桃树坪隧道3号斜井进主洞施工技术

张学文，王 猛，赵旭鹏

(1.中铁十三局集团公司兰渝铁路工程指挥部，甘肃宕昌 748500;2.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000)

0 引言

近年来，随着中期铁路网发展规划和中国铁路规划的实施，一些地质复杂、施工难度大的长大隧道将如期投资修建。为了缩短工期，往往采用各种辅助斜井进入正洞的方式来增加工作面，实现“长隧短掘”的目的［1］。由于隧道围岩地质条件复杂多变，同时辅助斜井相对隧道正洞而言断面较小，如何从小断面安全过渡到正洞大断面，其交叉段施工方案及技术显得尤为重要。在斜井辅助正洞施工技术研究中，许多专家和学者开展了大量的工作，目前成熟的施工方法主要有大包法、上挑洞法、CRD法等。高洪涛等［2］研究了乌鞘岭隧道斜井辅助正洞施工技术;龙蛟［3］研究了石板山隧道斜井与正洞交叉段采用中导洞爬坡挖到正洞，然后反向挑顶的施工方法;申延虎［4］、辜鼎甲［5］介绍了隧道斜井进正洞施工技术;杨胜［6］对穿过坡积物的斜井特殊进洞施工技术进行了研究，在斜井进主洞施工中取得了良好的效果。本文以桃树坪隧道3号斜井进正洞施工为背景，结合其特殊的工程地质条件，斜井采用台阶法正交水平穿过正洞，正洞施工整体分上、下2部分，上半断面采用CD(或CRD)法施工，下半断面采用双侧壁导坑法施工。

桃树坪隧道是兰渝铁路在建项目难度最大的隧道工程之一，位于兰州东站站端，隧道起讫里程DK3+435～DK6+655，全长3 225m，设计为双线隧道。进口位于兰州东站出站端，出口位于榆中县方家泉村。隧道进口低，出口高，地形起伏大，最小埋深处仅6 m，地表沟谷发育，下切较深。由于紧邻兰州市，桃树坪隧道下穿多个垃圾回填的浅埋沟谷、馋柳高速、312国道、厂矿企业、密集的居民区。由于隧道围岩差，施工困难，为加快施工进度，增设了0～4号共5个斜井。因此，在斜井进主洞时，需要制订可行的施工方案，采取科学合理的施工技术。

1 工程地质特征

从3号斜井揭示围岩情况来看，斜井上半断面(3～3.5 m高度)为上第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩，出水量大;下半断面为钙质弱胶结砂岩，在两层接触面出现股状流水。上导围岩基本无自稳能力，两层接触面基本呈流塑状，隧道沉降、变形量大，极易发生坍塌，施工难度极大，如图1所示。

图1 3号斜井现场施工状况Fig.1 Construction site of No.3 inclined shaft

上第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩，岩层致密。根据现场取样试验，孔隙率为22% ～26%，孔隙比为0.36 ～0.4，饱和度为 3.9% ～20%，实测最大饱和度为20%，密度为2.63g/cm3，在饱和状态下试样压力为2～3MPa，非饱和状态下试样压力为7～8MPa，渗透系数为0.01～0.001 cm/s，水平和垂直渗透系数相差很小，砂层较洁净，含泥量5% ～10%，成岩作用差，无胶结，稍有扰动即成松散粉状结构，在富水时基本无自稳能力，呈流塑状，极易发生坍塌。围岩在渗水情况下，原状弱胶结粉细砂岩易迅速恶化呈流砂外涌。

2 斜井进主洞施工技术

由于桃树坪3号斜井地质条件极差，斜井上半断面富水粉细砂岩层，出水量大，下半断面为钙质弱胶结砂岩，在两层接触面出现股状流水，有涌砂现象，斜井进入正洞及正洞施工难度极大，制定的总体施工方案是:利用斜井正交穿过正洞下半断面，在斜井边墙采用双侧壁法开挖正洞下半断面，侧壁导坑超前，可最大限度地解决正洞区段降排水问题，同时解决钙质胶结层面流水、流砂造成的沉降、变形等施工问题。通过小导洞上爬到正洞顶后再环向扩挖，完成正洞上半断面的初始施工作业面，采用CD(或CRD)法施工正洞上半断面，如图2所示。

图2 斜井进入主洞段施工示意图(单位:m)Fig.2 Sketch showing construction of connection section between inclined shaft and main tunnel(m)

整个隧道施工的关键是降排水，主要采用真空轻型井点降水+集水坑集排水相结合的方法对隧道进行系统降排水施工。斜井采用全断面降水，正洞段主要是下断面双侧壁降水。

2.1 斜井降排水施工技术

根据不同条件下的隧道施工降排水技术［7－9］，结合现场试验和专家意见，采用真空轻型井点降水+集水坑集排水方案进行降排水。

2.1.1 真空轻型井点降水

根据实际地质情况，降水集中到钙质胶结层面0～3 m范围采用真空轻型井点降水。

1)管井布置。斜井管井布置如图3所示，边墙位置距钙质胶结层面0.5～0.8 m以上布置2排管井，斜向下15°布置，排间距为1 m;井管长度分别为4.5 m和3 m，间隔布置，在上导段管井间距0.5 m，下导及仰拱完成段管井间距1 m。掌子面布置3～4排5 m长的超前管井，核心土部分管井间距0.6～1 m，在弧形导坑开挖面及拱脚位置管井间距0.5～0.6m。在拱脚位置出水较集中，斜向外插，管井布置加密，采用3m和5 m长的井管交错布置，以保证降水效果。

侧壁导坑的管井布置与斜井基本相同，可根据实际情况进行相应调整。

图3 真空井点降水管井布置图(单位:cm)Fig.3 Layout of dewatering tubes(cm)

2)井管施工。井管采用φ32 PPR真空井管和φ42无缝钢管加工，管头20～30cm范围内对称钻4排φ6 mm吸水孔，孔间距3～5 cm，管壁采用100目双层滤网包裹，用钢丝扎紧。

φ32PPR井管适用于纯砂层地段，可采用高压风或高压水冲孔成功后插管完成;φ42无缝钢管井管适用于有孤石、钙质胶结层地段，无法采用高压风、水冲孔，直接用风枪钻孔后推进完成。

3)真空轻型井点降水泵。降水采用7.5kW V6型真空泵，按出水量布置真空泵数量，每台泵连接2节主管，8～12孔井管。集水总管直径75～100 mm，每节长4.0 m，主管上按0.5 ～0.8 m 间距布置 φ32 支管，支管采用单阀控制，通过钢丝软管与井管连接。V6型真空泵运行形成负压，通过井管将粉细砂围岩中的水抽出，降水施工时真空负压需控制在0.06 MPa以下。

2.1.2 集水坑降水

集水坑设置在仰拱或下导面基底部位，主要汇集掌子面及已施作支护地段斜井渗水，作为斜井轻型井点降水的辅助措施。为尽量减少掌子面渗出的水流对边墙的影响，集水坑设置在距离斜井边墙不小于1 m处，集水坑采用4 mm厚薄钢板焊接而成，集水井间距5～10 m，施工时应设置井盖。仰拱施作前应先行设置好集水坑，确保基底渗水能顺畅流入集水坑，水汇集到集水坑后采用大功率潜水泵及离心泵集中抽排到洞外。

2.2 斜井正交水平穿过正洞段施工

斜井正交水平穿过正洞(斜井底面与正洞仰拱面同高)，采用台阶法开挖施工(上导弧形导坑保留核心土)。初期支护完成后及时进行回填注浆加固，并进行二次支护。

斜井与正洞交叉口段临空面大、受力复杂，必须加强支护。斜井靠近正洞2.5 m范围内初期支护需设立12榀I20b型钢拱架进行加强支护，如图4所示。斜井完全穿过正洞后，对穿过正洞及距离交叉口20 m区段内的斜井全部进行二次支护。交叉口5 m范围内二次支护拱架间距为0.6 m，其余二次支护拱架间距均为1 m。

图4 斜井穿过正洞段斜井初期支护拱架布置示意图(单位:m)Fig.4 Layout of steel ribs of connection section between inclined shaft and main tunnel(m)

2.3 侧壁导坑及导洞施工

1)侧壁导坑施工。斜井穿过正洞后封闭斜井工作面，在斜井边墙位置开始进行正洞下断面双侧壁导坑施工。

侧壁导坑采用台阶法施工，上、下台阶长度5～8 m，上台阶预留核心土弧形导坑开挖。工作面超前注化学浆液预加固，采用超前真空轻型井点降水，全人工开挖，加强支护。

侧壁导坑开口段1 m范围内加强初期支护，将2榀侧壁拱架并排焊接在一起，以20 cm为间距依次设立3组，其余拱架按0.5 m间距正常设立支护。为保证正洞仰拱的施工安全，侧壁导坑全部设置临时仰拱，并及时对初期支护背后进行回填注浆加固处理。

2)中部导洞施工。中部导洞可滞后正洞侧壁导坑上台阶3～5 m施工，中部导洞初始开挖断面为2.5 m ×2.5 m，逐渐渐变为 2.5 m ×4 m，保证拱顶坡度为38%，在距斜井边墙16.5 m位置可达到拱顶设计高度，再水平掘进4 m后封闭导洞掌子面，开始环向扩挖施工。

3)环向扩挖施工。环向扩挖采用中心导坑开挖支护形式，沿正洞拱部开挖轮廓线环向两侧开挖，导洞开挖断面逐渐由3 m×4 m渐变为3 m×2.5 m，直到正洞两侧边墙与侧壁导坑顶相通为止。

环向扩挖完成后安装正洞拱架，支护完成后可开始正洞施工。

2.4 正洞过渡段扩挖施工

2.4.1 正洞挑顶过渡段施工

通过中部导洞上挖到正洞顶，再环向扩挖，环向扩挖完成后安装正洞拱架形成初始作业面，利用环向扩挖段作为工作平台进行正洞上台阶施工，逐步扩展。正洞挑顶段施工如图5所示。

图5 正洞挑顶段施工示意图(单位:m)Fig.5 Sketch of roof ripping of main tunnel(m)

正洞施工过程中，两侧壁导坑继续采用台阶法超前掘进，以解决降水问题。正洞上半断面采用CD(或CRD)法施工(根据围岩情况决定)，分左、右2部开挖，按先左后右施工，每部均采用二台阶开挖，第1台阶开挖高度3.1m，作业层面与拱部导洞同高。第1台阶有一定长度空间后可选中间部位向下开挖第2台阶，第2台阶高度2.5m，台阶底部与侧壁导坑顶同高。正洞上部拱架与侧壁导坑拱架联接，初期支护成环，然后再逐步挖除两侧壁中间部位。

一台阶底根据具体情况设I18b型钢横撑或I20b型钢网喷临时仰拱，二台阶底部设I20b型钢网喷临时仰拱，局部成环封闭，确保施工安全。

2.4.2 正洞跨斜井交叉段施工

正洞上断面形成完整工作面后，正常掘进需上跨斜井交叉口。

正洞跨斜井交叉口段必须加强处理，对交叉口段5 m范围内的斜井进行第3次套拱加固。在正洞拱架拱脚2 m区段套拱采用I25a型钢拱架，拱架间距0.5 m，模筑C30混凝土加固;其余3m套拱采用I20b型钢拱架，间距1 m，如图6所示。

正洞上跨掘进时，需现场适当调整，确保正洞拱架拱脚落在斜井初期支护拱架上，在斜井拱架上焊接连接钢板，与正洞拱架拱脚钢板采用螺栓连接。正洞拱架拱脚支护完成后，拱脚位置必须注双液浆加固处理。

图6 交叉段加强支护施工示意图(单位:m)Fig.6 Strengthened support of connection section(m)

2.5 正洞正常段施工

正洞施工进入正常施工循环，施工整体分上、下2部分进行，必须下部双侧壁超前掘进，采用真空轻型井点降水+集水坑集排水相结合的方法解决正洞区段降排水问题。其后逐步开挖上部各区段，如图7所示。

下部开挖高度5.2 m，采用双侧壁导坑法施工，具体分为①—④部掘进施工;上部开挖高度5.6 m，采用CD(或CRD)法施工，具体分⑤—⑧部掘进施工，正洞各部掘进时按需要及时增设临时仰拱，保证分部封闭成环，确保施工安全，对初期支护背后及时回填注浆，防止脱空;最后开挖⑨—⑩部，施工仰拱，初期支护成环。根据量测数据及时掌握围岩收敛变形情况，按需要进行二次支护。

图7 正洞段施工示意图(单位:m)Fig.7 Sketch of main tunnel construction(m)

2.6 正洞仰拱、二次衬砌施工

待侧壁导坑接腿支护完成后再进行中部仰拱开挖，安装仰拱拱架，初期支护封闭成环。每次进尺1～2榀，拱架间距0.5～1m，仰拱开挖初期支护后及时浇筑仰拱混凝土、仰拱填充混凝土，以利隧道整体稳定。

仰拱施工完毕达到100%强度后，根据围岩监控量测情况，隧道整体变形趋于稳定即可逐步拆除临时支撑，施工二次衬砌混凝土［10］。

2.7 实施效果

施工实践证明:此套挑顶方案比较合理，从根本上解决了隧道降排水困难问题，有效控制了钙质胶结层面流砂造成的隧道初期支护沉降、变形和坍塌现象的发生，保证了工程的安全，提高了施工效率，保障了工程质量。

3 结论与讨论

采用真空轻型井点降水+集水坑集排水的方法解决了隧道下部涌、渗水对施工的影响。侧壁导坑超前，可最大限度地解决正洞区段降排水问题，提高围岩自稳性能，实现无水条件下作业。

桃树坪3号斜井进主洞施工技术的成功实施为同类条件的隧道施工提供了技术支持和借鉴，下一步的研究将针对支护参数进行优化，减少支护成本的投入。

［1］ 李东，覃同新.复杂地质燕尾段隧道施工技术［J］.西部探矿工程，2009(S1):21－24.

［2］ 高洪涛，苟彪.11号、13号斜井辅助正洞快速施工技术［J］.铁道标准设计，2005(9):63－67.

［3］ 龙蛟.石板山隧道斜井与正洞交叉段施工方法与技术［J］.国防交通工程与技术，2010(1):54－57.(LONG Jiao.Construction method for the construction at the incline-shaft-tunnel-intercrossed section［J］.Traffic Engineering and Technology for National Defence，2010(1):54 －57.(in Chinese))

［4］ 申延虎.长大隧道斜井进正洞施工技术［J］.山西建筑，2010，36(33):344 － 345.(SHEN Yanhu.On construction technique of entry of inclined shaft into main tunnel in long and large tunnels［J］.Shanxi Architecture，2010，36(33):344 －345.(in Chinese))

［5］ 辜鼎甲.隧道斜井进正洞施工方案［J］.山西建筑，2010，36(11):343 －344.(GU Dingjia.The construction program of inclined shaft into right hole in tunnel project［J］.Shanxi Architecture，2010，36(11):343 －344.(in Chinese))

［6］ 杨胜.基于穿过坡积物的斜井特殊进洞施工技术研究［J］.吉林水利，2008(3):69－71.(YANG Sheng.The research for the special inclined shaft construction technology through deposit［J］.Jilin Water Resources，2008(3):69 －71.(in Chinese))

［7］ 金宝.小断面通道进入大断面主洞垂直交叉口CRD法与上挑洞法施工比较［J］.隧道建设，2010，30(6):87－91.(JIN Bao.Comparison and contrast between CRD method and roof ripping method:Case study on construction of junction section between access tunnel and main tunnel［J］.Tunnel Construction，2010，30(6):87 －91.(in Chinese))

［8］ 商崇伦.宜万铁路齐岳山隧道高压富水断层施工关键技术［J］.隧道建设，2010，30(3):285 － 291.(SHANG Chonglun.Key construction technology for Qiyueshan tunnel on Yichang-Wanzhou railway in fault containing rich highpressure water［J］.Tunnel Construction，2010，30(3):285 －291.(in Chinese))

［9］ 韩志怀.象山隧道岩溶地段全断面超前注浆堵水与加固技术［J］.隧道建设，2009，29(5):84 －88.(HAN Zhihuai.Full-face advance grouting for water sealing and reinforcement of karst section of Xiangshan tunnel［J］.Tunnel Construction，2009，29(5):84 －88.(in Chinese))

［10］ 韩星俊，方俊波，卢志强，等.隧道仰拱全幅施工技术［J］.隧道建设，2010，30(5):61 － 65.(HAN Xingjun，FANG Junbo，LU Zhiqiang，et al.Full-breadth tunnel invert construction technology［J］.Tunnel Construction，2010，30(5):61 －65.(in Chinese))