横洞爬坡法在铁路隧道施工中的应用

赵景宇

(中铁十九局集团第三工程有限公司， 辽宁 沈阳 110136)

1 工程概况

某隧道位于甘肃省庆阳市西峰区彭原乡，行走于黄土梁塬沟壑区。地面高程1 270～1 430 m，相对高差越160 m，南侧塬面缓平，北侧冲沟发育，多为“V”型沟，隧道西安端洞口位于庆阳市西峰区彭原乡李寺村塬面，交通便利；银川端洞口位于驿马沟右岸黄土梁斜坡上，车辆可至塬边，交通较为便利。隧道起讫里程：DK254+200～DK259+006.36，全长4 806.36。隧道内纵坡依次为22.5‰、25‰的单面下坡；整座隧道左线位于R-7000m的曲线上，右线位于R-6995m的曲线上。

隧道增设横洞位于线路右侧，洞身穿越第四系中更新统风积黏质黄土(Q2eol3),横洞进口处有一浅层黄土滑坡体存在。横洞长340 m，与正洞交点里程DK257+400,井底高程1 319.2918 m，平面夹角为83°5′44″，纵坡为向洞外9%(85 m)，1%(255 m)的下坡，采用双车道无轨横洞，按临时工程设计。

线路经过的地层为第四系中更新统风积黄土(Q2eol3)。

工点区地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水，第四系松散层孔隙潜水主要分布于黄土塬上部，含水层主要为中更新统黏质黄土，工点处地下水水位约为75 m。横洞洞身位于地下水位以下，施工掘进中局部出现渗、滴水现象，地下水对隧道施工有一定影响。

2 施工方案

2.1 总体方案

2.1.1 工程特点

横洞洞身穿越第四系中更新统风积黏质软塑黄土，横洞拱顶距离软塑层4.5～6.5 m，垂直节理发育，水敏性强，含水率高。开挖后掌子面稳定性极差，极易发生变形、坍塌，施工难度大，安全风险高。横洞与隧道正洞交叉处跨度较大，处于复杂的三维受力状态[1]，正洞初期支护必须坐落于严格牢固的落脚平台。

2.1.2 工程难点

(1)洞身开挖后，洞室周围土体处于临空状态，地下水力坡度发生变化，在动、静水压力作用下,土体结构极易受到破坏，强度急剧降低，发生变形、破坏，掌子面稳定性极差，在拱顶易发生塌方及变形，边墙易发生滑动，墙脚流土(泥)等破坏现象[2]。

(2)软塑状黄土，锚管作用效果差，拱脚稳定性不易控制，支护结构整体沉降大。如何预防支护结构的整体下沉、控制围岩稳定是施工的关键。

(3)针对软塑黄土地层，如何制定排水方案降低土体含水率，改善物理力学性能，同时优化工序工法，加强机械配套以达到及早封闭、安全快速施工的目的是方案制定的关键。

(4)双车道横洞断面大，交叉口处为受力集中点，横梁跨度大，集中受力为薄弱点。

2.1.3 总体施工方法

横洞与正洞交叉口结构特殊，在横洞接近正洞时，横洞断面双车道长度10 m。在正洞与横洞相交处，正洞采用小导洞法开挖[3]。导洞由横洞开始斜向上爬坡开挖达到正洞拱顶高程，再下坡开挖至正洞外侧上台阶拱脚，然后在小导洞范围内施工正洞上台阶初期支护，完成工序转换后，按标准的正洞断面进行正洞开挖。

2.2 施工工艺流程

施工工艺流程，见图1。

图1 施工工艺流程

2.3 分步施工方案

2.3.1 横洞施做大管棚

具体措施如下：拱部180°范围施做Φ108大管棚+Φ42小导管进行超前支护并预注浆，采用台阶法设临时横撑(I18钢架)辅助施工。全断面设I25a型钢钢架，间距0.5 m/榀，喷射混凝土标号提高至C30，厚度28 cm[4]。

2.3.2 门梁架设施工

根据门梁受力计算，横梁越短受力越小，则变形量越小，同时为避免横梁范围内的焊接接头，保证横梁一次性安装到位。为尽可能缩短门梁跨径，施工时门梁立柱置于初支内，安装位置位于横洞初期支护两榀钢拱架之间，最终确定的门梁跨径为11.21 m。门梁与横洞最后一循环初支拱架同时安装，采用两台阶安装，初期支护下台阶接长时同时接长门梁立柱，立柱坐落于条形基础之上。在横洞左右两侧边墙脚处浇筑1.0 m×0.76 m×0.6 m的C25混凝土条形基础，并预埋尺寸为65 cm×40 cm×15 mm的钢板，钢板底部设置4根Ф22锚筋(带弯钩)，长度45 cm/根。条形基础强度达标后，安装门梁竖腿，长度7.78 m，上部与横梁预留连接板螺栓连接，下部与条形基础预埋钢板焊接牢固，条形基础与横洞仰拱浇筑为整体。交叉口处最终受力结构详见图2。

图2 横洞与正洞交叉口处受力结构图

2.3.3 横洞向主洞管棚施工

交叉口处受力形式比较复杂，且工字钢门梁至第1榀小导洞钢架之间的高差为1.03 m，爬坡难度比较大，围岩易失稳。为保证安全，自横洞H3+28.24处向4 m宽小导洞门架范围内施工超前大管棚以保证安全，采用Φ108超前大管棚，施工角度为上仰33°，长度7.0 m/根，环向间距0.5 m，施工7根，管棚内注双液浆加固。

大管棚施工采用管棚钻机，在横洞上台阶完成下台阶落底前施工，将上台阶作为钻机平台，横洞初期支护钢拱架作为管棚支撑点。

2.3.4 小导洞爬坡施工

小导洞爬坡开挖支护采用I20a型钢钢架支护，净宽4 m，高度随爬坡施工相应调整。钢架间距0.6 m/榀，两侧拱架各设置2根Φ89锁脚锚管，长度L=4.0 m，每循环开挖完成后对所有暴露的围岩采用C25喷射混凝土封闭，厚度25 cm。小导洞开挖预留变形量为40 cm。

2.3.5 正洞上台阶钢拱架安装

23榀小导洞门架全部施工完成后，小导洞由右侧边墙爬坡施工至左侧边墙，正洞上台阶作业面全部形成，此时按照正洞初期支护设计参数进行上台阶拱架安装，此处正洞初期支护钢拱架安装前需要将横洞洞内衬砌全部施工完成。上台阶拱架采用I25a型钢钢架，间距0.5 m，钢架采用异型结构。

正洞右侧拱脚置于横洞门梁上，并与门梁采用焊接连接牢固；左侧拱脚置于围岩上，采用扩大拱脚的方式避免拱部沉降，同时拱脚设置4根Φ108锁脚锚管加固，长度L=6.0 m，安装角度斜向下45°。

3 施工中注意事项

横洞与正洞形成的喇叭口，由于开挖断面大，作为施工通道放置时间长，围岩在应力重分布和应力释放的过程中，会引起支护结构产生位移、变形，直至支护结构破坏，危及隧道安全，因此在施工中建立严密的监控量测是保证安全的主要手段，同时也是调整支护参数的信息来源。

在挑顶施工期间，监控量测布点严格按照规范要求进行布设，同时量测频率由每天1次加密至2～4次(视变形情况而定)，将各监控量测的预警级别全部提高一级，并每周组织专题会分析沉降变形情况，分析主要内容如下：在取得围岩监控量测数据后，及时整理分析数据。结合围岩、支护受力及变形情况，进行分析判断，将实测值与允许值进行比较，及时绘制各种变形或应力～时间关系曲线，预测变形发展趋向及围岩和隧道结构的安全状况，并将结果反馈给设计、监理，从而实现动态设计、动态施工。

(1)若时间—位移曲线出现反常，表明围岩和支护已呈不稳定状态，应加强支护，必要时暂停开挖并进行施工处理。

(2)当时间—位移曲线趋于平缓时，可进行数据处理或回归分析，从而推算最终位移值和掌握位移变化规律。

(3)当各量测项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定后，可进行二次衬砌的施作。

4 小结

本文通过对横洞贯穿主洞时开挖施工、大管棚、门架安设施工时的方法及注意事项的研究，得出了以下结论：在开挖时，特别是软弱围岩地区要遵循短进尺、快支护的原则，开挖面不能暴露时间过长；精确控制大管棚安装角度，确保管棚不侵入初期支护限界；严格按设计图制作安装钢拱架。