新烏鞘嶺隧道千枚巖地段斜井轉(zhuǎn)正洞垂直挑頂施工技術(shù)

王新勝

（甘肅信達(dá)建設(shè)工程咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 研究背景

新烏鞘嶺隧道是蘭張三四線中川機(jī)場(chǎng)至武威段關(guān)鍵線路上的控制性工程，位于甘肅省武威市天祝藏族自治縣祁連山脈，海拔2 700 m 以上。新烏鞘嶺隧道利用既有8 號(hào)斜井（長(zhǎng)2 773.76 m）及新建4 號(hào)支洞（長(zhǎng)161.69 m，坡度-9.17%）進(jìn)入正洞，進(jìn)洞里程DK170+000。進(jìn)洞處圍巖為志留系下統(tǒng)板巖夾千枚巖，以薄層狀?yuàn)A于板巖中；巖體受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理很發(fā)育—發(fā)育，巖體破碎—極破碎，呈碎石狀—塊狀結(jié)構(gòu)［1］，圍巖軟弱存在較大的變形及塌方風(fēng)險(xiǎn)。

斜井轉(zhuǎn)正洞段，因其結(jié)構(gòu)形狀特殊，受力狀態(tài)復(fù)雜，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，施工不當(dāng)極易引起塌方，因而必須高度重視斜井轉(zhuǎn)正洞挑頂施工［2］。斜井進(jìn)正洞常見的施工方法有棚架套拱挑頂法、導(dǎo)洞挑頂法、大小包法和斜井挑梁等施工方法［3］。這些常見的隧道挑頂作業(yè)中，多采用弧形導(dǎo)坑法進(jìn)正洞：先從斜井開挖小導(dǎo)洞，當(dāng)爬升高度達(dá)到正洞設(shè)計(jì)拱頂高度后進(jìn)行反向擴(kuò)洞開挖，直至正常隧道斷面［4-5］。該工法存在以下問(wèn)題：一是反向開挖時(shí)需要擴(kuò)挖至正常斷面，超欠挖難以控制，圍巖與鋼架間隙較大，不利于控制圍巖變形，存在較大的塌方風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)開挖小導(dǎo)洞對(duì)周圍圍巖形成擾動(dòng)，增大了后期正洞開挖風(fēng)險(xiǎn)［6］；二是由小導(dǎo)洞反向擴(kuò)挖至正常斷面，要不斷調(diào)整斷面大小，加工不同半徑的臨時(shí)拱架，增加了拱架設(shè)計(jì)及加工的工作量；三是先進(jìn)行小導(dǎo)洞開挖再進(jìn)行正洞擴(kuò)挖，施工工序繁瑣，挑頂工期較長(zhǎng)（一般挑頂工期最少20 d）。

新烏鞘嶺隧道4 號(hào)支洞工區(qū)利用既有8 號(hào)斜井及新建4 號(hào)支洞進(jìn)入正洞，三岔口受力復(fù)雜［7］；進(jìn)洞處圍巖為志留系下統(tǒng)板巖夾薄層千枚巖，節(jié)理很發(fā)育—發(fā)育，巖體破碎—極破碎，呈碎石狀—塊狀結(jié)構(gòu)，為大變形的千枚巖Ⅶ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)段落，存在較大的變形及塌方風(fēng)險(xiǎn)，采用傳統(tǒng)的弧形導(dǎo)坑挑頂施工先小導(dǎo)洞開挖再反向擴(kuò)挖對(duì)圍巖擾動(dòng)大，安全風(fēng)險(xiǎn)極高［8-9］。為解決上述問(wèn)題，通過(guò)設(shè)置臨時(shí)門架進(jìn)入正洞開挖，然后在臨門保護(hù)下進(jìn)行正洞上臺(tái)階開挖支護(hù)施工，不需反向擴(kuò)挖，可減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，有效控制圍巖變形，確保軟巖大變形隧道三岔口施工安全［10］。

2 臨時(shí)門架垂直挑頂方法

2.1 總體施工方法流程

施工準(zhǔn)備—支洞加強(qiáng)段開挖支護(hù)—鎖口門架施工—超前小導(dǎo)管施工—進(jìn)正洞開挖（寬6 m、上下臺(tái)階法）—沿垂直線路方向，按照隧道挑頂橫斷面輪廓線開挖、立架（支腿I20b 工字鋼、橫梁H175 型鋼）—正洞上導(dǎo)開挖、臨時(shí)支護(hù)完畢—架設(shè)永久初期支護(hù)鋼架（一側(cè)搭設(shè)至鎖口門架上）及其他永久初期支護(hù)措施—割除臨時(shí)鋼架支撐腿—小里程開挖支護(hù)施工—大里程開挖支護(hù)施工—仰拱、二次襯砌施工。

2.2 主要施工工序

（1） 對(duì)進(jìn)正洞前20 m 支洞進(jìn)行加強(qiáng)處理，拱架采用I20b工字鋼，間距1 m。

（2）支洞施工至與正洞開挖線交界處后，立一榀雙拼H175 型鋼門架，并按要求做好鎖腳錨管。支洞進(jìn)正洞示意見圖1。

圖1 支洞進(jìn)正洞示意圖

（3）沿垂直正洞線路方向開挖、支護(hù)至隧道右輪廓線，開挖寬度為6 m。高度為比正洞挑頂鋼架高24～29 cm，正洞進(jìn)洞口左右側(cè)各5 m 范圍挑頂鋼架預(yù)留變形量為50 cm。開挖落底高度為從支洞底開始起坡至正洞上臺(tái)階高度，采用I20b 工字鋼做支腿、H175 型鋼為橫梁的門架加強(qiáng)支護(hù)，間距1 m，每循環(huán)進(jìn)尺不大于2榀［4］。進(jìn)洞門架布置縱斷面示意見圖2。

圖2 進(jìn)洞門架布置縱斷面示意圖

（4）對(duì)開挖完成的縱向6 m長(zhǎng)上臺(tái)階斷面進(jìn)行永久初期支護(hù)施工。采用間距0.6 m 的H175 型鋼加強(qiáng)支護(hù)，C25 噴混凝土25 cm 厚；φ8 鋼筋網(wǎng)采用間距20 cm×20 cm 網(wǎng)格拱墻設(shè)置；拱部設(shè)置φ25×7 普通中空錨桿，邊墻設(shè)置間距1.2 m×1.2 m的φ22砂漿錨桿。

（5）拆除臨時(shí)支護(hù)支撐部分。

（6）采用兩臺(tái)階法對(duì)正洞小里程開挖支護(hù)施工，并對(duì)正洞范圍進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，洞口20 m 范圍正洞采用間距0.6 m 的H175 型鋼，左右側(cè)各加強(qiáng)10 m，采用I20b工字鋼，間距0.6 m一榀。

（7）正洞支護(hù)加強(qiáng)段，上臺(tái)階支護(hù)完成后及時(shí)施作支洞二次襯砌，以確保支洞及交叉口穩(wěn)定。

3 垂直挑頂施工方法

3.1 支洞進(jìn)正洞前施工準(zhǔn)備

由于千枚巖的大變形特點(diǎn)，為確保支洞挑頂段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工安全，挑頂施工前首先要對(duì)進(jìn)正洞前20 m 的支洞進(jìn)行加強(qiáng)處理，初支拱架型號(hào)由原設(shè)計(jì)的I12 調(diào)整為I20b 工字鋼，間距1 m，同時(shí)交叉口段30 m支洞及時(shí)完成襯砌澆筑，襯砌厚度不小于30 cm［5］。

3.2 支洞鎖口門架加強(qiáng)支護(hù)

（1）支洞開挖至與正洞開挖輪廓線交界處后，施做支洞末端鎖口加強(qiáng)門架，門架采用矩形形式，用2榀H175型鋼雙拼焊接。安裝支洞口雙拼H175型鋼支腿及橫擔(dān)（每間距0.6 m 設(shè)置連接鋼板，并滿焊連接雙拼門架），并將支洞拱頂弧形拱架與橫擔(dān)滿焊連接。同時(shí)在門架腰部及拱腳、支洞拱架拱腳上1 m處安裝鎖腳鋼板及錨管，鎖腳鋼管采用φ42鋼管（壁厚4 mm、長(zhǎng)4 m）具體設(shè)置位置見圖3。

圖3 支洞進(jìn)正洞門架圖

（2）采用螺栓連接將鎖口門架上方橫梁與立柱鋼架栓接，為正洞鋼架提供落腳平臺(tái)。

（3）立柱鋼架與橫梁鋼架間設(shè)置H175 型鋼的斜撐，與鋼架焊接牢固。

（4）噴射混凝土覆蓋門架。通過(guò)支洞鎖口門架加強(qiáng)支護(hù)處置，既為正洞鋼架提供了落腳平臺(tái)，又為進(jìn)入正洞做好準(zhǔn)備。

3.3 進(jìn)入正洞施工步驟

沿垂直正洞線路方向從左側(cè)進(jìn)行開挖、支護(hù)至隧道右輪廓線。

（1）超前小導(dǎo)管施工。開挖前布設(shè)超前小導(dǎo)管，導(dǎo)管環(huán)向間距0.5 m，長(zhǎng)4 m，縱向間距3 m，搭接長(zhǎng)度1 m。布置方式見圖4［5］。

圖4 進(jìn)正洞斷面超前小導(dǎo)管布置示意圖

超前小導(dǎo)管一般采用壁厚3.5 mm，外徑42 mm 的熱軋無(wú)縫鋼管制成，尾部焊φ6箍筋，尾部長(zhǎng)度不小于30 cm，作為不鉆孔的止?jié){段。小導(dǎo)管現(xiàn)場(chǎng)安裝由錘擊打入或鉆機(jī)頂入，頂入長(zhǎng)度不小于總長(zhǎng)的95%。小導(dǎo)管安裝完成后用高壓風(fēng)將管內(nèi)吹干凈，并用塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙［10］。

（2） 注漿。采用水泥漿液，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。注漿過(guò)程中及時(shí)觀察掌子面圍巖情況，并根據(jù)吸漿量及壓力上升情況，當(dāng)兩者之一達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定時(shí)結(jié)束注漿作業(yè)。為加快注漿速度和發(fā)揮設(shè)備效率，可采用群管注漿（每次3～5根）。注漿時(shí)遵循從下到上，從無(wú)水至有水的原則進(jìn)行。

（3）支洞進(jìn)正洞開挖及支護(hù)施工。①沿垂直正洞線路方向進(jìn)行開挖、支護(hù)至隧道右輪廓線，開挖寬度為6 m。高度為比正洞挑頂鋼架高24～29 cm，正洞進(jìn)洞口左右側(cè)各5 m 范圍挑頂鋼架預(yù)留變形量為50 cm。開挖落底高度為從支洞底開始起坡至正洞上臺(tái)階高度。②支護(hù)采用I20b 工字鋼做支腿、H175 型鋼為橫梁的門架加強(qiáng)支護(hù)，間距1 m，每循環(huán)進(jìn)尺不大于2 榀（支護(hù)鋼架見圖5）。拱頂橫向鋼架采用弧形，拱頂弦高50 cm。在每榀拱架左右側(cè)，距離拱頂鋼架接頭向下2 m 處以及拱腳處，每側(cè)設(shè)置2 根長(zhǎng)3.5 mφ42 鎖腳錨管，水平向下傾角20°～40°，鎖腳錨管用L形鋼筋+鎖腳鋼板焊接鎖固，與工字鋼滿焊，焊接質(zhì)量須滿足要求。連接筋采用φ22螺紋鋼，環(huán)向間距1 m。支護(hù)錨桿長(zhǎng)度3 m，間距1.2 m×1.2 m；φ8 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格大小20 cm×20 cm，噴射混凝土厚29 cm。

圖5 進(jìn)正洞斷面支護(hù)鋼架示意圖

（4）永久初期支護(hù)施工。對(duì)開挖完成的縱向6 m長(zhǎng)上臺(tái)階斷面進(jìn)行永久初期支護(hù)施工。支護(hù)參數(shù)為H175型鋼0.6 m/榀；C25噴混凝土25 cm厚；φ8鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格間距20 cm×20 cm 拱墻設(shè)置；拱部設(shè)置φ25×7 普通中空錨桿，邊墻設(shè)置φ22 砂漿錨桿，間距1.2 m×1.2 m。支護(hù)鋼架采用異型鋼架與鎖口門架，焊接牢固形成整體受力［11］，并在每榀異型鋼架上設(shè)置6根長(zhǎng)4 mφ42鎖腳錨管，正洞鋼架示意見圖6。

圖6 隧道正洞鋼架示意圖

（5）拆除臨時(shí)支護(hù)鋼架。將臨時(shí)支護(hù)鋼架支撐立柱拆除，并按照正洞開挖輪廓線，將正洞掌子面初期支護(hù)與拱頂初期支護(hù)間鑿出10 cm寬縫隙，以保證正洞上臺(tái)階爆破開挖時(shí)不破壞拱頂初期支護(hù)。

（6）正洞上臺(tái)階施工。正洞6 m 段永久支護(hù)完成，掌子面鋼架及初期支護(hù)按上述拆除完成后，按照設(shè)計(jì)超前支護(hù)參數(shù)進(jìn)行超前支護(hù)加固，按照臺(tái)階法進(jìn)行正洞開挖施工。為確保交叉口處正洞結(jié)構(gòu)安全，在設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)正洞范圍進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，洞口20 m 范圍正洞采用H175 型鋼，間距0.6 m，之后左右側(cè)各加強(qiáng)10 m，采用I20b工字鋼，間距0.6 m一榀，并加設(shè)仰拱拱架。

上臺(tái)階一次開挖循環(huán)進(jìn)尺不超過(guò)2榀拱架間距，正洞先單側(cè)施工20 m 后，具備一定長(zhǎng)度的作業(yè)空間后再反向施工另一側(cè)正洞，直至挑頂兩側(cè)正洞全部完成支護(hù)施工。

（7）監(jiān)控量測(cè)措施。開挖支護(hù)完成后及時(shí)安裝監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，進(jìn)正洞交叉口附近支洞20 m 范圍每5 m 一個(gè)斷面，拱頂1 個(gè)點(diǎn)，拱腰2 個(gè)點(diǎn)。交叉口附近正洞30 m范圍按照每5 m一個(gè)斷面，上臺(tái)階3個(gè)點(diǎn)，下臺(tái)階2 個(gè)點(diǎn)，監(jiān)控量測(cè)日變化大于10 mm，累計(jì)變形超過(guò)100 mm 時(shí)，立即組織人員撤離，并組織相關(guān)技術(shù)人員制定應(yīng)急措施，保證正洞施工安全。

3.4 施工注意事項(xiàng)

（1）根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)材料核實(shí)地質(zhì)情況，要及時(shí)調(diào)整開挖挑頂施工方案。

（2）根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果和圍巖地質(zhì)情況，對(duì)挑頂段門架要預(yù)留一定的沉降變形量，確保挑頂完畢后凈空斷面滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）機(jī)械開挖出渣時(shí)，因挑頂段工作面狹小，要預(yù)防大型機(jī)械碰撞已支護(hù)好的鋼架，避免造成鋼架損壞。開挖作業(yè)中，開挖作業(yè)班組長(zhǎng)及安全員應(yīng)根據(jù)作業(yè)環(huán)境及機(jī)型，劃定安全作業(yè)區(qū)域，并設(shè)置警示標(biāo)志，非作業(yè)人員不得入內(nèi)，并設(shè)專人指揮車輛；開挖時(shí)，應(yīng)由專人對(duì)開挖作業(yè)進(jìn)行指揮，嚴(yán)格限制機(jī)械作業(yè)界限，防止碰壞鋼架［12］。

（4）找頂作業(yè)應(yīng)確認(rèn)找頂作業(yè)區(qū)無(wú)其他人員，并在專職安全員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)下進(jìn)行，找頂作業(yè)應(yīng)檢查有無(wú)盲炮、有無(wú)殘余炸藥及雷管，清除開挖工作面松動(dòng)的巖塊，對(duì)已開挖支護(hù)地段的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形或開裂進(jìn)行處理，先用挖掘機(jī)等機(jī)械設(shè)備找頂，經(jīng)安全員檢查確認(rèn)后，方可進(jìn)行人工找頂作業(yè)。

（5）鋼架每一循環(huán)安裝作業(yè)時(shí)，均要配足人員及機(jī)械資源，配置一氣呵成，使得支護(hù)快速形成并盡早形成封閉，對(duì)圍巖變形起到一定約束作用，減少安全事故發(fā)生［12］。

（6）正洞與支洞相交地段處于復(fù)雜的三維受力狀態(tài)，由于正洞開挖斷面較大，為確保挑頂段正洞施工安全，在支洞與正洞交接處設(shè)置一加強(qiáng)門架，加強(qiáng)門架由2 榀H175 型鋼工字鋼鋼架組成，鋼架間采取可靠焊接，噴射混凝土覆蓋鋼架。

（7）在正洞與支洞拱頂交界里程處，沿正洞方向設(shè)置拱頂縱向托梁，為正洞拱架提供落腳平臺(tái)。托梁采用兩榀H175 型鋼組成，進(jìn)正洞側(cè)2 榀并在一起，牢固栓接于支洞鋼架拱頂。與門架對(duì)應(yīng)的正洞鋼架均要支撐于門架托梁上，并焊接牢固。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)蘭張三四線新烏鞘嶺隧道千枚巖軟弱大變形地質(zhì)條件，挑頂施工具有安全風(fēng)險(xiǎn)高施工周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，采用臨時(shí)門架垂直挑頂進(jìn)洞的施工技術(shù)，通過(guò)對(duì)初支面進(jìn)行2次支護(hù)，有效降低了軟弱破碎圍巖地段挑頂塌方風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到施工安全可控。采用臨時(shí)門架垂直挑頂進(jìn)洞的施工技術(shù)，有如下特點(diǎn)：

（1）臨時(shí)門架垂直挑頂進(jìn)洞的施工技術(shù)采用臺(tái)階法臨時(shí)門架垂直進(jìn)洞，之后拆除臨時(shí)門架，直接進(jìn)入正洞開挖、支護(hù)施工階段。相對(duì)傳統(tǒng)弧形導(dǎo)坑法進(jìn)洞，減少小導(dǎo)洞開挖及反挖擴(kuò)大斷面工序，縮短了挑頂階段施工時(shí)間；同時(shí)施工空間較大，便于大型機(jī)械作業(yè)，施工效率較高。采用臨時(shí)門架垂直挑頂進(jìn)洞的施工技術(shù)，挑頂時(shí)間12 d左右，比傳統(tǒng)弧形導(dǎo)坑法挑頂時(shí)間減少了8 d；同時(shí)不存在傳統(tǒng)弧形導(dǎo)坑法進(jìn)洞、超欠挖難以控制、圍巖與鋼架間隙較大，鋼架受力不良的問(wèn)題；也不存在小導(dǎo)洞開挖提前對(duì)圍巖形成擾動(dòng)的問(wèn)題。降低了進(jìn)洞千枚巖Ⅶ級(jí)軟弱圍巖段，大變形及塌方的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）采用臨時(shí)門架垂直挑頂進(jìn)洞的施工技術(shù)，截面寬度是固定數(shù)值，只需要調(diào)整鋼架支腿的高度，不存在傳統(tǒng)弧形導(dǎo)坑法進(jìn)洞，反向擴(kuò)挖至正常斷面，不斷調(diào)整臨時(shí)鋼架半徑的問(wèn)題，降低了鋼架設(shè)計(jì)、加工的工作量及難度。

（3）采用臨時(shí)門架垂直挑頂進(jìn)洞的施工技術(shù)，相比傳統(tǒng)的弧形導(dǎo)坑法，臨時(shí)門架垂直挑頂技術(shù)具有施工簡(jiǎn)便，工序簡(jiǎn)單，流程連貫，挑頂作業(yè)進(jìn)度高，工期短的特點(diǎn)。

目前新烏鞘嶺隧道大部分斜井進(jìn)正洞采用垂直挑頂?shù)氖┕し椒ü?jié)省了工期，保證了施工安全，為其他同類項(xiàng)目提供了經(jīng)驗(yàn)參考。