基于斜井在长大隧道施工中的应用研究

谭　政

（广东省长大公路工程有限公司，广东广州510507）



基于斜井在长大隧道施工中的应用研究

谭政

（广东省长大公路工程有限公司，广东广州510507）

摘要：长大隧道通常作为高速公路建设的关键性工程，工期紧张，且长大隧道洞渣通常会按照围岩等级分类，用于路面各结构层的石料加工，实现路基路面施工一体化。在长大隧道施工中合理运用斜井施工技术，能有效的缩短工程工期，节约工程成本，带来社会效益。文中以莲花山一号隧道斜井在施工中的应用为例，对斜井在长大隧道施工应用中的方式、方法、技术难点，以及在复杂地质情况下斜井在长大隧道施工应用的必要性、合理性及经济性进行分析，以供类似工程参考。

关键词：长大隧道；斜井；施工应用；可行性分析

1 工程概述

本项目位于福建东南沿海附近，属南亚热带季风区，海洋性气候尤为明显，地质条件多变。路基工程起讫桩号为K185+000～K195+300，路线长10.300 km；路面工程起讫桩号为K148+ 025.606～K195+300，路线长47.275 km，共需备料220万t。其中关键性控制工程莲花山1号隧道，左线里程为ZK187+590～ZK192+780，长5 190 m；右线隧道里程为YK187+590～YK192+ 815，长5 225 m。由于莲花山1号隧道进口端地质条件复杂，围岩较差，施工进度慢，大量路用碎石材料生产集中在出口端，也就是本路面工程标尾段，为实现按期通车的目标，需要尽早贯通隧道，项目拟通过设置斜井加快隧道施工进度以实现材料由出口端向进口端转运的目标。根据设计勘测莲花山1号隧道基岩为花岗岩、砂岩和熔结凝灰岩。潮州端主要是强、中风化花岗岩、砂岩及中、微风化熔结凝灰岩，出口段主要是强、中、微风化熔结凝灰岩。洞身段围岩主要为中、微风化花岗岩、熔结凝灰岩、砂岩，可作为路面材料加工使用。工程实际施工中发现进口端围岩极差，其特性如下：在进口端起点K187+590～K188+075段：长485 m，隧道埋深15～91 m，该段为Ⅴ级围岩，主要为砂质黏性土、全风化及强风化花岗岩。砂质黏性土、全风化花岗岩抗冲刷能力差，强风化花岗岩结构构造大部分破坏，节理裂隙很发育，岩体呈碎裂结构，岩质较软，岩体极易破碎，自稳能力差，无支护时拱部易坍塌，侧壁易失稳。集中降雨状态下洞室内呈线状或淋雨状出水，设计上采取双侧壁导坑法施工，支护参数强，施工进度缓慢。K188+075～K188+ 175段：长100 m，隧道埋深91～103 m，该段为Ⅳ1级围岩，围岩主要为中风化花岗岩，岩质较坚硬，岩体较完整，Rc=39.1 MPa，Kv=0.58，K1=0.25，K2=0，K3=0，［BQ］=327，围岩自稳能力较差，无支护时拱部可能产生小型坍塌，侧壁可能产生掉块，设计上采用三台阶施工法，遵循短进尺、强支护的原则，以确保质量、安全。

2 斜井在长大隧道施工应用可行性分析

莲花山1号隧道进口围岩富水严重，地质差、且长度长，按照单一掌子面掘进的施工方式难于保证隧道洞渣加工利用和2016年底的通车目标。由于本隧道是特长隧道且横洞及紧急停车带较多（人行横洞14个、车行横洞6个、紧急停车带6个），后期二衬施工也很难在贯通后短期内完成。同时，本项目的路面材料是需要从出口经过隧道运至进口端，因此按照现有的施工方式2016年要实现通车的可能性不大。但通过增加一处施工斜井，可绕开不良地质段，同时增加4个工作面和1处运输通道，使得实际进度比计划进度快5个月以上，极大地缩短了隧道施工工期，给路面材料运输争取了宝贵的时间。

3 斜井在长大隧道中的施工应用

3.1 斜井位置的选择

鉴于进口端地质状况及围岩实际情况，自开工以来，莲花山1号隧道进口端施工进度缓慢，隧道月进度不到10 m，严重制约本项目碎石加工、路面工程等相关工作，如不采取合理措施，将影响整条高速公路的贯通时间。为保证施工安全，满足工期要求，同时按计划完成隧道贯通以保证后续路面工程的有效开展，经多次专家论证，提出在隧道右线K188+000右侧约126 m，绕过地质不良段，增加一斜井，斜井与隧道正洞相交于右线K188+126，如图1所示。

图1　斜井平面布置

3.2 斜井方案的设计

3.2.1 斜井平纵面指标（表1）

表1　斜井平、纵面指标

3.2.2 支护参数

隧道斜井考虑近期施工要求，仅设置初期支护，暂时不设二衬，后期视监控量测数据再行设置。在充分借鉴广东地区已建隧道经验基础上，结合广东省区域地质条件，通过统计分析、工程类比、大量计算结果，确定了隧道复合式衬砌设计参数，如表2所示。

表2　斜井衬砌设计参数

3.3 斜井施工方案

斜井洞口拉槽施工前首先对坡面上的不稳定岩石进行清除，并对不稳定坡体作必要的加固。

斜井暗洞均采用新奥法施工，具体方法如下：①对于Ⅴ级围岩采用上下断面正台阶施工，上下台阶之间的距离应满足机具正常作业；当顶面围岩破碎时，采用上台阶预留核心土进行开挖施工；②Ⅳ级围岩采用上下断面正台阶开挖施工；③Ⅲ级围岩段采用全段面施工；④斜井交叉口扩挖施工：采用矩形断面弧型巷道垂直挑顶直接转入正洞施工的施工方案。

3.4 斜井施工技术难点

斜井施工技术难点主要为交叉口扩挖施工。由于莲花山1号隧道正洞开挖断面较大，因而斜井转入正洞决定采用—矩形断面弧型巷道垂直挑顶直接转入正洞施工的施工方案。具体为：当斜井施工到正洞侧边时，从斜井端头外拱顶起沿正洞上弧导外轮廓开挖一个断面为矩形的垂直正洞线路方向的弧形巷道：在巷道初期支护的保护下施做巷内正洞初期支护，然后向两侧开挖正洞转入正洞施工，见图2。当掌子面围岩软弱破碎时，可依据软弱破碎程度和隧道跨度选择不同的施工（开挖）方法。本方案总体坚持“超前探、小断面、短进尺、弱爆破、强支护、快闭和、勤量测、早衬砌”的施工原则。

3.5 斜井施工

3.5.1 超前支护

本斜井与正洞交叉位置围岩相对良好，可采用超前小导管作为挑顶巷道的超前支护，小导管采用直径42 mm、壁厚4 mm的无缝钢管制作，环向间距不宜大于30 cm环与环纵向搭接长度不宜小于100 cm，外插角控制在5°～10°。小导管打入岩体后注入水泥净浆，单孔注浆终止压力不得小于3 MPa。

3.5.2 挑顶巷道进入正洞施工

（1）1#托梁门架施工

斜井在施工到斜井与主洞交界处时（即斜井最后一榀钢拱架）应设置1#托梁门架以保证主洞初支的支撑稳定。托梁门架设置在拱架上方且与正洞平行，托梁采用I36b型钢，牢固焊接于拱架工字钢上，门架底与拱架顶之间设置I22b型钢支撑立柱，支撑立柱与正洞拱架位置相对应，牢固焊接并喷C25混凝土回填密实，托梁门架安装如图3所示。

图2　主洞巷道开挖平面

图3　托梁门架安装示意（单位：cm）

（2）挑顶巷道施工

沿斜井交叉口初期支护最高点垂直正洞方向开挖矩形截面巷道，巷道顶部宽度7.5 m采用I16型钢矩形门架及正洞系统锚杆进行支护，矩形门架立柱高度按7 m截取，每榀两侧各增加两根3 m的Φ22锁脚锚杆。巷道最高7 m，门架间距1 m，门架间采用Φ25钢筋进行连接，环向间距1 m。巷道顶部喷射20 cm厚混凝土，侧边只封闭岩面，喷射10 cm厚混凝土。巷道顶高按正洞初期支护外轮廓线准确控制。

（3）2#托梁门架施工

巷道在施工到主洞与联络通道交界处时应设置2#托梁门架，以保证主洞初支钢支撑稳定。托梁门架设置在联络通道拱架上方且与正洞平行，托梁门架采用I36b型钢，牢固焊接于拱架工字钢上，门架底与拱架顶之间设置I22b型钢支撑立柱，支撑立柱与正洞拱架位置相对应，牢固焊接并喷C25混凝土回填密实。

（4）巷道内主洞初期支护施工

挑顶巷道施工完毕后，在巷道内施做正洞上台阶初期支护，正洞初期支护采用I18型异形钢支撑，钢架两侧均落在拖梁门架上，与预留钢板连接牢固，立架完成后喷射混凝土。因考虑到斜井托梁受初期支护结构应力较大，须在主洞两侧托梁门柱处增设锁脚小导管。

（5）切割巷道支撑立柱向主洞两侧施工

巷道内正洞初期支护施工完毕后，将巷道一侧门架支撑立柱割掉，按正常台阶法开始正洞上台阶施工。

（6）落底开挖

待两侧上台阶都进入10 m后进行落底开挖施工。施工时须从斜井门架处向主洞内拉槽开挖，将下台阶落底。落底后往正洞两侧施工。

（7）正洞施工

待上台阶施工至距交叉口中心约15 m后，形成向正洞两侧的上下台阶法正洞施工。前进方向掌子面按围岩级别采取相应的施工方法开始正常施工。

（8）仰拱施工

待正洞正常施工后完成交叉口处正洞的仰拱及仰拱回填施工。

3.5.3 二衬台车安装及洞身衬砌施工

因斜井断面较小且斜井通道距离过长，挂布台车与二衬台车拼装须在洞内进行。洞内主洞小桩号开挖至距斜井30 m后须暂停小桩号方向掌子面施工开始拼装台车。台车拼装位置须在初期支护中预留三组Φ32 HR335的挂钩，方便台车拼装。台车拼装时间约为20-25 d。

图4　斜井挑顶施工步骤（单位：cm）

4 应用效果分析

4.1 对项目进度的影响

4.1.1 斜井对隧道进度影响

根据施工进度计划，斜井全长181 m，于2014年9月27日进洞，2014年11月27日与右洞正洞相交，仅用时61 d及增加了右线两个工作面且不影响隧道正常施工。由于隧道全部贯通时间为2016年中旬，不确定因素较多，本文以增加斜井前后右洞通过不良地质段，以及通过斜井往大桩号方向施工，同期达到的里程桩号来确定斜井的应用对隧道整体进度提前的影响。通过科学计算得出，增设通过斜井后实现隧道右洞小桩号方向贯通的日期在2015年4月 22日，贯通的桩号为K187+949，同期到达的里程桩号为K188+352。而不增设斜井到达里程桩号K188+352的日期则在2015年9月3日，两者相差134 d，也就是说增加斜井后隧道的整体进度在绝对值上提前了四个半月。如果考虑不同围岩等级开挖进度的日偏差以及累积偏差对隧道进度的影响，隧道在不增加斜井的预计贯通日期为2016年9月11日，增加斜井后右洞预计贯通时间为2016年4月4日，两者相差160 d，也就是说隧道的整体进度最快可能提前五个半月左右，这为实现隧道出口端路面材料向进口端转运提供必要条件。

4.1.2 斜井对路面备料进度影响

如未增加斜井，按照进度计划需要到2015 年11月2日右线到达K188+550处才能进入熔结凝灰岩（Ⅲ级围岩）即开始进行沥青面层备料。而增加斜井后，可在2015年6月19日进入右线K188+550熔结凝灰岩（Ⅲ级围岩）即开始进行沥青面层备料，两者相差148 d。也就是说路面备料计划能够提前近五个月开始实施，能够为2015年底及2016年初的沥青路面施工提供必要条件。

4.2 经济效果分析

（1）对于特殊地质下的软弱富水围岩，为确保隧道的施工安全必须采取围岩加固及排水措施。一般的处理方式如洞内局部帷幕注浆止水、地表注浆止水、地表井点降水及冷冻法等，一则费用具有不可预见性，二则进度也具极大不确定性。洞内局部帷幕注浆止水，需要深孔注浆并设止浆墙；洞顶地表注浆止水，因整个山体非常富水，需要大范围（地表处理宽度将达到140-150 m）进行深孔注浆止水；洞顶地表井点降水，也需要大范围（地表处理宽度将达到140-150 m）进行深孔井点降水，井点间距按照5 m×5 m估计，需要井点约840～900个；冷冻法需要对隧道及周边围岩进行冷冻固结。而增设斜井的方法，仅需增设一条斜井通道与正洞相交，斜井的围岩状况、施工方法、机械设备都是确定的。因此通过比较分析，斜井的施工应用无论是费用还是进度上都是具有可预见性且符合工期的实际需求。

（2）根据隧道贯通桩号划分进口端洞渣加工桩号为：K188+550～K189+870、ZK188+590～ZK189+730；出口端洞渣加工桩号为K189+ 870～K191+810、ZK189+730～ZK191+820；洞渣加工率按90%生产，总共生产碎石176万m³。其中出口端生产碎石110万m³，自身消耗22万m³，剩余78万m³需要转运至进口端备料场。

根据材料运输距离测算，出口端材料通过隧道转运到进口端拌和站运距为10 km，而通过国道运输运距为85 km。

假定运输费用为0.5元/km·t，通过计算得出：如通过隧道运输，运输费用为P1=78×1.5× 10×0.5×10 000=5 850 000元；如通过国道运输，运输费用为P2=78×1.5×85×0.5×10 000=49 725 000元；运输费用的差价为S=P2-P1=43 875 000元。即在增加斜井后，在隧道提前贯通的条件下带来的潜在收益为438.75万元。

5 结语

斜井在长大隧道施工应用施工方便且能缩短工期及有效地降低成本。总体来说，就是在长大隧道施工中为达到理想的经济效益和满足工期需要，在围岩地质较好的地段开设一处施工简单、距离较短的通道以在隧道正洞增加工作面，成功地缩短地质不良段的施工工期，同时加快整条隧道的施工进度。本文以隧道工程结合路面工程的施工项目为例，充分考虑斜井施工的方式、方法、技术难点，以及其必要性、合理性、经济性等，以供类似工程进行参考。

参考文献：

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［6］广东省交通集团有限公司.高速公路建设工程安全生产标准化管理手册［M］.广州：广东省交通集团有限公司，2011.

研究方向：土木工程

中图分类号：U453.4

文献标识码：A

文章编号：1671-8496-（2016）-02-0046-06

收稿日期：2016-01-11

作者简介：谭 政（1985-），男，工程师

Application Research of Inclined Shaft in Long Tunnel Construction

TAN Zheng
（Guangdong Provincial Changda Highway Engineering Co.Ltd.，Guangzhou 510507，China）

Abstract:The long tunnel is usually a key project in highway construction for its tight deadlines.The cave slag in the long tunnelis generally classified according to the surrounding rock and is used to stone processing for each structural layer of the road，achieving an integration of subgrade and pavement construction.The rational use of inclined shaft construction in tunnel construction technology can effectively shorten the construction time，save project cost and brining social benefits.This paper，taking the application of No.1 inclined shaft in Lianuashan Tunnel as a casestudy，analyzes the the means，methods and difficulties of construction practice，the necessity，rationality and economic efficiency of inclined shaft under complex geological conditions in tunnel construction，providing some references for similar projects.

Key words:long tunnel；inclined shaft；construction applications；feasibility analysis