长大隧道辅助横洞与正洞交叉口段施工技术

刘凯

摘 要：为解决辅助导坑方案进入正洞时交叉段的施工难点，以成昆铁路峨米段邓家湾隧道横洞进入正洞交岔口的施工为例，介绍了软弱围岩下横洞进入正洞的施工方案，通过采取横洞加强环、导洞门架垂直挑顶施工的方法，以超前地质预报、监控量测等为指导，实现横洞到正洞的安全转换，预防了隧道塌方、初支变形，为今后在类似条件下软弱围岩地段进行横洞到正洞的转换施工提供了经验。

关键词：挑顶施工;交叉口;垂直;铁路隧道

前言

本文以邓家湾隧道横洞为研究对象，借鉴以往经验的基础上，在软弱围岩下通过导洞门架垂直挑顶使正洞开挖断面一次成型，本施工方法临时支护数量较小，开挖能够同时向两端进行，可以较早进行洞内模板台车拼装，且不影响主控方向的正常施工，缩短了工期。

1、工程简介

成昆铁路复线邓家湾隧道全长9390m，于隧道中部DK377+100处设一座与正洞向小里程方向呈91°角的横洞，横洞自正线左线中心里程处至洞口全长1755m，起讫里程为HDK0+000～HDK1+775，该横洞自与正洞交接口处至洞口呈坡度为17‰的下坡。

该隧道横洞与正洞交叉口段为旱震旦系（γ2²）花岗岩，施工揭示为掌子面岩性为强风化花岗岩，受地质构造影响，岩体节理、裂隙较发育，掌子面局部较破碎，有裂隙水流出，受水流影响，施工过程中易掉块。

2、施工技术及工艺

2.1 技术总述

横洞转入正洞的施工过程中，正洞洞身范围拱顶开挖支护为重难点工序，当横洞施工至与正洞交界处时，由于交叉口应力集中，且正洞开挖断面较大，为确保挑顶段正洞施工安全，在交叉口设置加强环拱架，由2榀工18型钢架双拼并置组成。正洞拱顶找顶开挖采用过渡导坑，导坑垂直正洞中线呈上坡角度，自横洞逐步爬坡开挖至正洞拱顶位置，在正洞上台阶形成施工平台并支护，然后依次向大、小里程开挖5m并支护，扩大上台阶作业空间后，再由横洞交叉口逐步开挖开挖正洞下台阶并支护，在正洞大、小里程分别形成台阶后进入正常的开挖支护工序。待工序正常后，于正洞小里程方向预留二衬台车拼装场地，及时拼装台车施工交叉口段的衬砌。

2.2 工艺流程

施工准备→横洞开挖支护→横洞交叉口段衬砌施工→导洞挑顶开挖→正洞上、下台阶扩挖支护→正洞二衬施工。

2.3 具体施工方法

2.3.1开挖支护参数

横洞与正洞交叉口段设计为Ⅳ级围岩，施工采用台阶法开挖，设置工18型钢钢架进行支护，每榀间距1m，设置段落为正洞交叉口DK377+100两侧25m范围。

2.3.2交叉口加强环施做

受交叉口影响，正洞正对横洞的位置初期支护较弱，需在横洞洞口设置加强环，以确保正洞初期支护拱架支立稳固。加强环采用1榀双拼工18钢架，设置在横洞与正洞交界的HDK0+004.1处。在拱脚处设置φ42的锁脚锚管，单根长度3.5m，每处设4根，每根与水平呈45°打设并充分注浆。

在加强环拱架上缘沿横洞中心位置对称焊接正洞拱架支撑平台，平台采用16mm厚钢板、工18工字钢焊接成而成，正洞拱架与支撑平台采用螺栓固定。

整个挑顶施工过程中的风险因素主要来自横洞加强环施工质量，加强环拱架的焊接质量、安装质量、锁脚锚管的稳固以及加强环上设置的正洞拱架支撑平台与加强环拱架的焊接质量都十分关键。现场施工时，需严格要求，安排专人盯控该段支护的施工，确保质量满足要求。

2.3.3正洞挑顶开挖支护

横洞与正洞交界处DK377+096～DK377+104范围的正洞初支拱架左侧与横洞口加强环相连，右侧按设计位置支立，其余范围内的拱架均正常设置，拱架间距1m/榀。交叉口处正洞拱架结构图示意如下：

正洞挑顶采取钻爆法开挖，短进尺、弱爆破，每循环进尺1m，严格按照“一炮一支护”的要求及时施做初期支护或临时支护。正洞挑顶共分五个阶段：

（1）第一阶段

挑顶开挖采用导洞由横洞向正洞垂直爬升开挖出正洞上台阶开挖轮廓，形成上台阶操作平台。导洞为宽4m、高5m的矩形洞，沿正洞轮廓线逐步抬高至拱顶，抬高角度约40°，开挖形成施工平台。开挖范围为DK377+100向正线大小里程方向各2m的范围。

导洞的临时支护采用工16型钢做成矩形棚架，间距1m设置一环，采用Φ22锁脚锚杆，拱架环向设置Φ22纵向连接钢筋，钢筋环向间距1m一道，拱部挂设Φ6钢筋网片，在每榀拱架顶部设置3根长3m砂浆锚杆，形成临时支护体系，在钢架间设置15cm厚C25喷射混凝土，棚架高H根据导洞不同位置进行调整，保证导洞拱顶开挖高度在正洞开挖轮廓线外20cm，以保证正洞拱架安装净空，确保导洞临时初期支护横梁位于正洞初期支护钢架之上，作为正洞上台阶Ⅰ18拱架纵向连接筋使用。

正洞上台阶正洞开挖支护示意图

（2）第二阶段

导洞范围开挖支护完成后，在导洞棚架内侧安装正洞4m范围内的型钢拱架，并将拱架左侧与加强环的支撑平台连接稳固。同时将导洞棚架顶横梁作为正洞拱架的纵向连接筋，与安装完成的正洞拱架与焊接连接，使正洞上台阶初期支护形成稳定结构。

导洞范围内的正洞拱架施工完成后，利用机械配合人工，从导洞内侧向外侧依次拆除临时棚架的竖撑，以便后续正洞施工。

待导洞临时竖撑拆除完毕后，先开挖小里程方向正洞上台阶范围，再开挖大里程方向正洞上台阶范围，向正洞进出口方向分别开挖时，严禁两端同时掘进施工。两侧上台阶掌子面分别开挖至DK377+090、DK377+110处，并及时施做上台阶初期支护。

横洞洞身正对范围采用渐变钢拱架，每榀拱架均與横洞交叉口加强环拱架上设置的支撑平台连接稳固，其余地段按设计图采用标准钢拱架。

同时将正洞交叉口两侧10m范围的纵向连接筋改为工16型钢以加强该段的支护。

正洞挑顶渐变段上台阶支护措施示意图

（3）第三阶段

正洞交叉口段25m范围内上台阶开挖支护完成后暂停掌子面施工，转入正洞大小里程下台阶的开挖支护施工。

（4）第四阶段

下台阶开挖完成后正洞大小里程方向分别形成台阶后，按正常工艺组织施工，并及时开挖仰拱，以便下一步尽快施做交叉口段二衬。

（5）第五阶段

在正洞交叉口段仰拱开挖支护完成后，拼装仰拱栈桥。

利用轻便弧形模板及时施做正洞交叉口第一板DK377+094～DK377+106段仰拱及填充。待填充施做距离满足各类台架、二襯台车拼装时，暂停该侧掌子面开挖，转向另一侧侧开挖。

2.3.4交叉口处横洞二衬施工

在正洞挑顶前完成交叉口段横洞范围内所有的二衬施工，待混凝土达到设计强度后拆模，形成对交叉口处围岩受力的有效支护。

由于横洞口处衬砌受挑顶爆破施工影响较大，于衬砌前端端头挂设炮被进行遮挡，炮被可由废旧橡胶轮胎编织而成。

2.5.4交叉口处正洞二衬施工

当二衬台车在正洞预留的场地内拼装完成并经验收后，施工DK377+094～DK377+106处第一板二衬。

正洞二衬施工时，在横洞混凝土与正洞就位的台车模板间设置堵头，封堵缝隙。同时台车正对横洞口处3m长、3m高范围的边墙模板暂不安装，混凝土输送泵设置于横洞处，通过预留孔洞将泵送管连接至台车上，人员及小型机具通过预留孔洞进入正洞进行混凝土施工。待二衬混凝土强度达到设计强度后，从横洞位置将孔洞处模板拼装就位后，将台车移出交叉口。

2.5.5交叉口处排水措施

横洞作为排水通道，洞身的一侧设置有排水沟，施工正洞时在仰拱填充内设置钢筋混凝土圆管将正洞中心水沟内流水引入横洞排水沟;正洞其余散水通过填充面上设置的临时流水槽引至横洞排水沟内。

3、监控量测措施

在横洞转入正洞期间继续开展监控量测，作为工序管理，通过量测数据判别围岩稳定性，以保证交叉口段在施工期间的安全。

在横洞加强环钢架处和其大里程侧后2榀钢处各设置一环量测测点，每环边墙处设一条测线，拱顶设一个测点。

在导洞及挑顶成型后的正洞位置，对每一台阶设置一条测线，拱顶设置一个测点，用以检测围岩收敛和拱顶下沉情况。

净空变化、拱顶下沉均采用全站仪按非接触法进行观测，施工过程中注意对测点的保护，以确保量测精度和准确度。

在挑顶施工期间，量测频率按3次/d进行，时间间隔8小时。挑顶施工完成后，恢复至标准的量测频率。

4、超前地质预报措施

挑顶施工期间，加强超前地质预报探测，以地质调查法为基础，以钻探为主、物探为辅进行综合地质预报。

4.1 钻探

4.1.1横洞与正洞交叉处加深炮孔

当掌子面里程开挖至横洞与正洞交界处时，施做5孔加深炮孔，外插角按3°控制，5孔分别按拱顶1孔、左右拱腰各1孔，左右拱脚各1孔布置。

4.1.2洞身范围径向探孔

同时在横洞两侧边墙上各设置1处5m长的探孔，进一步探测交叉口范围的围岩情况。

4.1.3导洞开挖过程加深炮孔

在导洞开挖过程中，每一开挖循环均需钻设加深炮孔，外插角按3°控制，加深炮孔按3孔施工，分别在拱顶中部开挖轮廓线及左右边墙中部开挖轮廓线上钻设。

4.1.4进入正洞后的加深炮孔

当进入正洞台阶法开挖时，加深炮孔按5孔施工，外插角按3°控制，5孔分别按拱顶1孔、左右拱腰各1孔，左右拱脚各1孔布置。

4.2超前钻孔

超前钻孔采用回转取芯钻，钻孔带取芯，提高预报准确率。在交接里程HDK0+004.1处进行超前钻孔取芯，分别向正洞大小里程方向、正洞拱顶方向、正洞洞身正对方向设置4个取芯孔，长度按穿过正洞洞身范围5m控制，进一步探测挑顶范围围岩情况及地下水赋存情况。具体探孔布置如下：

4.2 物探

4.2.1地质雷达

在横洞与正洞交界面处分别面向大小里程各呈45度施做地质雷达，对交叉口范围及正洞大小里程一定范围的围岩进行探测。

4.2.2地震反射波法（TSP）

在挑顶施工完成后，当正洞大、小里程两处掌子面间距离达到60m，满足TSP探测作业时，分别对正洞大、小里程进行探测。

结论

隧道由横洞进入正洞过程中，由于挑顶开挖断面大，工序转换多，安全风险高。在隧道断面转换施工时采取小断面导洞过渡的方法，不仅保证了现场施工安全，而且能够快速形成进、出口方向上台阶正常的施工。施工中应加强围岩量测，并严格按照“短进尺、强支护、早封闭、勤量测、早成环、仰拱紧跟”的原则，合理选择支护参数，以确保优质高效的完成挑顶。

参考文献

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