第三系泥岩地层斜井支洞进入主洞安全施工技术

孙 军

(中铁十四局集团第三工程有限公司，山东 济南 272100)

1 工程概况

1.1 工程简介

新疆某输水隧洞工程I标，工程范围包括5 200 m主洞和Z1#斜井支洞的开挖、支护、衬砌及附属施工。隧洞分别自主洞进口和Zl#斜井支洞进入主洞施工，施工区域地质情况复杂，伴随突泥、涌水、围岩变形、塌方等地质灾害，施工难度较大。隧洞设计断面为同心平底圆形。V级围岩地段隧洞开挖宽度和高度均为6.7 m，净空宽度5.3 m，高度5.15 m。隧洞输水流量70 m3/s，隧洞纵坡为1.7‰，主洞进口采用无轨运输。

Z1#斜井位于恰奇沟内，全长458 m，设计纵坡41.35%，衬砌为马蹄形断面，净空洞径5 m。自Z1支洞K0+416.25开始设置26 m近平坡段，采用3 m(渐变段)+19 m(扩宽段)+4 m(渐变段)+衔接段与主洞实现交叉。主支洞贯通形式为斜交，主支洞交叉段主洞轴线方向长11.47 m，支洞轴线长5.30 m。主支洞交叉段隧洞埋深约250 m。

由于支洞与主洞交叉段属于典型的三维复杂受力结构，施工难度大，风险程度高[1-3]，而且主洞与支洞斜井交叉段地层为埋深较大的泥质软岩，容易产生大变形，变形不易控制[4]，因而交叉段施工必须采取相应的合理技术措施，以保证交叉段隧洞施工安全。

1.2 地质情况

Z1#支洞进口位于恰奇沟右岸，恰奇沟内常年有水流不断。支洞进入正洞交叉段附近地层主要为第四系上更新统～全新统风积层、上更新统冲积层、第三系中新统～上新统。各地层主要岩性及特征从上而下分述如下：

第四系上更新统～全新统风积层，岩性为风积黄土，浅黄色，干，土质较均一，层厚17～70 m。

第四系上更新统冲积砂卵砾石，灰色，稍湿～湿，结构中密～密实。卵砾石含量约60%～70%，磨圆度较差，呈次棱角～次圆状，主要成分为凝灰质砂岩等；泥质含量较大，层厚10～15 m。

第三系中新统～上新统，岩性为砖红色、黄褐色砂质泥岩、泥岩，厚层或块状，围岩稳定性较差。支洞附近第三系中新统～上新统(N1+2)地层主要为单斜构造，地层倾角多小于10°，多为厚层、巨厚层构造。支洞范围主要为内陆湖相红色碎屑岩构造，岩性主要为泥岩、砂质泥岩，为V级围岩。

2 关键施工技术

2.1 总体施工方案

靠近主洞处，为满足支洞渣土及材料倒运和设置储水池的需求，需要设置城门洞形断面的扩宽段，扩宽段长19 m，净空尺寸为8.5 m(宽)×5.1 m(高)。为此，支洞斜井从K0+416.25开始经过3 m渐变段由马蹄形一般断面渐变为城门洞型的扩宽段断面，然后再通过4 m长的渐变段将断面净宽从8.5 m过渡到5.3 m。主洞与支洞相交叉区域分为主洞区域交叉段和支洞区域交叉段，并在支洞进入主洞马头门处设置加强环，如图1所示。

在斜井支洞扩宽施工至里程K0+438.25时，开始施工4 m长的渐变段，然后施工支洞区域交叉段和支洞马头门加强环，最后通过小导洞爬坡进入主洞，完成主洞区域交叉段施工。在主洞区域交叉段两侧各设置18 m城门洞形断面，城门洞形断面两侧各设置9 m的过渡段，将城门洞形断面过渡到近圆形的马蹄形断面。城门洞形过水净断面尺寸为5.30 m(宽)×5.55 m(高)。

图1 支洞进入主洞交叉区域分区(单位：cm)

由于支洞和主洞交叉施工属于典型的三维受力结构，受力复杂且受力过程不断转换，为此采取“短进尺、强支护、勤量测、紧封闭”的施工原则，稳扎稳打，每开挖一步，立刻施作本部初期支护，控制围岩变形，保证交叉段施工安全。

2.2 斜井支洞渐变段施工

斜井支洞渐变段为K0+438.25～K0+442.25，共4 m，采用台阶法开挖。初期支护参数为： 湿喷C25聚酯纤维混凝土层厚25 cm；钢筋网网格尺寸20 cm×20 cm，钢筋直径∅8 mm；HW150钢架间距0.5 m，全环设置；拱墙系统锚杆采用∅25 mm中空注浆锚杆长3.5 m，间距1.25 m×1.25 m。

2.3 支洞区域交叉段施工

当支洞渐变段施工完成后，采用台阶法施工支洞区域交叉段，此段共架立7榀HW200钢拱架，右侧间距23 cm，左侧间距110 cm，相邻钢架之间采用∅25 mm螺纹钢连接，环向间距1 m。挂∅8 mm钢筋网，分2～3次喷C25纤维混凝土至设计厚度25 cm。在钢架接头处两侧各打设2根∅63 mm的注浆锁脚锚管，长3.5 m。拱部及边墙打设∅25 mm中空注浆系统锚杆，锚杆长度5 m，间排距1 m，起始断面(D-D剖面)如图2所示。

图2 支洞区域交叉段起始断面支护(单位：cm)

2.4 支洞进入主洞施工

2.4.1 加强环施工

支洞区域交叉段开挖至主洞右侧边界时，喷3～5 cm混凝土层封闭开挖面，施作支洞进入主洞马头门加强环。在斜井支洞靠近正洞的3 m范围内施作HW200纵向托梁。为确保扩顶段正洞施工安全，挑挖支洞斜井与正洞相交面处拱部，开挖出工作空间后，与正洞交叉口处连续架立3榀HW200型钢加强环。加强环外侧增设HW200立柱，形成门型钢架，如图3所示。门型钢架横梁与支洞拱架设置立柱竖撑，并将竖撑与横梁及支洞拱架焊接在一起。竖撑之间采用间距1 m的∅25 mm钢筋进行纵向连接，将钢架形成空间三维整体结构，增加其整体稳定性和整体刚度，从而增强其抗变形能力，保证相交地段三维结构的安全、稳定。竖撑间距0.5 m与主洞支护拱架间距及位置相对应，竖撑之间喷C25纤维混凝土，厚度25 cm。

图3 斜井支洞交叉口加强环立面(单位：cm)

2.4.2 小导洞施工

根据支洞与主洞拱顶之间的高差，从交叉口支洞加强环断面采用爬坡小导洞进入主洞。将拱顶抬高加大仰角打设∅63 mm小导管，小导管间距30 cm，长度4.5 m，紧贴加强环框架顶部横梁斜向上打设，倾角22～25°。小导洞断面底部宽4.5 m，顶部宽2.5 m，起始断面高度3.5 m，挑高后最大高度4.2 m(图3)。小导洞爬坡至正洞中线位置处改为平坡，然后平坡向前开挖至主洞左侧上台阶拱脚位置处，及时施作小导洞型钢拱架临时支护。

小导洞采用人工手持风镐预留核心土方式开挖。在小导洞开挖过程中，导洞拱顶120°范围内施作长4 m的∅63 mm自进式超前小导管，环向间距30 cm，防止开挖导洞时顶部坍塌。小导洞采用HW150型临时钢拱架支护，间距0.5 m，每处拱脚打设4根∅28 mm锁脚锚杆，为支护钢架提供牢固支撑，保证钢架有效承载。小导洞底部则设置横向支撑与导洞钢架连为一体，构成临时闭合环。挂设∅8 mm钢筋网片，网格间距20 cm×20 cm；打设∅25 mm系统锚杆长3.5 m，间排距1.0 m×1.0 m，梅花型布置；喷射20 cm厚C25合成纤维混凝土。

施工中，导洞临时支护体系中的顶部钢架横梁位于正洞初期支护之外，后期施作正洞初期支护时不再取出，所以小导洞拱顶要高出正洞原设计开挖线50 cm，以满足临时支护、钢纤维喷护混凝土加固和预留15 cm变形量需要，保证正洞初期支护的空间。小导洞第1榀钢架与支洞加强环之间采用12#角钢纵向斜撑进行牢固焊接，保证小导洞安全稳定。支洞挑顶施工小导洞纵剖面如图4所示。

图4 小导洞施工进入主洞施工侧面(单位：cm)

2.4.3 主洞施工

小导洞内开挖并完成临时支护后，架设输水主洞上台阶的HW200型钢拱架，钢拱架间距50 cm，钢架之间采用12#角钢连接，环向间距1.2 m，角钢与钢架之间要焊接牢固。钢拱架右侧落脚于支洞平交口加强环横梁上，左侧拱脚下部垫0.3 m×0.5 m钢板。主洞钢拱架与加强横梁焊接牢固，每个拱脚打设4根∅63 mm注浆锁脚锚管；喷射C25合成纤维混凝土封闭，注意主洞钢拱架顶面与小导洞顶部之间的空隙要填充密实，厚度25 cm。

小导洞范围主洞拱架安装完成后，并在喷射混凝土达到设计要求强度后，在主洞拱顶160°范围内施作长4.5 m的∅63 mm自进式超前注浆管棚，仰角5～10°，环向间距30 cm。拆除主洞上游小导洞竖向临时支护，向主洞上游施工直至里程K4+379.829并采用喷混凝土封闭主洞上台阶开挖面，然后拆除小导洞下游竖向临时支护，向主洞下游施工直至里程K4+391.299，完成主洞区域交叉段上台阶开挖与支护。主洞区域交叉段上台阶每次开挖长度为1榀钢架间距，即0.5 m。每次开挖后均要立即架设HW200钢拱架，钢架之间采用12#角钢连接形成空间三维结构，环向间距1.2 m；挂∅8 mm钢筋网，网格尺寸20 cm×20 cm，分2～3次喷C25混凝土，层厚25 cm；打设拱墙∅25 mm中空注浆系统锚杆，锚杆长3.5 m，间排距1 m×1 m，梅花型布置。

待主洞区域交叉段上台阶喷混凝土达到设计要求强度后，进行下台阶及仰拱部分围岩开挖与支护。下台阶每榀钢架墙脚打设4根∅63 mm注浆锁脚锚管以稳固支撑钢架，仰拱钢架左端部通过节点板与左侧竖直钢架用高强螺栓连接牢靠，右端部则与支洞加强环底横梁连接，及时喷射C25混凝土至设计厚度25 cm，从而形成封闭支护结构。最后进行主洞及斜井衬砌锁口混凝土施工，确保交叉段安全稳定。

3 拱顶沉降监测

输水隧洞Z1支洞斜井进入主洞后要开辟上下游两个工作面，与主洞相连的交叉段，在施工期长时间作为出渣进料的施工通道，交叉段主洞和支洞的开挖断面均较大，且围岩为埋深较大的泥岩地层。交叉段结构受力复杂，支护结构位移大，支护结构容易出现破坏，影响隧洞施工安全，因而需要进行施工过程中的位移监测，以了解围岩稳定状态。在斜井进入主洞施工时，在主洞拱顶埋置了监测点，进行拱顶下沉位移监测，以便根据监测结果对支护参数进行必要调整。主洞典型拱顶沉降曲线见图5(K4+386)。从图5中可看出沉降曲线受开挖工序影响明显，在交叉段支护封闭之后隧洞是稳定的，最大拱顶沉降也只有43.3 mm。由此可知，采用强支护实现了对主支洞交叉段变形的有效控制，保证了交叉段施工安全，因而支洞斜井与主洞交叉施工技术是安全可靠的。

图5 主洞拱顶沉降曲线

4 结束语

在斜井支洞与正洞交叉处将原近圆形断面渐变为城门洞形，有利于简化施工和保证施工安全。通过在支洞交叉口部设置加强环承受上部地层应力，小导洞挑顶爬升至正洞拱部进行施工，将主洞钢拱架一侧支撑在加强环横梁上，保证支护结构安全。交叉段的施工实践表明，第三系泥岩地质条件下采取的隧洞支洞与主洞交叉段部位的施工技术是有效的，这种方法能在短时间内获得足够的空间进行正洞施工，既保证了在复杂应力下软弱围岩的稳定，又加快了施工进度，各项工艺施工技术可行，可为今后类似工程提供可借鉴经验。