長大隧道三岔口施工技術(shù)在實踐中的選擇與應(yīng)用分析

張文強(qiáng)

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

長大隧道一般需通過斜井以增加作業(yè)面，斜井轉(zhuǎn)入正洞施工所處的三岔口地段，位置和結(jié)構(gòu)特殊，應(yīng)力分布復(fù)雜［1］，因而成為施工關(guān)鍵之處。隧道三岔口施工在工程實踐中俗稱“挑頂”，其施工不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)自身的安全、穩(wěn)定，還對整個隧道的施工生產(chǎn)起著舉足輕重的作用。近年來，由于長大隧道逐漸增多，斜井施工越來越普遍，挑頂施工技術(shù)也逐步成熟，按其施工特點(diǎn)及功能主要可分為垂直挑頂法、反向擴(kuò)挖法、斜井爬高法、小導(dǎo)洞法以及雙聯(lián)法等。上述方法在以往的工程中均得到了應(yīng)用，如:文獻(xiàn)［2］結(jié)合鄭西線函谷關(guān)隧道介紹了大斷面黃土隧道垂直挑頂施工技術(shù)的應(yīng)用;新建呂梁至臨縣鐵路車趕隧道工程通過設(shè)置緩和曲線進(jìn)入正洞再反向擴(kuò)挖完成挑頂［3］;太古高速公路西山特長隧道三岔口施工采用了斜井爬高轉(zhuǎn)入正洞的方法［4］;貴廣鐵路天平山隧道圍巖為炭質(zhì)頁巖，易發(fā)生軟巖變形，施工期間利用小導(dǎo)洞分兩臺階進(jìn)入正洞三臺階施工［5］;青藏鐵路西格二線關(guān)角隧道則通過方案優(yōu)化，在三岔口地段采用“雙聯(lián)進(jìn)洞”方案［6］;同時，從斜井正交進(jìn)入正洞下斷面施工，再通過小導(dǎo)洞爬高進(jìn)行環(huán)形擴(kuò)挖的方法，在蘭渝鐵路桃樹坪隧道也得到了應(yīng)用［7］。此外，有軌斜井三岔口段還包括碴場、料倉等附屬設(shè)施的設(shè)置［8］。本文主要結(jié)合蘭渝鐵路長大隧道施工重點(diǎn)闡述無軌斜井三岔口段施工技術(shù)的特點(diǎn)及其在施工實踐中的應(yīng)用。

1 工程概況

新建鐵路蘭州至重慶線路總長493 km，全段隧道工程集中，長大隧道比例較高，共分布有隧道66座，隧道總長343 km，隧道占線路總長度的比例達(dá)69．6%。本線長大隧道多，環(huán)境與地質(zhì)條件復(fù)雜，高地應(yīng)力、斷裂構(gòu)造發(fā)育、軟弱圍巖、瓦斯、巖溶等不良地質(zhì)分布范圍較廣。其中夏官營—廣元段隧道不良地質(zhì)相對較為集中，穿越地層以板巖、炭質(zhì)板巖、弱成砂巖等為主，且地應(yīng)力較高，開挖中易出現(xiàn)大變形、突泥突水、坍塌等現(xiàn)象，施工難度極大，大部分隧道均設(shè)有斜井或橫洞等輔助坑道，采用鉆爆法施工。

2 挑頂方法的選擇與應(yīng)用

2．1 挑頂方法比較

根據(jù)以往工程實踐，隧道挑頂方法不一，特點(diǎn)各異，隧道施工中需要對工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及輔助坑道與正洞空間關(guān)系統(tǒng)籌選擇確定。幾種挑頂方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍如表1所示。

表1 隧道挑頂方法比較Table 1 Comparison and contrast among different roof ripping methods

2．2 挑頂技術(shù)的應(yīng)用實踐

新建蘭渝鐵路蘭廣段地質(zhì)復(fù)雜，沿線穿越地層以板巖、炭質(zhì)板巖等變形巖為主，并伴隨高地應(yīng)力，隧道施工中地質(zhì)差、變形大;此外，近蘭州段隧道地質(zhì)則以富水弱成砂巖居多，圍巖穩(wěn)定性極差，易發(fā)生流砂。因此，為確保三岔口段施工安全，斜井進(jìn)入正洞施工多采用小導(dǎo)洞法或斜井爬高法，如木寨嶺隧道、哈達(dá)鋪隧道和胡麻嶺隧道及桃樹坪隧道等;少量地質(zhì)條件相對較好的隧道如青崗隧道等采用外擴(kuò)法進(jìn)行挑頂施工;除以上挑頂方法外，為避免正洞施工時三岔口地段制約施工交通運(yùn)輸，影響施工生產(chǎn)，針對開挖面相對較多的雙孔單線隧道，部分隧道在三岔口處設(shè)置副聯(lián)，與原斜井進(jìn)入正洞通道共同形成“主副聯(lián)”，如木寨嶺隧道、哈達(dá)鋪隧道。經(jīng)過施工實踐，選擇確定的各種挑頂方法均達(dá)到了安全進(jìn)入正洞施工的目的，尤其是“主副聯(lián)”對于加強(qiáng)施工運(yùn)輸能力方面起到了較為顯著的作用。

以上述幾座典型隧道的三岔口施工為例，通過其施工方法的選擇原因、效果分析及施工技術(shù)等方面介紹挑頂施工技術(shù)在工程實踐中的應(yīng)用。

2．2．1 反向擴(kuò)挖法

蘭渝線青崗隧道全長3 054 m，雙線結(jié)構(gòu)，圍巖以華力西期安山玢巖為主，弱風(fēng)化，進(jìn)口橫洞進(jìn)入正洞段以Ⅲ級圍巖為主，巖石完整性較好，采用臺階法施工，錨網(wǎng)噴支護(hù)。由于圍巖較完整，采用外擴(kuò)法進(jìn)行挑頂，不僅使安全性可得到一定的保證，還能提高施工效率，快速轉(zhuǎn)入正洞施工。該工程在橫洞開挖至正洞4 m處時開始挑頂(見圖1)，先對橫洞臨近正洞4 m段進(jìn)行立拱加強(qiáng);再繼續(xù)開挖進(jìn)入正洞，并以較小斷面(小于正洞斷面輪廓2 m)分別向進(jìn)、出口方向開挖，以該斷面開挖通過三岔口段一定距離后，由出口方向逐步爬高至正洞頂部位置并向正洞斷面過渡開挖，形成正洞上臺階開挖;最后進(jìn)行反向擴(kuò)挖，完成三岔口段正洞開挖，擴(kuò)挖段長約28 m。

圖1 外擴(kuò)法挑頂施工示意圖Fig．1 Roof ripping method:outward enlarging mode

反向擴(kuò)挖法較為靈活，工藝簡單，如遇局部圍巖較差，可及時設(shè)置拱架加強(qiáng)支護(hù)，能較好地保證施工安全。

2．2．2 小導(dǎo)洞法

對于軟弱變形地段，小導(dǎo)洞爬高法應(yīng)用較為廣泛，桃樹坪和胡麻嶺隧道由于當(dāng)時處于富水弱成砂巖，開挖后易造成流砂，圍巖極不穩(wěn)定，其挑頂施工的安全性也作為施工重點(diǎn)之一進(jìn)行了論證。其中桃樹坪隧道全長3 220 m，由于地質(zhì)條件差，施工難度大，共設(shè)5座斜井，4#斜井長445m，圍巖以第三系富水、弱膠結(jié)粉細(xì)砂巖為主，巖層致密，成巖作用差，無膠結(jié)，稍有擾動即成松散粉狀結(jié)構(gòu)，富水時基本無自穩(wěn)能力，呈流塑狀，圍巖在滲水情況下，原狀弱膠結(jié)粉細(xì)砂巖易迅速液化呈流砂外涌。斜井采用三臺階施工，并輔以超前降水、注漿等措施，進(jìn)入正洞則轉(zhuǎn)為雙側(cè)壁法施工。由于其施工工序多、工藝復(fù)雜，不適合大斷面開挖，最終確定采用開挖斷面相對較小的小導(dǎo)洞法。在斜井接近正洞時采用小導(dǎo)洞沿正洞輪廓爬高，并自上而下逐步進(jìn)行正洞開挖，最終形成正洞開挖斷面。施工步驟(見圖2)如下:

1)斜井井底接近正洞5 m段采用初期支護(hù)加強(qiáng)措施，在上臺階開挖至正洞開挖邊線處設(shè)并排門架進(jìn)行鎖固，同時作為正洞拱架基礎(chǔ)。

2)從上臺階門架處沿正洞輪廓線爬高施工小導(dǎo)洞第一臺階，小導(dǎo)洞設(shè)門架式初期支護(hù)及臨時仰拱封閉成壞，開挖至斜井對側(cè)正洞邊線，沿小導(dǎo)洞內(nèi)輪廓架設(shè)正洞拱架。

3)小導(dǎo)洞第二臺階開挖支護(hù)至對側(cè)正洞邊線，并進(jìn)行正洞右側(cè)壁上臺階Ⅰ部重慶方向開挖支護(hù)。

4)斜井口鎖口門架下接，斜井中臺階開挖支護(hù)至對側(cè)正洞邊線，開始施工正洞左側(cè)壁上臺階Ⅲ部。

5)依此類推，斜井下臺階向正洞開挖，并先后施工正洞左、右側(cè)壁中臺階Ⅱ部和Ⅳ部。

6)正洞各側(cè)壁向前施工的同時，進(jìn)行鎖口段斜井的初期支護(hù)加強(qiáng)及襯砌，并先后施工正洞下臺階Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ部，施作正洞初期支護(hù)仰拱封閉。

7)蘭州方向開挖與重慶方向開挖相同，開挖過程中逐步拆除小導(dǎo)洞臨時支撐，待正洞各部向前開挖形成作業(yè)空間時，及時進(jìn)行三岔口段襯砌作業(yè)。

圖2 小導(dǎo)洞法施工步驟Fig．2 Roof ripping method:pilot mode

由于小導(dǎo)洞法挑頂施工中開挖斷面小，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)可以迅速封閉，再針對隧道所處富水粉砂地層，結(jié)合及時的超前降水、注漿加固等輔助措施，保證了圍巖的穩(wěn)定［9］，使施工得以安全穩(wěn)步推進(jìn)。

2．2．3 雙聯(lián)法

“雙聯(lián)法”不同于以上方法，在三岔口段施工中的應(yīng)用主要傾向于其使用功能，先根據(jù)工程地質(zhì)條件確定相應(yīng)的挑頂方法，施工時在斜井井底附近額外增設(shè)一條斜井與正洞間的施工通道，該方法在木寨嶺、哈達(dá)鋪等雙孔單線隧道中應(yīng)用較廣。木寨嶺隧道全長約19 km，共設(shè)8座斜井，除2座有軌斜井之外，其余均在三岔口段設(shè)置“主副聯(lián)”。由于隧道處于軟巖大變形地段，斜井進(jìn)正洞基本均采用“小導(dǎo)洞法”或“斜井爬高法”進(jìn)行挑頂施工，以地質(zhì)較差、變形較大的7#斜井為例，當(dāng)斜井施工至距正洞約50 m時，在斜井一側(cè)與斜井成一定角度向正洞方向施工“副聯(lián)”，并對該段進(jìn)行加寬便于通行，原斜井進(jìn)入正洞挑頂形成“主聯(lián)”，正洞內(nèi)主、副聯(lián)口相距約60 m，主、副聯(lián)與正洞形成三角形循環(huán)通道。挑頂施工均采用“小導(dǎo)洞法”，主、副聯(lián)分別完成進(jìn)洞段挑頂后相向施工并貫通，及時施作兩聯(lián)間正洞支護(hù)，再分別開始正洞施工。7#斜井“雙聯(lián)法”施工平面布置及施工方法見圖3。

“雙聯(lián)法”必須完成2次挑頂，工序相對復(fù)雜，工程量較大，但其完成后可極大地緩解正洞施工時三岔口地段交通擁堵的現(xiàn)象，有效解決以往施工中三岔口成為交通運(yùn)輸“瓶頸”的難題，達(dá)到快速施工，資源共享，互不干擾的目的。

2．3 應(yīng)用效果分析

為選擇安全、合理的施工方法，結(jié)合上述工程實踐總結(jié)與分析，對挑頂方法的安全性、經(jīng)濟(jì)性及工效等各項指標(biāo)進(jìn)一步分析，如表2所示。

圖3 “雙聯(lián)法”挑頂施工平面布置Fig．3 Roof ripping method:double connection gallery mode

3 挑頂施工關(guān)鍵技術(shù)

除上述挑頂方法之外，其他如垂直挑頂法、斜井爬高法等與上述方法較為類似，僅在工藝及開挖斷面上略有不同，垂直挑頂法在反向擴(kuò)挖法的基礎(chǔ)上取消了正洞段預(yù)留光爆層，斜井直接轉(zhuǎn)體進(jìn)入正洞擴(kuò)挖，工藝更為簡單易行，適用圍巖較反向擴(kuò)挖法更強(qiáng);而斜井爬高法與小導(dǎo)洞法相比，則在施工中直接以斜井?dāng)嗝媾栏咧琳错敳?，作業(yè)空間稍優(yōu)于小導(dǎo)洞。

表2 挑頂施工綜合指標(biāo)分析Table 2 Comparison and contrast among different roof ripping methods in terms of application results

雖然挑頂施工方法、工藝不同，但其首要目的均是在保證安全的前提下，由斜井順利轉(zhuǎn)入正洞施工。其關(guān)鍵在于首先要確保安全，其次再根據(jù)現(xiàn)場具體情況做到施工的經(jīng)濟(jì)性與合理性。施工中必須做到以下幾項關(guān)鍵技術(shù)的控制:

1)三岔口段支護(hù)加強(qiáng)。三岔口段不同于其他施工段落，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性與受力的復(fù)雜性，往往是結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)，必須在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行加強(qiáng)，否則將危及后期安全及施工交通。支護(hù)加強(qiáng)段落一般為斜井或主、副聯(lián)與正洞交叉口，加強(qiáng)段落長度及措施視圍巖地質(zhì)條件而定，一般井口鎖口段落不小于5 m，加強(qiáng)措施主要包括雙層拱架、徑向注漿及增大預(yù)留變形量等，必要時還需輔以超前支護(hù)、臨時仰拱及降水等措施。

2)鎖口加固。主要是指在軟弱圍巖隧道中，斜井施工至正洞邊墻處時需設(shè)置鎖口門架，不僅要起到鎖固井口的作用，還必須作為挑頂段正洞拱架基礎(chǔ)，是三岔口段支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵［10］。一般采用多榀型鋼拱架并排聯(lián)結(jié)形成。

3)嚴(yán)格施工順序。采用臺階法進(jìn)行挑頂施工，必須嚴(yán)格施工順序，尤其是軟弱圍巖，往往設(shè)有臨時仰拱，必須在上臺階挑頂通過、仰拱封閉并安設(shè)正洞拱架后，再開始下一臺階的開挖，保證施工安全的同時，避免相互干擾。

4)“雙聯(lián)法”施工組織?！半p聯(lián)法”相對較為特殊，施工較為復(fù)雜，必須在斜井到達(dá)井底時合理組織主、副聯(lián)施工，避免施工干擾，降低對圍巖的擾動。首先確定副聯(lián)的位置及結(jié)構(gòu)，結(jié)合施工實踐及受力性，主、副聯(lián)與正洞以形成等邊三角形為宜，且不宜過小，邊長一般為50～70 m，斷面大小根據(jù)施工需要確定;其次，根據(jù)三岔口段地質(zhì)條件確定相應(yīng)的施工方法及支護(hù)措施，并對副聯(lián)口處斜井進(jìn)行加寬，以保證后期交通順暢，各井口交叉口段必須進(jìn)行支護(hù)加強(qiáng);第三，明確施工順序，由于雙聯(lián)施工工程量大，工序轉(zhuǎn)化多，井底段施工組織要確保安全，提高效率。一般在到達(dá)井底段副聯(lián)位置時，先施工副聯(lián)洞門支護(hù)，再繼續(xù)主聯(lián)開挖，至正洞挑頂時出碴量減少，開始副聯(lián)開挖，挑頂完成后優(yōu)先貫通主、副聯(lián)間正洞，并及時進(jìn)行支護(hù)封閉。

5)加強(qiáng)監(jiān)控量測。無論采用何種方法，必須加強(qiáng)對三岔口段圍巖變形的監(jiān)控量測，重點(diǎn)是斜井與正洞交叉口部分的拱頂沉降及圍巖收斂，由于該處結(jié)構(gòu)特殊，跨度大，施工干擾多，必要時結(jié)合無尺量測技術(shù)［10］，確保施工期間監(jiān)測工作的全面及時進(jìn)行，并通過監(jiān)測信息反饋，指導(dǎo)施工安全推進(jìn)。

4 體會

結(jié)合上述工程實踐及分析以隧道三岔口段施工技術(shù)總結(jié)，可得出以下體會:

1)隧道三岔口施工技術(shù)的選擇應(yīng)以安全為前提，以經(jīng)濟(jì)、高效為原則，結(jié)合地質(zhì)條件及正洞施工組織等因素，因地制宜，綜合確定。工藝相對簡單、工效較高的挑頂方法，在地質(zhì)條件較差時，其安全風(fēng)險則大大增加，甚至不可接受;在安全性可得到一定保證的情況下，其施工效率和經(jīng)濟(jì)性則隨著圍巖地質(zhì)條件的惡化而降低。

2)除合理選擇施工方法之外，還必須在施工過程中嚴(yán)格控制工序步驟和工藝標(biāo)準(zhǔn)。尤其是軟弱圍巖或地質(zhì)變化頻繁地段，工序轉(zhuǎn)化較多，工藝更趨復(fù)雜，只有通過強(qiáng)化過程控制，才可有效保證施工的安全順利。

3)目前隨著隧道施工領(lǐng)域的不斷拓展，長大隧道逐漸增多，地質(zhì)條件更趨復(fù)雜，挑頂技術(shù)的發(fā)展面臨更大挑戰(zhàn)，仍需在施工實踐中繼續(xù)完善與發(fā)展，通過技術(shù)改進(jìn)與提高，最終實現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效的目的。

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