洞挑頂充分?jǐn)M合正洞開(kāi)挖輪廓，縮短開(kāi)挖面圍巖暴露的面積和時(shí)間，使應(yīng)力集中的交叉口部位及時(shí)襯砌，有效降低大斷面隧道在軟弱地層中挑頂?shù)陌踩L(fēng)險(xiǎn)。

2)與傳統(tǒng)挑頂工法相比，挑頂工序中輔助坑道交叉段與正洞挑頂同步施工，避免了多工作面間的相互干擾，可加快輔助坑道向正洞轉(zhuǎn)序的進(jìn)度。

3)類(lèi)似工程參考此工法施工時(shí)，可針對(duì)工程具體條件，優(yōu)化上聯(lián)洞和挑頂段的斷面尺寸及支護(hù)參數(shù)，并進(jìn)一步研究狹窄空間下作業(yè)機(jī)械設(shè)備的選型，以提高施工效率。