棚架套拱挑顶法施工软弱浅埋隧道斜井进正洞技术

赵继华

(太原铁路枢纽西南环线有限责任公司，山西太原 030013)

长大隧道建设过程中，因项目建设工期的需要，常采取设置辅助坑道斜井，以增加作业面，保证项目建设进度。对于一般意义的矿山地质隧道，只要严格按照现已成熟的工法施作，斜井进正洞的施工安全不再是问题。但对于浅埋、软弱的土质隧道，尤其是在交角较小的条件下，完成斜井进正洞工序转化，是施工中需要迫切解决的难题。本文就太原铁路枢纽西南环线在建的晋祠隧道其斜井进正洞施工进行介绍。

1 工程概况

晋祠隧道位于太原市晋源区，是为满足晋祠保护区的需要而设的浅埋城市双线铁路隧道。该隧道全长8 840 m，隧道最大埋深25 m，其正洞开挖断面115～132 m2，开挖最大高度11.50 m，宽度13.58 m。为满足项目建设工期需要，在正洞DK16+430处设置1号单车道斜井。

斜井地处2条城市主干道和正洞线位围成的直角三角形布局中的直角位置。斜井全长260 m，斜井与正洞成45°交角，最大坡率10%，斜井与正洞交叉段坡率3%。设计斜井开挖高度7.42 m，宽度6.10 m，斜井开挖面断面40 m2，斜井与正洞交叉位置隧道埋深18 m。

斜井与正洞交叉位置地层岩性:表面为第四系全新统人工堆积层，以杂填土、素填土为主，层深3.2 m;其下38 m范围为第四系全新统洪积层，以中砂、粉质黏土、卵石为主。因山前洪积层沉积韵律差，地层分布不均匀，分别为1.8 m中砂，2.4 m卵石夹中砂、粉质黏土，2.4 m粉质黏土，15.2 m卵石，1.3 m细砂，3.1 m粉质黏土，3.5 m卵石，2.6 m含圆砾粉质黏土，6.0 m卵石。其基本承载力在160～650 kPa。因岩性稳定性差，设计为Ⅴ级围岩。

2 斜井进正洞总体方案

在斜井接近正洞处，上抬斜井拱顶高程，在正洞轮廓线位置，施作叉口加强环及斜井交汇段的二次衬砌;继续爬坡进行导洞开挖及棚架支护至正洞扩大拱顶，再平坡前行导洞开挖及棚架支护至正洞外侧上台阶拱脚，形成初步的棚架正洞导洞。此后对棚洞导洞施作钢架网喷套拱，全面完成正洞导洞施工;接下对导洞进行正洞上台阶开挖初期支护施作和中下台阶开挖落底支护，最终完成斜井进正洞工序转换。

3 施工流程及方法

3.1 施工流程

确定斜井抬坡渐变段起始位置→斜井渐变段施作→交叉口加强环施作→斜井交汇段二次衬砌浇筑→斜井进正洞棚洞施作→棚洞套拱加强→导洞进一侧正洞上台阶开挖初期支护→导洞进另一侧正洞上台阶开挖初期支护→两侧正洞中下台阶开挖初期支护闭环。

3.2 施工方法

3.2.1 斜井抬坡段施工

根据斜井与正洞设计交叉的角度和拱顶高程，计算出斜井拱顶抬坡位置，以＜30%的抬坡坡率开挖初期支护斜井至正洞交叉口，见斜井渐变段施作图1。为了确保交叉口复杂受力的稳定性，施工过程中对该段斜井初期支护要做适当加强，加设下部弧形钢架，使其闭环受力，同时调小钢架间距为0.6 m/榀。

图1 斜井渐变段施作示意

3.2.2 交叉口加强环施工

为了后续棚洞棚架及套拱落脚的稳定，在斜井与正洞交叉处设置加强环。加强环由3榀I22a工字钢制作成∏形结构，各部尺寸见图2交叉口加强环施作图。加强环设上、中两道横梁和上部斜撑。其上道横梁用于支撑后续导洞棚架和套拱，中道横梁用于支撑导洞正洞环向钢架，斜撑起加强横梁刚度作用。加强环施作完毕，同时跟进斜井渐变段初期支护后的二次衬砌混凝土浇筑。

图2 交叉口加强环施作示意

3.2.3 导洞棚洞施工

导洞断面设计为梯形，其外轮廓上宽2.5 m，下宽4.5 m，高2～7 m，其开挖支护见图3斜井进正洞棚洞施作图。每次开挖进尺0.6 m，满足一榀I22a工字钢棚架安装，整个导洞共设26榀I22a封闭棚架。同时打入锁脚锚杆并挂钢筋网喷射混凝土，完成初步支护。导洞开挖初至到达正洞中心线位置前以抬坡控制，以后平坡开挖直至正洞外侧上台阶拱脚处完毕。

3.2.4 导洞套拱施工

针对该隧道斜井进正洞埋深高度仅18 m，围岩为分层极不均匀的人工填土、砂、卵石及粉质黏土，无法自然成拱，为保证软弱、浅埋围岩下棚洞成拱稳定性和施工安全，施工中采取了对棚架进行钢架及喷锚混凝土套拱加强措施。套拱由4榀I175工字钢架+钢筋网+φ22 mm螺纹连接筋+φ42 mm注浆锚杆+喷射混凝土组成。套拱一端落于加强环上部横撑，另一端落于棚洞尽头洞外侧上台阶拱脚原装土体上。其套拱施作见图3和图4。

3.2.5 导洞环向初期支护施工

导洞初期支护采取I175工字钢架+φ8 mm，20 cm×20 cm钢筋网+φ22 mm螺纹连接筋+φ42 mm注浆锚杆+喷射厚30 cm早强混凝土方案施作。钢架间距0.75 m，钢架一端落于加强环中部横撑，另一端落于棚洞尽头洞外侧上台阶拱脚原装土体上。其初期支护施作见图3和图4。

3.2.6 导洞进正洞施工

1)导洞进正洞上台阶施工。导洞成洞后，进行导洞进正洞施工，导洞进正洞施工按照先一侧、后另一侧正洞上台阶开挖进洞。具体施作方法为:先拆除一侧棚洞钢架临时支撑，采取预留核心土法进行正洞上台阶开挖支护，开挖支护严格执行1榀钢架进尺要求，在完成该端4 m开挖支护后，喷射混凝土封闭掌子面。接下反向施作另一侧正洞上台阶开挖支护，至施工空间满足需要。

2)导洞进正洞落底施工。两侧正洞上台阶开挖支护到位后，开始两侧同步按“改进三台阶七步法”开挖支护落底，连接仰拱钢架封闭成环并浇筑仰拱，最终进入正常的正洞施工工艺。

3)改进三台阶七步法。所谓“改进三台阶七步法”是针对该隧道Ⅴ级围岩不稳定的土体地质情况，以下台阶侧向开挖初期支护后立即回填，以减小开挖临空面暴露时间，控制变形量的施作方法。

图3 斜井进正洞棚洞及套拱施作示意(单位:cm)

图4 斜井进正洞示意(单位:cm)

4 施工要点

1)根据斜井与正洞拱顶高程，正确计算斜井渐变段起点位置和抬坡坡率，据此取得加强环上、中部横梁施工高程数据，确保棚架及套拱、正洞钢架支护准确落位。

2)斜井渐变段初支钢架要形成闭环，并适当缩小钢架间距。

3)组成加强环的立柱及横撑钢架要用φ22 mm连接筋以1 m的间距进行焊联，保证其刚度和强度，确保其三维复杂受力稳固。

4)导洞两侧立撑要根据开挖岩土情况，打足系统注浆锚杆和钢架锁脚锚杆，榀间钢架用φ22 mm连接筋焊联，并要做到榀榀及时成环。

5)导洞进正洞上台阶开挖支护，以斜井与正洞交角为钝角端为先，完成喷射混凝土掌子面后，再行施作斜井与正洞交角为锐角端。

6)严格钢构件制作工艺，要对每榀钢架进行上场检验和试拼装，确保拼装一次到位。

7)上、中台阶及下台阶两侧开挖以小型挖掘机为主，必要时辅以人工配合;整个下台阶及仰拱开挖利用大型挖掘机开挖，但拱脚、墙脚及仰拱底应预留60～70 cm原状土人工开挖，避免超挖。

8)洞内各部开挖前，完成工前的超前地质预报、地质素描和轮廓检查确认工作。

9)施工过程中要做好监控量测的及时布点和按频次量测工作，准确掌握围岩和支护结构的变形情况，随时调整支护参数和预留变形量，确保施工安全。

10)上台阶开挖要在超前支护完成后进行，环向开挖上台阶预留核心土长度宜为3～5 m，核心土宽度控制在开挖宽度的3/4，开挖进尺满足1榀钢架架立即可，上台阶开挖高度矢跨比以0.3为宜。

11)中、下台阶左右侧开挖进尺控制在2榀钢架间距，开挖高度宜为3.0～3.5 m，台阶步长控制在3.0～3.5 m，左右侧台阶错位控制在2～3 m。

12)仰拱开挖时，要暂停中、下台阶的开挖，直至整个初期支护闭环;仰拱开挖长度不大于3 m，开挖到位及时施作仰拱初期支护，完成2个隧底开挖、初期支护循环后，及时施作仰拱混凝土及后续的二次衬砌作业。

13)超前小导管注浆预支护是确保软弱围岩条件下掌子面各项施工安全的前提，必须认真施作。要点在于其打入外插角10°～15°的控制，角度过小降低了注浆导管与岩土间的相互约束，过大则不能保证其1 m左右的导管插入破裂面以外，造成预支护功效差或根本不起作用。

14)及时做好各分部开挖钢架基脚注浆锁脚锚杆(管)施作和钢架脚下垫板预设工作，必要时，据监控量测变形情况采取大拱脚措施。

15)整个开挖初期支护要严格遵循“预支护、分部开挖、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。

5 结语

晋祠隧道采取的棚洞套拱挑顶法斜井进正洞施工工法，有效地解决了诸如斜井选线交角小、埋深浅及软弱土体不良地质情况下工序转化安全风险大的难题，是一次成功的工法实践，对今后类似的隧道斜井进正洞施工具有指导意义。

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