软弱围岩大断面隧道斜井进正洞挑顶施工技术的应用

张红亮

（中铁三局集团第二工程有限公司，河北 石家庄 050000）

地形地貌在隧道工程施工中是重要影响因素，在超长隧道施工中，通常会设置斜井结构保障工期。但斜井与正洞过渡段应力相对集中，因而需要结合隧道工程地质条件，科学设计施工方案及实施措施。斜井向正洞转入过程是施工重点，因围岩较为软弱，一旦处理不当可能导致初期支护出现大幅变形，易导致塌方事故[1-3]。为此，可采用垂直挑方式实施挑顶作业，但要严格控制软弱围岩区挑顶施工规范性，保障挑顶施工安全、高质、优质完成。

1 工程概况

某隧道工程施工中，在分修洞的同时合修出口，将斜井设置于左线D2K867+031线路前进方向的左侧区域，斜井平长为590 m，综合坡度为7.8%。左线大里程为1.799 km，而左线及右线小里程均为3.456 km。本工程斜井进正洞挑顶施工工期共计16 d，斜井施工、进正洞挑顶施工时间分为6 d与10 d。

2 软弱围岩大断面隧道斜井进正洞挑顶施工技术的应用要点

2.1 挑顶施工的前期准备

2.1.1 技术交底及现场勘查

斜井进正洞挑顶施工正式开始前，所有参建人员均要参与相关文件学习，了解技术要求，明确管理要点，与此同时，由建设单位牵头与设计、咨询、施工、监理各方共同进行现场会勘，结合所收集到的掌子面信息，根据超前地质预报情况合理判断围岩状况，通过五方会勘，动态确认施工现场的挑顶主动支护参数，并确定需要采用的超前加固措施。

2.1.2 挑顶设计方案优化

现场勘查结束后，各参建方共同分析探讨设计单位设计的挑顶加固方案，商讨结果是将6号斜井施工段的围岩保持在IV级，并应用全断面施工方式，利用IV级模筑带仰拱衬砌，并需在围岩一侧位置的钢架处设置拱墙，钢架内部设置全环，每两个钢架之间间距为1.2 m。拱部位置采用超前支护方式，选用Φ60 mm中管棚按照0.4 m的间距环向设置，各环中设置18根长度为9 m的钢架，钢架之间距离为6 m。此种挑顶设计方案与原有设计方案的区别在于设置了双排钢拱架，将原来的模筑底板设置为模筑仰拱。

2.1.3 二次交底与物资准备

挑顶加强措施确定后，还需优化施工方案，并由各参建方共同审查方案可行性，而后需通过施工动员会召开，确定各部门的挑顶施工职责，针对各个班组展开二交技术交底与培训。在此期间，还需要做好挑顶施工前的材料、设备等各顶准备工作。首先需要严格检查所有进场材料，审查其与挑顶施工要求的一致性，而后需根据挑顶施工方案加工钢架、锚杆等施工所需材料。同时，需要准备挖掘机、装载机、自卸车、凿岩台车等各类施工机械，并做好设备运行状况检查及保养，以便为挑顶施工中机械设备的正常运行提供保证。

2.1.4 超前地质预报实施

挑顶施工开始前，为保障辅助坑道挖掘施工的安全性，防止正洞交叉口施工时存在安全隐患，应于挑顶之前20 m处开展超前地质预报，地质预报所用设备应为地质雷达，并且需要采用超前水平钻孔技术挖掘深层炮孔，以便获取到精准的地质预报数据。与此同时，还需要加强斜井初期支护，做好测量准备工作，复测洞内控制点，精准计算挑顶处门架坐标，确定井底、正洞连接区等处拱架的三维座标，通过精准测量及数据复核，对挑顶施工的顺利推进提供支持。

2.2 挑顶施工总体方案

根据本工程的围岩情况，应选用垂直挑顶法实施斜井转正洞施工，斜井施工时以全断面开挖方法为主，开挖同时支护，距正洞10 m构筑爬坡道，以之作为交叉段正洞挑顶上台阶的平台，应采用钻爆施工方法。因斜井及正洞之间角度接近于直角，因而最后10榀钢架需要设置为平行于正洞纵向，由于左侧比右侧略大，需采用扇形支护方式，按照斜井方向搭建异形钢架，使之与斜井中线保持垂直，并与正洞中线平行过渡。挑顶施工开展前，需于交叉口处设置加强环，并利用长度为4 m的小导管，按照间隔3 m的距离做超前支护。通过棚洞向正洞转入，沿棚架爬坡抵达正洞拱顶处后，需沿平坡开挖方向，挖至正洞外围上台阶拱脚处，正洞上台阶时，需要做好初期支护。

2.3 挑顶施工的关键步骤

2.3.1 辅助坑道挑顶前10 m施工

辅助坑道拱顶挖掘时，应采用抬高挖掘法，挖掘的同时搭设双钢拱架，之后再实施仰拱初支封闭成环作业，最后进行浇筑施工。挖掘辅助坑道时，与正洞之间间距不足10 m情况下应加固后再开挖，且要支护各榀拱架，循环开挖进尺均应控制在3 m之内。斜井施工段施工时，为确保挑顶施工的安全推进，应将各次挖掘量控制为1榀，挑顶前需做好套拱施工，间距应控制在1.2 m之内，纵向链接钢筋之间的距离应以1 m为宜，且各榀拱架需设置4个锁架，长度均为3 m。根据挑顶施工强化措施设置的双拱架施工参数挖掘轮廓线，需要注意应做好变形量预留，不可低于7 cm。相较于斜井高度，正洞的拱顶要高出1.5 m左右，由于棚洞施工空间有限，大型机械作业较为困难，且门架高度较大、斜井二衬浇筑尺寸较厚，正油拱架栓会受到较大的作用力，因而需要抬高辅助坑道加强段10 m内的拱顶，抬高总幅度应为0.48 m，各个榀的钢架抬高幅度均为5.7 m。挖掘辅助坑道前，还需再次复核三维坐标数据，精准测量周边眼并做好放线，利用带颜色的漆做好标注，严格按照技术要求挖掘轮廓线。套拱后喷射混凝土以保护拱架，仰拱封闭浇筑作业后便可实施挑顶施工。辅助坑道挑顶前10 m施工图如图1所示。

图1 斜井进正洞示意图（单位：cm）

2.3.2 斜井与正洞交叉口加强段设计

初期支护斜井及正洞交叉段时，所应用的架为I16型号，设置间隔为1 m，采用Φ6 mm钢筋网片，之间网格长与宽均为0.25 m。支护时采用的锚杆有2种，分别为低预应力树脂锚杆及普通药卷锚杆，二者长度均为3 m，规格分别为Φ25 mm与Φ22 mm，锚杆需采用C30混凝土喷射保护，喷射厚度应为23 cm。利用中管棚设置拱部，规格为Φ60 mm，环向间距设置为0.5 m，各个环内设置18根长度均为9 m、纵向间距为6 m的中管棚，各榀设置4组长度为3.5 m的锁脚锚管。根据要求实施管棚、锁脚锚管的浇筑施工，应以水泥砂浆作为材料，注浆时压力应控制在0.5～1 MPa之间，并采用现场试验的方法，合理设定浆液配比。斜井末端与正洞初期支护跨度最高处的内缘区域，还需设置一组加强环，如图2所示，选用4榀钢架组焊，通过受力条件改善化解最后一榀钢架的应用集中问题，进而提升施工的安全性。

图2 加强段施工

2.3.3 扩挖断面与门架搭设

斜井初期支护且完成加强环钢架支立施工后，应上台阶向前再挖掘1 m左右，并扩大挖掘断面，以便为交叉口段正洞之上断面拱架提供支设位置，且增强拱架的稳定性。按照正洞环向将焊接在一起的两榀拱架设置于斜井两侧边墙处，以斜井初期支护钢架的高度为基准设置钢架标高，且需按照正洞前进方向将两榀钢架叠焊的水平门架设置于钢架上方，门架顶面钢板焊接间隔为1 m，用于搭接门架及交叉口段主洞拱部钢架。而后应加固好锁脚锚杆并实施锚喷防护，钢架落底作业完成后，再设置斜坡道，并挖掘小导坑弧面。

2.3.4 导洞支护与钢拱架搭设

应按照与正洞轴线相垂直的方向，挑顶挖掘导洞，断面设置为矩形，顶部及边墙均按照1 m间隔设置宽度为5.5 m的门架，并按照梅花形布设锚杆。棚洞支护完成后，需按照1.2 m间隔搭设钢拱架，如图3所示。挑高段钢架设计成网状，拱脚两侧分别布设锁脚锚管，长度均为3 m，每侧各2根，并利用混凝土填充钢拱架及棚架间的空隙，而后连接拱架落脚与水平纵向托梁，采用连接板螺栓作为连接材料，以此构建正洞导坑段上台阶开挖临界面。

图3 导洞施工

2.3.5 掘进作业与正洞初支封闭成环

支护好正洞后，需拆除棚洞小里程方向垂直布设的钢架，再沿此方向继续挖掘上导坑，开挖距离应控制在1榀钢架间距以下，边挖边做支护，而后完成斜井对应正洞的上台阶支护作业。之后，沿左线大里程及小里程上台阶分别掘进，小里程方向棚架拆除后，再进行正洞初支及上部弧形导抗挖掘作业。掘进15 m后，应利用混凝土封闭掌子面，小里程方向挖掘停止。再按相同方法完成左侧大里程方向挖掘。正洞落底后，采用分段施工方法开展仰拱初支成环作业，开挖长度应为3 m/次，边挖边填充混凝土，并搭设临时栈桥，确保掌子面施工持续推进。施工30 m长度后，应于大里程侧完成衬砌台车的组装作业，针对交叉口两侧实施二次砌衬与封堵施工。左线大里程及小里程分别掘进55 m后，在大里程作业面上搭设台架，左线小里程累计挖掘105 m后，拼装各类台车。大里程掘进达到150 m后掘进停止，进而实施仰拱栈桥拼装架设作业。斜井与正洞交叉口处挑顶示意图如图4所示。

图4 斜井与正洞交叉口处下台阶施工

3 软弱围岩大断面隧道斜井进正洞挑顶施工技术应用的注意事项

管棚施工后，需要对管棚注浆加固效果进行检验，符合要求后方可实施后续施工。挖掘挑顶时，需要做好掌子面围岩及出水状况监测，一旦发现涌水现象，应及时做好掌子面封闭，回填反压涌水，再与各参建方共同协商处理措施。挑顶段施工时，需要做好监控量测工作，应密集布设监测点，并提升监测频次，发现异常情况后应分析原因并实施支护强化。应重点加强初期支护施工质量控制，确保封闭成环作业及时完成，进而顺畅、安全推进挑顶施工。管棚作业及挑顶施工开始前，需要针对涌水突泥现象制定紧急应对预案，在掌子面附近堆放数量充足的应急物资并进行演练，以便涌水后可快速、妥善处理，保障挑顶施工作业安全开展。

4 结语

软弱围岩大断面隧道工程施工中，应用斜井进正洞挑顶施工技术，能够取得较为理想的施工效果。经本工程验证，此种方法施工难度低，施工过程相对安全，可有效减少斜井与正洞交叉口段隧道的沉降量。相较于传统先抬高斜井再向正洞过渡的施工方法，此方法二次衬砌时所应用的回填混凝土更少，利于节约施工成本。本工程施工中重点加强了围岩量工作，在支护参数科学选择的基础上，安全、高效完成了本次挑顶施工，确保隧道工程在规定工期内顺利完成。