趙繼華

(太原鐵路樞紐西南環(huán)線有限責任公司，山西太原 030013)

長大隧道建設(shè)過程中，因項目建設(shè)工期的需要，常采取設(shè)置輔助坑道斜井，以增加作業(yè)面，保證項目建設(shè)進度。對于一般意義的礦山地質(zhì)隧道，只要嚴格按照現(xiàn)已成熟的工法施作，斜井進正洞的施工安全不再是問題。但對于淺埋、軟弱的土質(zhì)隧道，尤其是在交角較小的條件下，完成斜井進正洞工序轉(zhuǎn)化，是施工中需要迫切解決的難題。本文就太原鐵路樞紐西南環(huán)線在建的晉祠隧道其斜井進正洞施工進行介紹。

1 工程概況

晉祠隧道位于太原市晉源區(qū)，是為滿足晉祠保護區(qū)的需要而設(shè)的淺埋城市雙線鐵路隧道。該隧道全長8 840 m，隧道最大埋深25 m，其正洞開挖斷面115～132 m2，開挖最大高度11.50 m，寬度13.58 m。為滿足項目建設(shè)工期需要，在正洞DK16+430處設(shè)置1號單車道斜井。

斜井地處2條城市主干道和正洞線位圍成的直角三角形布局中的直角位置。斜井全長260 m，斜井與正洞成45°交角，最大坡率10%，斜井與正洞交叉段坡率3%。設(shè)計斜井開挖高度7.42 m，寬度6.10 m，斜井開挖面斷面40 m2，斜井與正洞交叉位置隧道埋深18 m。

斜井與正洞交叉位置地層巖性:表面為第四系全新統(tǒng)人工堆積層，以雜填土、素填土為主，層深3.2 m;其下38 m范圍為第四系全新統(tǒng)洪積層，以中砂、粉質(zhì)黏土、卵石為主。因山前洪積層沉積韻律差，地層分布不均勻，分別為1.8 m中砂，2.4 m卵石夾中砂、粉質(zhì)黏土，2.4 m粉質(zhì)黏土，15.2 m卵石，1.3 m細砂，3.1 m粉質(zhì)黏土，3.5 m卵石，2.6 m含圓礫粉質(zhì)黏土，6.0 m卵石。其基本承載力在160～650 kPa。因巖性穩(wěn)定性差，設(shè)計為Ⅴ級圍巖。

2 斜井進正洞總體方案

在斜井接近正洞處，上抬斜井拱頂高程，在正洞輪廓線位置，施作叉口加強環(huán)及斜井交匯段的二次襯砌;繼續(xù)爬坡進行導洞開挖及棚架支護至正洞擴大拱頂，再平坡前行導洞開挖及棚架支護至正洞外側(cè)上臺階拱腳，形成初步的棚架正洞導洞。此后對棚洞導洞施作鋼架網(wǎng)噴套拱，全面完成正洞導洞施工;接下對導洞進行正洞上臺階開挖初期支護施作和中下臺階開挖落底支護，最終完成斜井進正洞工序轉(zhuǎn)換。

3 施工流程及方法

3.1 施工流程

確定斜井抬坡漸變段起始位置→斜井漸變段施作→交叉口加強環(huán)施作→斜井交匯段二次襯砌澆筑→斜井進正洞棚洞施作→棚洞套拱加強→導洞進一側(cè)正洞上臺階開挖初期支護→導洞進另一側(cè)正洞上臺階開挖初期支護→兩側(cè)正洞中下臺階開挖初期支護閉環(huán)。

3.2 施工方法

3.2.1 斜井抬坡段施工

根據(jù)斜井與正洞設(shè)計交叉的角度和拱頂高程，計算出斜井拱頂抬坡位置，以＜30%的抬坡坡率開挖初期支護斜井至正洞交叉口，見斜井漸變段施作圖1。為了確保交叉口復雜受力的穩(wěn)定性，施工過程中對該段斜井初期支護要做適當加強，加設(shè)下部弧形鋼架，使其閉環(huán)受力，同時調(diào)小鋼架間距為0.6 m/榀。

圖1 斜井漸變段施作示意

3.2.2 交叉口加強環(huán)施工

為了后續(xù)棚洞棚架及套拱落腳的穩(wěn)定，在斜井與正洞交叉處設(shè)置加強環(huán)。加強環(huán)由3榀I22a工字鋼制作成∏形結(jié)構(gòu)，各部尺寸見圖2交叉口加強環(huán)施作圖。加強環(huán)設(shè)上、中兩道橫梁和上部斜撐。其上道橫梁用于支撐后續(xù)導洞棚架和套拱，中道橫梁用于支撐導洞正洞環(huán)向鋼架，斜撐起加強橫梁剛度作用。加強環(huán)施作完畢，同時跟進斜井漸變段初期支護后的二次襯砌混凝土澆筑。

圖2 交叉口加強環(huán)施作示意

3.2.3 導洞棚洞施工

導洞斷面設(shè)計為梯形，其外輪廓上寬2.5 m，下寬4.5 m，高2～7 m，其開挖支護見圖3斜井進正洞棚洞施作圖。每次開挖進尺0.6 m，滿足一榀I22a工字鋼棚架安裝，整個導洞共設(shè)26榀I22a封閉棚架。同時打入鎖腳錨桿并掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，完成初步支護。導洞開挖初至到達正洞中心線位置前以抬坡控制，以后平坡開挖直至正洞外側(cè)上臺階拱腳處完畢。

3.2.4 導洞套拱施工

針對該隧道斜井進正洞埋深高度僅18 m，圍巖為分層極不均勻的人工填土、砂、卵石及粉質(zhì)黏土，無法自然成拱，為保證軟弱、淺埋圍巖下棚洞成拱穩(wěn)定性和施工安全，施工中采取了對棚架進行鋼架及噴錨混凝土套拱加強措施。套拱由4榀I175工字鋼架+鋼筋網(wǎng)+φ22 mm螺紋連接筋+φ42 mm注漿錨桿+噴射混凝土組成。套拱一端落于加強環(huán)上部橫撐，另一端落于棚洞盡頭洞外側(cè)上臺階拱腳原裝土體上。其套拱施作見圖3和圖4。

3.2.5 導洞環(huán)向初期支護施工

導洞初期支護采取I175工字鋼架+φ8 mm，20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)+φ22 mm螺紋連接筋+φ42 mm注漿錨桿+噴射厚30 cm早強混凝土方案施作。鋼架間距0.75 m，鋼架一端落于加強環(huán)中部橫撐，另一端落于棚洞盡頭洞外側(cè)上臺階拱腳原裝土體上。其初期支護施作見圖3和圖4。

3.2.6 導洞進正洞施工

1)導洞進正洞上臺階施工。導洞成洞后，進行導洞進正洞施工，導洞進正洞施工按照先一側(cè)、后另一側(cè)正洞上臺階開挖進洞。具體施作方法為:先拆除一側(cè)棚洞鋼架臨時支撐，采取預留核心土法進行正洞上臺階開挖支護，開挖支護嚴格執(zhí)行1榀鋼架進尺要求，在完成該端4 m開挖支護后，噴射混凝土封閉掌子面。接下反向施作另一側(cè)正洞上臺階開挖支護，至施工空間滿足需要。

2)導洞進正洞落底施工。兩側(cè)正洞上臺階開挖支護到位后，開始兩側(cè)同步按“改進三臺階七步法”開挖支護落底，連接仰拱鋼架封閉成環(huán)并澆筑仰拱，最終進入正常的正洞施工工藝。

3)改進三臺階七步法。所謂“改進三臺階七步法”是針對該隧道Ⅴ級圍巖不穩(wěn)定的土體地質(zhì)情況，以下臺階側(cè)向開挖初期支護后立即回填，以減小開挖臨空面暴露時間，控制變形量的施作方法。

圖3 斜井進正洞棚洞及套拱施作示意(單位:cm)

圖4 斜井進正洞示意(單位:cm)

4 施工要點

1)根據(jù)斜井與正洞拱頂高程，正確計算斜井漸變段起點位置和抬坡坡率，據(jù)此取得加強環(huán)上、中部橫梁施工高程數(shù)據(jù)，確保棚架及套拱、正洞鋼架支護準確落位。

2)斜井漸變段初支鋼架要形成閉環(huán)，并適當縮小鋼架間距。

3)組成加強環(huán)的立柱及橫撐鋼架要用φ22 mm連接筋以1 m的間距進行焊聯(lián)，保證其剛度和強度，確保其三維復雜受力穩(wěn)固。

4)導洞兩側(cè)立撐要根據(jù)開挖巖土情況，打足系統(tǒng)注漿錨桿和鋼架鎖腳錨桿，榀間鋼架用φ22 mm連接筋焊聯(lián)，并要做到榀榀及時成環(huán)。

5)導洞進正洞上臺階開挖支護，以斜井與正洞交角為鈍角端為先，完成噴射混凝土掌子面后，再行施作斜井與正洞交角為銳角端。

6)嚴格鋼構(gòu)件制作工藝，要對每榀鋼架進行上場檢驗和試拼裝，確保拼裝一次到位。

7)上、中臺階及下臺階兩側(cè)開挖以小型挖掘機為主，必要時輔以人工配合;整個下臺階及仰拱開挖利用大型挖掘機開挖，但拱腳、墻腳及仰拱底應預留60～70 cm原狀土人工開挖，避免超挖。

8)洞內(nèi)各部開挖前，完成工前的超前地質(zhì)預報、地質(zhì)素描和輪廓檢查確認工作。

9)施工過程中要做好監(jiān)控量測的及時布點和按頻次量測工作，準確掌握圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形情況，隨時調(diào)整支護參數(shù)和預留變形量，確保施工安全。

10)上臺階開挖要在超前支護完成后進行，環(huán)向開挖上臺階預留核心土長度宜為3～5 m，核心土寬度控制在開挖寬度的3/4，開挖進尺滿足1榀鋼架架立即可，上臺階開挖高度矢跨比以0.3為宜。

11)中、下臺階左右側(cè)開挖進尺控制在2榀鋼架間距，開挖高度宜為3.0～3.5 m，臺階步長控制在3.0～3.5 m，左右側(cè)臺階錯位控制在2～3 m。

12)仰拱開挖時，要暫停中、下臺階的開挖，直至整個初期支護閉環(huán);仰拱開挖長度不大于3 m，開挖到位及時施作仰拱初期支護，完成2個隧底開挖、初期支護循環(huán)后，及時施作仰拱混凝土及后續(xù)的二次襯砌作業(yè)。

13)超前小導管注漿預支護是確保軟弱圍巖條件下掌子面各項施工安全的前提，必須認真施作。要點在于其打入外插角10°～15°的控制，角度過小降低了注漿導管與巖土間的相互約束，過大則不能保證其1 m左右的導管插入破裂面以外，造成預支護功效差或根本不起作用。

14)及時做好各分部開挖鋼架基腳注漿鎖腳錨桿(管)施作和鋼架腳下墊板預設(shè)工作，必要時，據(jù)監(jiān)控量測變形情況采取大拱腳措施。

15)整個開挖初期支護要嚴格遵循“預支護、分部開挖、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則。

5 結(jié)語

晉祠隧道采取的棚洞套拱挑頂法斜井進正洞施工工法，有效地解決了諸如斜井選線交角小、埋深淺及軟弱土體不良地質(zhì)情況下工序轉(zhuǎn)化安全風險大的難題，是一次成功的工法實踐，對今后類似的隧道斜井進正洞施工具有指導意義。

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