隧道工程斜井進(jìn)正洞挑頂加強(qiáng)支護(hù)方法

沈登科

（中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司，山東 青島 266061）

0 引言

改革開放以來，我國的城市發(fā)展進(jìn)程顯著加快。城市邊緣的外擴(kuò)和人口數(shù)量的增加給基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等諸多領(lǐng)域帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了追求更高的生活質(zhì)量，除了關(guān)注市場經(jīng)濟(jì)的活躍程度外，還應(yīng)該在工業(yè)、制造業(yè)和交通運輸?shù)确矫娉掷m(xù)增加投入，有利于高新技術(shù)的研發(fā)與推廣。近年來，實現(xiàn)立體式交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)成為國家和政府的主要發(fā)展目標(biāo)。在公路和鐵路建設(shè)過程中都會經(jīng)常涉及隧道的開挖，隧道施工需要保證安全和施工效率。而選擇合適的施工方案能夠有效地保證施工過程的安全。利用斜井施工作業(yè)法可以增加工作面，以較低的開發(fā)成本獲得更高的時間效益，整體提升隧道施工的效率。此外，在隧道完成建設(shè)并交付使用后，施工期間產(chǎn)生的斜井還可以作為緊急出口，用于完善隧道的安全疏散系統(tǒng)，充分發(fā)揮其應(yīng)急儲備作用。

1 隧道工程與地質(zhì)條件

應(yīng)用斜井進(jìn)正洞方式開挖的隧道工程必須符合一定的條件限制，其中主要起決定性作用的是項目所在地的地質(zhì)條件。具體包括開挖隧道的整體走向，隧道與水平面的夾角大小以及開發(fā)過程中是否存在曲線變化等情況，并根據(jù)綜合開發(fā)過程的坡度變化規(guī)律及斜井與正洞間的進(jìn)入坡度設(shè)置合理的施工方案。在確定相關(guān)參數(shù)和變量時，要參照洞內(nèi)的圍巖等級及完整程度采取相應(yīng)的支護(hù)加強(qiáng)方式。西鐵車2 號隧道斜井與正洞在DK1080+356 處相交，洞內(nèi)圍巖類型主要為弱風(fēng)化頁巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖較破碎，可觀察其結(jié)構(gòu)的完整性和一體性。在斜井開挖過程中通常采取雙車道輔助坑道完成運輸，按照施工規(guī)模的大小及隧道的總長度確定凈空尺寸[1]。在斜井與正洞的交叉口處應(yīng)單獨設(shè)置用于排出地下水的水溝，以此確保開挖期間施工現(xiàn)場的干燥。當(dāng)開展斜井與正洞交叉處的圍巖支護(hù)工序時，應(yīng)該按照圍巖等級制定對應(yīng)的支護(hù)方案，確定支護(hù)總體長度。支護(hù)時應(yīng)綜合應(yīng)用格柵鋼架、錨噴支護(hù)等方式加固圍巖強(qiáng)度。施工開始后還需注意洞口附近的原始地形地貌變化，并及時觀測地下水位的變化規(guī)律。一般的斜井進(jìn)正洞開挖方式需要在井口邊仰坡邊緣線5 m以外的位置設(shè)置截水溝，并預(yù)留具有一定傾斜角度的反坡，防止洞外的水倒灌入內(nèi)。除了按照圖紙施工外，在隧道開挖推進(jìn)過程中還要注意根據(jù)實際情況及時調(diào)整支護(hù)方案及采取的施工工藝，以安全施工為首要原則[2]。

2 施工方案與支護(hù)加強(qiáng)方式

2.1 漸變段的施工與支護(hù)

在隧道開挖施工開始一段時間后，進(jìn)入斜井轉(zhuǎn)正洞階段時，考慮到需將斜井作為永久保留的救援通道，應(yīng)將斜井的相關(guān)參數(shù)和指標(biāo)與救援通道的硬性規(guī)定對比求同。其中，漸變段路面的標(biāo)高與電纜槽頂面的標(biāo)高應(yīng)保持一致。這樣既可以為施工車輛的通行提供便利，還可以在施工開挖線部分提升其準(zhǔn)確率。斜井的拱頂高度應(yīng)按照預(yù)先實地考察的結(jié)果和施工工藝確定合理數(shù)值，一般參照原始坡度進(jìn)行小幅調(diào)整。在斜井與正洞開挖輪廓線交匯處可以適當(dāng)增加拱頂?shù)母叱蹋⒆尳粎R點的開挖斷面處于便于施工的合適面積段，從而保證后續(xù)斜井與正洞交叉點附近的邊墻能夠采用合適的支護(hù)方案。在實際的支護(hù)施工過程中，除了使用特定規(guī)格型鋼制作的加強(qiáng)門架外，還可以設(shè)置單根中空錨桿進(jìn)一步加固。需要注意的是錨桿周圍必須采用4 根以上的鎖腳錨管鎖定門架。經(jīng)過以上操作，才可以噴射混凝土，將門架兩側(cè)與掩體之間形成的空隙回填密實，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體牢固程度。

2.2 斜井轉(zhuǎn)正洞施工與支護(hù)方案

進(jìn)入施工階段，根據(jù)已按照圍巖類型、等級制定的支護(hù)方案按步驟施工。具體來說，應(yīng)參照隧道開挖方案中制定的開挖斷面尺寸選擇恰當(dāng)?shù)拈_發(fā)方法。例如，當(dāng)開挖斷面的高度小于10 m、寬度小于15 m 時可以采用三臺階法開挖施工。即通過設(shè)置上、中、下 3 個位置的高差臺階，采用不同的開發(fā)方法共同完成施工任務(wù)。其中，上臺階的開挖支護(hù)選用經(jīng)由斜井內(nèi)的門架頂端交匯處向正洞延伸，在正洞中線位置附近設(shè)計預(yù)先制定好的標(biāo)高。此處應(yīng)預(yù)留約15 cm 的預(yù)沉降空間[3]。然后在正洞交叉口的位置采用異型拱架支護(hù)的方式，通過指定規(guī)格的異型拱架，在正洞中線左側(cè)附近完成支護(hù)，而另一端靠近門架的位置則直接焊接在門架上，構(gòu)成一體化的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。此時，正洞一側(cè)的鋼架接頭可選擇4 根以上的鎖腳錨管固定好，同時加固中空錨桿，使正洞內(nèi)部的拱架整體保持穩(wěn)定。具體的斷面開挖施工操作可結(jié)合項目的實際需求及現(xiàn)場的實際情況做出適當(dāng)優(yōu)化和調(diào)整。完成以上一系列操作后，可沿垂直方向繼續(xù)向正洞方向施工，開始右側(cè)上導(dǎo)坑的支護(hù)作業(yè)，同樣選用豎向鋼架支撐加固。這里特別需要強(qiáng)調(diào)的是如果施工初始階段正洞支護(hù)時采用的是短進(jìn)尺的開挖方式，應(yīng)該通過后期加強(qiáng)支護(hù)和定期測量的方式彌補其設(shè)計的不足。一般的開挖進(jìn)尺幅度控制在2 m 左右為宜，完成開挖后應(yīng)及時用混凝土密封施工作業(yè)面，還可以借助臨時錨桿起到輔助的固定作用。當(dāng)開挖進(jìn)行到正洞右側(cè)輪廓線附近時，可以拆除臨時設(shè)置的豎向鋼架支撐，并依次向深處繼續(xù)開挖。隨著開挖位置的深入，應(yīng)該及時安裝輔助的異型拱架，確保施工全過程的圍巖穩(wěn)定性[4]。

進(jìn)入正洞施工階段以后，分階段對垂直高度上的三處臺階開展支護(hù)施工。等臺階的支護(hù)完成后，繼續(xù)沿著隧道終點方向?qū)ι吓_階再次擴(kuò)挖，建立平臺作業(yè)面。另一方面，從斜井進(jìn)入正洞并向隧道起點方向開挖，拓展工作面大小。在雙向上臺階部分各進(jìn)行約20 m 的支護(hù)后，才可以開始正洞下臺階的開挖。從整體來說，必須先完成各部分臺階段的施工，逐步構(gòu)建起隧道主體掘進(jìn)施工的理想環(huán)境和條件。鑒于實際施工中可能受地質(zhì)條件影響而無法采用仰拱進(jìn)行支撐，為了在穩(wěn)定圍巖的同時保持巖面的完整性，需要額外增加用于橫向支撐的型鋼構(gòu)件，再噴射混凝土進(jìn)行密封處理，使圍巖的整體結(jié)構(gòu)受力均勻。

2.3 斜井進(jìn)正洞的支護(hù)加固施工

在隧道工程的建設(shè)過程中，如果采用斜井進(jìn)正洞的施工方式，則需要用型鋼門架對支護(hù)施工面進(jìn)行有效加固。當(dāng)斜井的開挖到達(dá)門架附近時，應(yīng)在斜井與正洞相交處開挖出足夠的工作空間，需要采用多根并聯(lián)型鋼門架做支撐，同時在其上部焊接固定型鋼橫梁和立柱，這是為了給正洞掘進(jìn)所需要的鋼架提供落腳固定點，構(gòu)成穩(wěn)定的三維受力結(jié)構(gòu)。臨時仰拱需要在斜井門檻鋼架的基礎(chǔ)上用混凝土構(gòu)筑。

2.4 施工工序及關(guān)鍵點

當(dāng)斜井施工進(jìn)行到與正洞相交的位置時，應(yīng)在斜井地面的基礎(chǔ)上逐步降低并形成一定的坡度，完成2 個部分的系統(tǒng)銜接。在開挖路程附近增設(shè)鋼架拱腳，并繼續(xù)掘進(jìn)斜井達(dá)到正洞開挖輪廓線附近后，要在這一位置安裝結(jié)構(gòu)加強(qiáng)環(huán)，還需一并對操作面進(jìn)行封閉支撐。在斜井與正洞的交匯處，考慮到頂部圍巖和頂板支護(hù)穩(wěn)定性等相關(guān)因素，應(yīng)采取棚洞加固等保守的方式。進(jìn)入正洞施工后，首先開始對上部臺階進(jìn)行施工，按照先上，后中、下的順序。上層臺階高度可設(shè)置在3.5 m 左右。當(dāng)上層臺階初期支護(hù)完畢后方可進(jìn)行中部和下部臺階的開挖施工[5]。在掘進(jìn)過程中選用的開挖方式和支護(hù)施工的技術(shù)要求要參照以往的施工經(jīng)驗做保守的預(yù)估，使上部、中部和下部的臺階在結(jié)構(gòu)應(yīng)力等方面一致，保證整個掘進(jìn)面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。

2.5 施工過程的注意事項

在施工前，首先要確定項目所在地的地質(zhì)環(huán)境是否允許采用斜井進(jìn)正洞的施工方案。如果圍巖的質(zhì)地較軟或有特殊的軟土圍巖層，則需另外制定專項方案進(jìn)行施工。斜井進(jìn)正洞中的斜井內(nèi)部架設(shè)的門架不僅可對斜井部分的掘進(jìn)起到支護(hù)作用，還能夠在其與正洞的交匯處建立更加穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，同步傳遞正洞鋼架所承受的荷載。相應(yīng)的門架施工過程也應(yīng)保證其具有足夠的剛度和強(qiáng)度。另外，在圍巖測量階段，需要根據(jù)隧道開發(fā)的進(jìn)度實時對洞頂設(shè)置的地表監(jiān)測點進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)的收集與分析，避免地下大幅度的開挖活動對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境造成較大的改變，進(jìn)而帶來施工風(fēng)險。斜井頂部的開槽寬度應(yīng)根據(jù)施工方案設(shè)定的斜井寬度設(shè)置，通常設(shè)定在2 m～3 m。當(dāng)上臺階的拱架安裝完畢后才可以轉(zhuǎn)向為后續(xù)的開挖工作，如果轉(zhuǎn)換點的位置較低，還需要注意相應(yīng)的排水問題[6]。當(dāng)正洞開挖施工到位后，先確定好交叉口內(nèi)部長里程的方向，在距交叉口約5 m 的位置于線路中心設(shè)置蓄水井，用于臨時容納和收集斜井口的抽排水。此外，為了防止意外滲水透水事故，需要提前制定好排水應(yīng)急預(yù)案，同時排水供電系統(tǒng)應(yīng)該采取雙路供電方案，提高特殊情況下的處理能力。在上下臺階的位置轉(zhuǎn)換點方面，正洞開挖的上臺階距小里程方向需要大于20 m 的極限值，完成上下臺階轉(zhuǎn)換后方可開始下臺階的挖掘施工。當(dāng)下臺階的施工拱架落地后，要及時停止掌子面的掘進(jìn)并轉(zhuǎn)變?yōu)檠龉暗拇罱ㄊ┕?。這樣能夠有效保護(hù)整個支護(hù)面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過環(huán)狀結(jié)構(gòu)分擔(dān)壓力，保持支護(hù)面的穩(wěn)定性。最后，在開挖支護(hù)完畢后的二襯臺車拼裝過程中，應(yīng)盡量使用挖機(jī)配合模板來起吊，襯砌臺車安裝選用移動臺車骨架作為支撐。拼裝后，需要在隧道兩側(cè)拱腰以上設(shè)置錨桿予以固定，輔以錨固劑加強(qiáng)錨桿與隧道側(cè)壁連接處的結(jié)合強(qiáng)度。另外，在錨桿尾部可統(tǒng)一制作彎鉤，便于后續(xù)施工中鋼模板二襯臺車的吊裝和拼接。

3 結(jié)語

在隧道工程項目的施工建設(shè)中，采用斜井進(jìn)正洞的施工方法不但能夠完成隧道的開挖目標(biāo)，還能同步實現(xiàn)安全疏散通道的建設(shè)。施工過程中的安全問題與保證進(jìn)度的高效施工方法一直是相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員孜孜以求的技術(shù)突破點。該文通過對斜井進(jìn)正洞挑頂施工作業(yè)流程中的主要技術(shù)要點及操作步驟進(jìn)行詳細(xì)分析與解讀，為類似工程的施工建設(shè)提供了一些可供參考的依據(jù)。在挑頂施工時應(yīng)該加強(qiáng)圍巖的支護(hù)并保證作業(yè)面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可以通過提前預(yù)防和使用型鋼支護(hù)等方式，避免施工期間潛在的危險因素。同時也能夠?qū)τ谒淼理椖康氖┕べ|(zhì)量有所幫助，為后續(xù)的隧道主體正洞施工與開挖掘進(jìn)奠定了堅實的施工基礎(chǔ)。