长大隧道三岔口施工技术在实践中的选择与应用分析

张文强

(中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009)

0 引言

长大隧道一般需通过斜井以增加作业面，斜井转入正洞施工所处的三岔口地段，位置和结构特殊，应力分布复杂［1］，因而成为施工关键之处。隧道三岔口施工在工程实践中俗称“挑顶”，其施工不仅关系到结构自身的安全、稳定，还对整个隧道的施工生产起着举足轻重的作用。近年来，由于长大隧道逐渐增多，斜井施工越来越普遍，挑顶施工技术也逐步成熟，按其施工特点及功能主要可分为垂直挑顶法、反向扩挖法、斜井爬高法、小导洞法以及双联法等。上述方法在以往的工程中均得到了应用，如:文献［2］结合郑西线函谷关隧道介绍了大断面黄土隧道垂直挑顶施工技术的应用;新建吕梁至临县铁路车赶隧道工程通过设置缓和曲线进入正洞再反向扩挖完成挑顶［3］;太古高速公路西山特长隧道三岔口施工采用了斜井爬高转入正洞的方法［4］;贵广铁路天平山隧道围岩为炭质页岩，易发生软岩变形，施工期间利用小导洞分两台阶进入正洞三台阶施工［5］;青藏铁路西格二线关角隧道则通过方案优化，在三岔口地段采用“双联进洞”方案［6］;同时，从斜井正交进入正洞下断面施工，再通过小导洞爬高进行环形扩挖的方法，在兰渝铁路桃树坪隧道也得到了应用［7］。此外，有轨斜井三岔口段还包括碴场、料仓等附属设施的设置［8］。本文主要结合兰渝铁路长大隧道施工重点阐述无轨斜井三岔口段施工技术的特点及其在施工实践中的应用。

1 工程概况

新建铁路兰州至重庆线路总长493 km，全段隧道工程集中，长大隧道比例较高，共分布有隧道66座，隧道总长343 km，隧道占线路总长度的比例达69．6%。本线长大隧道多，环境与地质条件复杂，高地应力、断裂构造发育、软弱围岩、瓦斯、岩溶等不良地质分布范围较广。其中夏官营—广元段隧道不良地质相对较为集中，穿越地层以板岩、炭质板岩、弱成砂岩等为主，且地应力较高，开挖中易出现大变形、突泥突水、坍塌等现象，施工难度极大，大部分隧道均设有斜井或横洞等辅助坑道，采用钻爆法施工。

2 挑顶方法的选择与应用

2．1 挑顶方法比较

根据以往工程实践，隧道挑顶方法不一，特点各异，隧道施工中需要对工程地质、水文地质条件及辅助坑道与正洞空间关系统筹选择确定。几种挑顶方法的优缺点及其适用范围如表1所示。

表1 隧道挑顶方法比较Table 1 Comparison and contrast among different roof ripping methods

2．2 挑顶技术的应用实践

新建兰渝铁路兰广段地质复杂，沿线穿越地层以板岩、炭质板岩等变形岩为主，并伴随高地应力，隧道施工中地质差、变形大;此外，近兰州段隧道地质则以富水弱成砂岩居多，围岩稳定性极差，易发生流砂。因此，为确保三岔口段施工安全，斜井进入正洞施工多采用小导洞法或斜井爬高法，如木寨岭隧道、哈达铺隧道和胡麻岭隧道及桃树坪隧道等;少量地质条件相对较好的隧道如青岗隧道等采用外扩法进行挑顶施工;除以上挑顶方法外，为避免正洞施工时三岔口地段制约施工交通运输，影响施工生产，针对开挖面相对较多的双孔单线隧道，部分隧道在三岔口处设置副联，与原斜井进入正洞通道共同形成“主副联”，如木寨岭隧道、哈达铺隧道。经过施工实践，选择确定的各种挑顶方法均达到了安全进入正洞施工的目的，尤其是“主副联”对于加强施工运输能力方面起到了较为显著的作用。

以上述几座典型隧道的三岔口施工为例，通过其施工方法的选择原因、效果分析及施工技术等方面介绍挑顶施工技术在工程实践中的应用。

2．2．1 反向扩挖法

兰渝线青岗隧道全长3 054 m，双线结构，围岩以华力西期安山玢岩为主，弱风化，进口横洞进入正洞段以Ⅲ级围岩为主，岩石完整性较好，采用台阶法施工，锚网喷支护。由于围岩较完整，采用外扩法进行挑顶，不仅使安全性可得到一定的保证，还能提高施工效率，快速转入正洞施工。该工程在横洞开挖至正洞4 m处时开始挑顶(见图1)，先对横洞临近正洞4 m段进行立拱加强;再继续开挖进入正洞，并以较小断面(小于正洞断面轮廓2 m)分别向进、出口方向开挖，以该断面开挖通过三岔口段一定距离后，由出口方向逐步爬高至正洞顶部位置并向正洞断面过渡开挖，形成正洞上台阶开挖;最后进行反向扩挖，完成三岔口段正洞开挖，扩挖段长约28 m。

图1 外扩法挑顶施工示意图Fig．1 Roof ripping method:outward enlarging mode

反向扩挖法较为灵活，工艺简单，如遇局部围岩较差，可及时设置拱架加强支护，能较好地保证施工安全。

2．2．2 小导洞法

对于软弱变形地段，小导洞爬高法应用较为广泛，桃树坪和胡麻岭隧道由于当时处于富水弱成砂岩，开挖后易造成流砂，围岩极不稳定，其挑顶施工的安全性也作为施工重点之一进行了论证。其中桃树坪隧道全长3 220 m，由于地质条件差，施工难度大，共设5座斜井，4#斜井长445m，围岩以第三系富水、弱胶结粉细砂岩为主，岩层致密，成岩作用差，无胶结，稍有扰动即成松散粉状结构，富水时基本无自稳能力，呈流塑状，围岩在渗水情况下，原状弱胶结粉细砂岩易迅速液化呈流砂外涌。斜井采用三台阶施工，并辅以超前降水、注浆等措施，进入正洞则转为双侧壁法施工。由于其施工工序多、工艺复杂，不适合大断面开挖，最终确定采用开挖断面相对较小的小导洞法。在斜井接近正洞时采用小导洞沿正洞轮廓爬高，并自上而下逐步进行正洞开挖，最终形成正洞开挖断面。施工步骤(见图2)如下:

1)斜井井底接近正洞5 m段采用初期支护加强措施，在上台阶开挖至正洞开挖边线处设并排门架进行锁固，同时作为正洞拱架基础。

2)从上台阶门架处沿正洞轮廓线爬高施工小导洞第一台阶，小导洞设门架式初期支护及临时仰拱封闭成坏，开挖至斜井对侧正洞边线，沿小导洞内轮廓架设正洞拱架。

3)小导洞第二台阶开挖支护至对侧正洞边线，并进行正洞右侧壁上台阶Ⅰ部重庆方向开挖支护。

4)斜井口锁口门架下接，斜井中台阶开挖支护至对侧正洞边线，开始施工正洞左侧壁上台阶Ⅲ部。

5)依此类推，斜井下台阶向正洞开挖，并先后施工正洞左、右侧壁中台阶Ⅱ部和Ⅳ部。

6)正洞各侧壁向前施工的同时，进行锁口段斜井的初期支护加强及衬砌，并先后施工正洞下台阶Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ部，施作正洞初期支护仰拱封闭。

7)兰州方向开挖与重庆方向开挖相同，开挖过程中逐步拆除小导洞临时支撑，待正洞各部向前开挖形成作业空间时，及时进行三岔口段衬砌作业。

图2 小导洞法施工步骤Fig．2 Roof ripping method:pilot mode

由于小导洞法挑顶施工中开挖断面小，初期支护结构可以迅速封闭，再针对隧道所处富水粉砂地层，结合及时的超前降水、注浆加固等辅助措施，保证了围岩的稳定［9］，使施工得以安全稳步推进。

2．2．3 双联法

“双联法”不同于以上方法，在三岔口段施工中的应用主要倾向于其使用功能，先根据工程地质条件确定相应的挑顶方法，施工时在斜井井底附近额外增设一条斜井与正洞间的施工通道，该方法在木寨岭、哈达铺等双孔单线隧道中应用较广。木寨岭隧道全长约19 km，共设8座斜井，除2座有轨斜井之外，其余均在三岔口段设置“主副联”。由于隧道处于软岩大变形地段，斜井进正洞基本均采用“小导洞法”或“斜井爬高法”进行挑顶施工，以地质较差、变形较大的7#斜井为例，当斜井施工至距正洞约50 m时，在斜井一侧与斜井成一定角度向正洞方向施工“副联”，并对该段进行加宽便于通行，原斜井进入正洞挑顶形成“主联”，正洞内主、副联口相距约60 m，主、副联与正洞形成三角形循环通道。挑顶施工均采用“小导洞法”，主、副联分别完成进洞段挑顶后相向施工并贯通，及时施作两联间正洞支护，再分别开始正洞施工。7#斜井“双联法”施工平面布置及施工方法见图3。

“双联法”必须完成2次挑顶，工序相对复杂，工程量较大，但其完成后可极大地缓解正洞施工时三岔口地段交通拥堵的现象，有效解决以往施工中三岔口成为交通运输“瓶颈”的难题，达到快速施工，资源共享，互不干扰的目的。

2．3 应用效果分析

为选择安全、合理的施工方法，结合上述工程实践总结与分析，对挑顶方法的安全性、经济性及工效等各项指标进一步分析，如表2所示。

图3 “双联法”挑顶施工平面布置Fig．3 Roof ripping method:double connection gallery mode

3 挑顶施工关键技术

除上述挑顶方法之外，其他如垂直挑顶法、斜井爬高法等与上述方法较为类似，仅在工艺及开挖断面上略有不同，垂直挑顶法在反向扩挖法的基础上取消了正洞段预留光爆层，斜井直接转体进入正洞扩挖，工艺更为简单易行，适用围岩较反向扩挖法更强;而斜井爬高法与小导洞法相比，则在施工中直接以斜井断面爬高至正洞顶部，作业空间稍优于小导洞。

表2 挑顶施工综合指标分析Table 2 Comparison and contrast among different roof ripping methods in terms of application results

虽然挑顶施工方法、工艺不同，但其首要目的均是在保证安全的前提下，由斜井顺利转入正洞施工。其关键在于首先要确保安全，其次再根据现场具体情况做到施工的经济性与合理性。施工中必须做到以下几项关键技术的控制:

1)三岔口段支护加强。三岔口段不同于其他施工段落，由于其结构的特殊性与受力的复杂性，往往是结构受力的薄弱环节，必须在原有的基础上进行加强，否则将危及后期安全及施工交通。支护加强段落一般为斜井或主、副联与正洞交叉口，加强段落长度及措施视围岩地质条件而定，一般井口锁口段落不小于5 m，加强措施主要包括双层拱架、径向注浆及增大预留变形量等，必要时还需辅以超前支护、临时仰拱及降水等措施。

2)锁口加固。主要是指在软弱围岩隧道中，斜井施工至正洞边墙处时需设置锁口门架，不仅要起到锁固井口的作用，还必须作为挑顶段正洞拱架基础，是三岔口段支护结构稳定的关键［10］。一般采用多榀型钢拱架并排联结形成。

3)严格施工顺序。采用台阶法进行挑顶施工，必须严格施工顺序，尤其是软弱围岩，往往设有临时仰拱，必须在上台阶挑顶通过、仰拱封闭并安设正洞拱架后，再开始下一台阶的开挖，保证施工安全的同时，避免相互干扰。

4)“双联法”施工组织。“双联法”相对较为特殊，施工较为复杂，必须在斜井到达井底时合理组织主、副联施工，避免施工干扰，降低对围岩的扰动。首先确定副联的位置及结构，结合施工实践及受力性，主、副联与正洞以形成等边三角形为宜，且不宜过小，边长一般为50～70 m，断面大小根据施工需要确定;其次，根据三岔口段地质条件确定相应的施工方法及支护措施，并对副联口处斜井进行加宽，以保证后期交通顺畅，各井口交叉口段必须进行支护加强;第三，明确施工顺序，由于双联施工工程量大，工序转化多，井底段施工组织要确保安全，提高效率。一般在到达井底段副联位置时，先施工副联洞门支护，再继续主联开挖，至正洞挑顶时出碴量减少，开始副联开挖，挑顶完成后优先贯通主、副联间正洞，并及时进行支护封闭。

5)加强监控量测。无论采用何种方法，必须加强对三岔口段围岩变形的监控量测，重点是斜井与正洞交叉口部分的拱顶沉降及围岩收敛，由于该处结构特殊，跨度大，施工干扰多，必要时结合无尺量测技术［10］，确保施工期间监测工作的全面及时进行，并通过监测信息反馈，指导施工安全推进。

4 体会

结合上述工程实践及分析以隧道三岔口段施工技术总结，可得出以下体会:

1)隧道三岔口施工技术的选择应以安全为前提，以经济、高效为原则，结合地质条件及正洞施工组织等因素，因地制宜，综合确定。工艺相对简单、工效较高的挑顶方法，在地质条件较差时，其安全风险则大大增加，甚至不可接受;在安全性可得到一定保证的情况下，其施工效率和经济性则随着围岩地质条件的恶化而降低。

2)除合理选择施工方法之外，还必须在施工过程中严格控制工序步骤和工艺标准。尤其是软弱围岩或地质变化频繁地段，工序转化较多，工艺更趋复杂，只有通过强化过程控制，才可有效保证施工的安全顺利。

3)目前随着隧道施工领域的不断拓展，长大隧道逐渐增多，地质条件更趋复杂，挑顶技术的发展面临更大挑战，仍需在施工实践中继续完善与发展，通过技术改进与提高，最终实现安全、经济、高效的目的。

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