大断面黄土隧道斜井与主洞交叉施工技术

李代群 中咨华科交通建设技术有限公司

1.工程概况

刘家塬隧道为曲线形双向六车道分离式黄土隧道，左线施工里程ZK63+440～ZK64+995，共1555m；右线施工里程YK62+750～YK64+055共1305m，合计共2860m。隧道左右洞间距约为170m；左线最大埋深约115m，右线最大埋深约124m。隧道内衬砌轮廓线宽15.53m，高8.02m，采用复合式衬砌结构，设计时速100km/h，建筑限界净宽14.5m，净高5m。

洞室围岩为中更新统离石黄土，结构致密，含少量钙质结核，夹谷土壤层，呈大块状压密结构。岩土体波速Vp=1.1～1.3km/s，围岩稳定性差，洞室开挖洞顶极易坍塌，处理不当会出现大的坍塌，侧壁经常出现小坍塌。开挖过程中可出现滴水、渗水现象。

左线斜井设置在左线右侧ZK64+175处，右线斜井设置在右线左侧YK63+380处，均为无轨双车道斜井。YK63+380处斜井的长度为96m，纵坡6.51%，与主洞交角67°，斜井进口高程1160.4m，与主洞交接处高程1154.15，距离右线进口547m。ZK64+175处斜井的长度为106.3m，纵坡-5.767%，距离左线出口820m，进口设计高为1159.42，井底的设计高为1153.29。斜井建筑限界系数指标为7×5m。

2.常规隧道挑顶施工

挑顶施工是隧道斜井进入主洞最常用的施工方式[1-2]，主要施工方法是：当斜井施工至与主洞交界处后（与主洞设计二次衬砌最大跨度相交时），停止斜井掌子面施工，即时完成斜井加强段衬砌（一般为主洞交叉至斜井10～20m范围内）并在与主洞交界处设置双层门子型钢拱架，作为交叉口处主洞初期支护的钢拱架落脚点；然后采用小导洞进行挑顶施工(小导洞一般采用门子型拱架作为临时支护，小导洞临时支护顶部略高于主洞初期支护)，直至主洞起拱线位置，再在小导洞内施作主洞初期支护(主洞初期支护拱架靠近斜井一端与斜井主洞交叉处的门子型拱架连接)，完成小导洞位置主洞初支并稳定后，拆除小导洞主洞方向一侧竖向临时支撑，根据实际地质情况采用预留核心土法或单侧壁导坑法进行隧道主洞的施工，当隧道主洞上导开挖到一定长度后，进行下导及仰拱施工，使主洞钢拱架封闭成环，完成挑顶施工。该方法具有施工速度较快，临时支护等额外工程量小，施工成本低、斜井利用率高(挑顶施工完成后，即可形成两个工作面)等优点。

但是挑顶施工时斜井交叉口的主洞一侧凌空，主线隧道拱顶的岩体的压力通过斜井口的初期支护传递到斜井的墙身，同时主洞与斜井交叉处围岩处于空间三维受力状态，受力情况复杂，对围岩等级要求较高。软弱围岩采用这种方法施工时，对支护强度要求大大提高，导致主洞横向挑顶开挖支护难度极大，且由于挑顶过程中工作空间狭小，无法采用机械进行开挖，只能进行人工开挖，即使发生小面积的掉块或者坍塌也容易造成人员伤亡，大大增加了施工难度和安全风险。开挖支护不当围岩极易造成变形下沉甚至塌方，发生重大安全质量事故，且挑顶完成后，交叉口段主洞二次衬砌短时间内无法施工，所以该方案用于本隧道时施工难度和安全风险都将大大提高。

3.斜井斜交进洞渐变扩挖

针对本隧道围岩等级低，断面大，易坍塌等特点，如何解决斜井进洞过程中的应力集中、凌空面过大、施工空间狭小、交叉处围岩受力状态复杂等问题，成为最大的难题。采用斜井进洞转向至主洞断面后，渐变扩挖的施工方法很好地解决了这些难题，当斜井施工至主洞交界处后，不进行挑顶施工，而是以曲线形式转体进入主洞(斜井断面及尺寸均不变)，待斜井断面与主洞断面平行后，显喇叭口形式逐步扩挖至主洞标准断面，形成新的工作面。斜井进入主洞后以曲线形式转向至与主洞断面平行，然后渐变扩挖的施工方法相当于一个独立的曲线小断面隧道，受力情况和普通的小断面隧道受力状况相似，避免了应力集中和斜井与主洞交叉处围岩空间三维受力的复杂状态，而且斜井断面向隧道主洞断面的过渡采用喇叭口渐变的方式施工，有利于隧道围岩的稳定，对隧道围岩的等级要求大大降低，非常适合软弱围岩斜井进洞的施工。

3.1 主要施工方法及施工工艺

（1）斜井施工至主洞位置后，以曲线形式进入主洞。

（2）斜井掌子面施工至与主洞断面平行后，采用喇叭口扩挖方式逐渐扩挖至主洞断面（扩挖段长度根据实际围岩情况确定），并施作临时仰拱。

（3）扩挖完成形成新的工作面，进行主洞施工作业直至主洞贯通。

（4）主洞贯通后，为保证扩挖段及主洞范围内斜井换拱施工及后期运营安全对扩挖段及斜井进行回填。

（5）逐榀拆除扩挖段及主洞范围内斜井的临时支护并逐榀施工主洞初期支护至隧道贯通。

3.2 施工注意事项

（1）施工中加强围岩量测，根据围岩量测结果及时反馈支护信息，确保支护措施安全合理。

（2）斜井进入主洞时，在满足行车要求条件下，尽量采取直交进洞，以减短斜井与主线交叉面长度，降低后期换拱处理难度。

（3）由于喇叭口扩挖段钢拱架的支护方向与围岩压力方向不是垂直受力关系，喇叭口段扩挖角度越大，围岩压力方向与钢拱架交角越大，侧向推力越大，拱架受力越差，支护强度要求越高，围岩变形越难控制，施工难度和施工成本也越高；扩挖角度越小，扩挖段越长，隧道贯通后回填和换拱工程数量越大，所以应根据实际地质情况合理设置喇叭口扩挖段的扩挖角度，保证方案经济性和合理性。

（4）斜井进入主洞，经转向与主洞方向一致后，综合考虑支护情况，靠近主洞一侧初期支护参数可按照主洞初期支护施工，以减少后期换拱工程数量，降低施工成本。

（5）对扩挖段及斜井进行回填时，为防止斜井换拱时扩挖段及主洞范围内围岩应力改变导致主洞与斜井交叉处斜井初支变形或者垮塌，以及减少后期主洞范围外废弃斜井后期变形或垮塌对主洞造成影响，主洞与斜井交叉面以外8m范围内宜采用片石混凝土回填或浆砌片石砌筑，扩挖段及其余部分可采用素土或洞渣回填。

3.3 存在问题

（1）该方法施工进入只能形成一个工作面，不利于快速展开施工，如需增设工作面，需在导洞进入主洞前增设支导洞，以同样方式进洞。

（2）进入主洞后斜井转向施工及喇叭口扩挖段落临时支护与挑顶施工相比均属于附加工程，且主洞贯通后均需拆除，施工成本较挑顶施工有所增加。

（3）主洞贯通后，需对斜井和扩挖段进行回填，并对喇叭口及主洞范围内斜井段落进行扩挖换拱处理，较挑顶施工后期处理施工难度和施工成本都有所增加。

（4）该方案由于施工周期和施工成本比传统的挑顶施工都有所增加，对于围岩较好或断面较小的隧道并不适用，所以仅适用于围岩较差不适合挑顶施工的隧道。

4.结束语

大断面黄土隧道，土质疏松、围岩软弱、含水量大，在施工中容易发生变形及坍塌，增设斜井时如采取常规的挑顶施工，支护强度要求高，施工难度大，且安全风险难以控制，采取斜井进洞后转向渐变扩挖的进洞方式，避免了软弱围岩地段挑顶施工难度大，质量安全隐患多，开挖支护不当围岩很容易下沉变形，甚至塌方发生重大质量安全事故的危险，虽然该方法较隧道挑顶施工成本及施工周期都略有增加，但其大大降低了软弱围岩地段斜井进入主洞的施工难度和安全风险，避免了大断面黄土隧道采用挑顶施工易导致变形或坍塌的情况，对软弱围岩斜井进洞施工具有极其重要的意义。