软弱围岩隧道斜井转正洞设计与施工技术

杨延勇

(中铁二十局集团第四工程有限公司，山东青岛 266061)

1 隧道斜井转正洞存在问题

近年来，随着国内铁路市场的发展，受地形、地貌影响，隧道工程数量也大量增加，而在长大隧道施工中，受施工工期的制约，需设置斜井、竖井或平行导坑等来实现“长隧短打”，达到缩短施工工期的目的。在我国已建成的隧道中，斜井设置较为常见［1］。其中斜井与正洞过渡段为最关键部位，如何实现斜井转正洞施工安全、合理、快速是目前各相关单位共同研究的课题，同时斜井转正洞施工尚存在以下几个方面的问题。

(1)对于铁路隧道斜井转正洞施工，一些情况下只给出设计框架或说明，需要施工单位结合斜井转正洞的围岩情况以及施工安全、质量和进度等实际情况进行细化。

(2)斜井转正洞过渡段是薄弱环节，尤其是软弱围岩隧道的斜井与正洞交叉口处，处理不当会造成初期支护变形较大，甚至塌方［2］。

(3)隧道斜井转正洞要采取挑顶方法操作，而挑顶施工方法比较多，总的来说分为垂直挑、斜向挑两种［3］，而在软弱破碎围岩地段采用挑顶的具体施工方法并没有模式化的解决办法。

2 工程概况

新建山西中南部铁路通道工程为双线铁路，其等级为国家Ⅰ级重载铁路，设计轴重300 kN，其ZNTJ-19标西铁车2号隧道位于山东省莱芜市西铁车村东南至沂源县小张庄村，隧道穿越碌碡陡坡及山间河谷区。隧道里程 DK1076+119～DK1083+970，全长7 851 km，为单洞双线隧道，设计为单面坡。该隧道在DK1080+356处设置1处斜井，双车道断面，净宽7.7 m，拱顶距斜井底高度6.2 m，斜井位于线路前进方向左侧，与正洞平面交角为89°，斜长672.7 m，综合坡度为8.7%，斜井进入正洞后双方向施工。斜井与正洞相交处围岩级别为Ⅳ级，开挖断面面积为97.7 m2，岩性为灰岩夹页岩，薄层状，产状近水平，节理裂隙发育，围岩遇水易软化，开挖后存在掉块现象，并有少量渗水。斜井自2010年11月17日进洞以来，穿越围岩多为薄层状灰岩，地质条件极差，工期压力巨大。选择合理的斜井转正洞施工方法显得尤为重要。

3 斜井转正洞的设计

3.1 斜井转正洞总体方案

根据斜井使用时间较长以及斜井转正洞相交处受力复杂的特点，斜井转正洞应在适当保守的基础上进行设计。

根据超前地质预报和实际围岩开挖情况，确定西铁车2号隧道斜井与正洞交叉处围岩与设计相符。考虑此种情况，同时为便于将来主洞施工，在斜井口DK0+005～DK0+000段设置为喇叭口状，喇叭口与斜井呈30°角，斜井转正洞施工过渡段设置5 m［4］，即斜井施工至DK0+005，进入斜井转正洞前期过渡，斜井断面逐渐抬高和加宽。斜井转正洞施工采用钢拱架和“门”式钢架挑顶和加宽，再采用加强支护门式小导洞爬坡进入正洞交叉段，然后施作正洞交叉段支撑体系，直至转入正洞正式施工。斜井与正洞相交处施工顺序示意如图1所示。

图1 斜井与正洞相交处施工顺序示意(单位:m)

3.2 斜井与正洞相交处施工布置

斜井与正洞相交处施工平面、立面如图2、图3所示。

3.3 斜井与正洞交叉口处“门”架设计

(1)斜井与正洞交叉口处设置“门”式钢架与钢拱架加强环作为主洞初期支护钢拱架半幅的支撑载体。因该处应力集中，为薄弱环节，该处采用并排2榀I20a型钢钢拱架制成，再在其正上方安装并排2榀I20a型钢制成的“门”式钢架，顶部横梁与竖向支撑采用焊接16 mm厚钢板后，再用M24×80 mm螺栓连接，钢拱架和“门”式钢架均采用φ16 mm短钢筋纵向连接，同时两者之间也采用钢筋焊接连成整体。斜井与正洞相交处门架正面示意如图4所示。

图2 斜井与正洞相交处施工平面(单位:m)

图3 斜井与正洞相交处施工立面(单位:m)

图4 斜井与正洞相交处门架正面示意(单位:m)

3.4 小导洞内门架的设计

斜井转正洞首先采用门式小导洞爬坡进入。考虑工作空间需求，小导洞净宽设计为3.5 m，高度根据正洞断面高度适当加高，以满足后续正洞初期支护施工要求。小导洞内门架采用I12.6型钢现场拼装制成，顶部横梁与竖向支撑采用焊接厚16 mm钢板后，再用M24×80 mm螺栓连接。小导洞门架拼装大样如图5所示。

图5 小导洞门架拼装大样(单位:cm)

4 斜井转正洞施工要点

4.1 过渡段施工

斜井DK0+005～DK0+000过渡段采用台阶法施工。根据喇叭口和正洞拱顶高程情况，将斜井断面逐渐抬高和加宽。初期支护钢拱架采用I16型钢制成，钢拱架纵向间距1.0 m，上台阶拱脚处每侧设置双排φ42 mm×5 mm锁脚锚杆，单根长4.5 m。钢架上满铺钢筋网片，钢筋网间距25 cm×25 cm。系统锚杆拱部采用φ25 mm中空锚杆，边墙采用φ22 mm全长粘结砂浆锚杆，间距1.5 m×1.5 m，单根长3.5 m，锚杆尾端与钢拱架焊接牢固。钢拱架间采用φ22 mm钢筋纵向连接，纵向连接筋环向间距1.0 m。喷射混凝土厚度25 cm。

当斜井上台阶开挖至与正洞开挖轮廓线交叉点处时，先精确安装斜井口最后一榀双排钢拱架，再在其正上方安装门架，钢拱架与门架采用钢筋焊接连成整体。在环向施作1环φ25 mm中空锚杆，间距1.0 m，单根长3.5 m，锚杆尾端与门架焊接牢固，上台阶门架脚部每侧设双排φ42 mm×5 mm锁脚锚杆，同时采用φ22 mm纵向连接筋与后方钢拱架焊接牢固，然后喷射混凝土封闭门架边墙部位。因该处处于正洞交叉位置，应力集中，为保证安全，喷射混凝土厚度30 cm。

4.2 斜井转正洞

斜井上台阶继续开挖，采用门式小导洞爬坡进入正洞交叉段。小导洞内临时支护钢架采用I12.6型钢制成的门架，门架净宽3.5 m，纵向间距1.0 m，脚部每侧设置单排φ42 mm×5 mm锁脚锚杆，单根长3.0 m。门架顶部铺设间距为25 cm×25 cm的钢筋网，并打设φ25 mm中空锚杆，单根长2.5 m，间距1.0 m×1.0 m，锚杆尾部伸出支护表面25 cm，预备与正洞钢拱架连接。钢架间采用φ22 mm钢筋纵向连接，纵向连接筋环向间距1.0 m。喷射混凝土厚度不小于10 cm。

4.3 小导洞内正洞初期支护施工

小导洞开挖支护直至正洞右侧开挖轮廓线外侧完成，开始施作正洞初期支护。小导洞内正洞交叉段初期支护适当加强，钢拱架采用I20a型钢钢架，钢架纵向间距1.2 m，并与小导洞内预留出的系统锚杆焊接牢固。钢架一端支撑于正洞右侧基岩上，并设置双排φ42 mm×5 mm锁脚锚杆，单根长4.5 m，另一端支撑于斜井口处门架顶部横梁上。施工时，在门架顶部横梁焊接打孔钢板，用M24×80 mm螺栓与正洞钢拱架连接。钢拱架间采用φ22 mm钢筋纵向连接，纵向连接筋环向间距1.0 m。喷射混凝土厚度25 cm。

4.4 正洞开挖支护施工

小导洞内正洞初期支护施工完成后，根据工程特点要求，先将正洞小里程侧门架拆除，开挖上部弧形导坑，并按小导洞内正洞交叉段支护形式进行支护。钢拱架纵向间距1.2 m，其上铺设钢筋网，钢筋网间距25 cm×25 cm。拱部打设φ25 mm中空锚杆，单根长3.0 m，纵、环向间距1.2 m×1.0 m。喷射混凝土厚度25 cm。开挖支护施工直至斜井口处门架端头，喷射混凝土封闭掌子面，暂停小里程方向开挖。然后按上述步骤反向施工至斜井口处门架另一端头，至此正洞上部弧形导坑初期支护施工完毕。开始按设计Ⅳ级围岩施工方法向小里程方向逐步扩挖成正洞上台阶，形成工作面，支护完毕后喷射混凝土封闭掌子面，反向开挖斜井口门架范围内正洞中导坑。

斜井口门架范围外正洞两端上台阶开挖20 m之后，开挖斜井过渡段下导坑和门架范围内正洞下导坑。中、下导坑开挖过程中，要先将门架和斜井段钢架落底，再将门架范围内正洞线路右侧钢架落底。至此正洞交叉段全部施工完成，可按设计要求转入正洞正式施工。

4.5 施工注意事项

(1)对于软弱围岩隧道斜井转正洞过渡段施工，斜井、小导洞、正洞施工均要坚持“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的原则进行，一次开挖进尺一般不大于1榀钢架间距。

(2)机械开挖和排险时，为防止挖掘机等大型机械与已支护好钢架发生碰撞，造成钢架损坏，施工过程中要指派专人进行指挥，严格限制机械作业限界，防止碰撞钢架。

(3)斜井过渡段施工前，要做好过渡段、正洞交叉段支撑体系钢拱架、斜井口和小导洞门架细部尺寸以及各项开挖断面的技术交底工作，确保施工顺利进行。

(4)斜井口处门架要求必须定位准确，门架和正洞交叉段支撑体系钢拱架不得侵限。

(5)钢拱架和门架边墙拱部(顶部)、边墙用喷射混凝土充填密实。脚部空隙要用混凝土楔块顶紧，不得置于虚渣和松动围岩上，软弱围岩地段，脚部须加设垫板或垫梁，确保钢架置于牢固的基础上。

(6)斜井口处门架中、下导坑接长时，要尽快完成，必要时设竖向临时支撑顶部后再接长，避免暴露时间过长造成下沉，同时两端不得同步进行。

(7)斜井与正洞掌子面施工时，要设专人值班，随时观察围岩及支护状态的稳定性。

(8)加强超前地质预报工作，及时核对地质情况，发现地质情况与设计不符要及时调整施工方案。

(9)现场监控量测是隧道施工管理的重要组成部分［5］。施工过程中要加强监控量测工作，斜井口门架顶部中心、边墙设置一组监控量测点。正洞交叉段支撑体系范围每5 m一个断面设置监控量测点，每天观测2次，如有异常，要及时通知相关单位采取措施处理。同时可对斜井与正洞交叉口处“门”架横梁两端、中心以及边墙竖向支撑进行应力监测，总结应力徐变规律，为及时修正支护参数和后续施工提供参考。

(10)锚杆与钢架、钢架间纵向连接筋必须焊接牢固，保证钢架与喷射混凝土连成一体。

(11)及时施作斜井交叉口处二次衬砌和正洞交叉段口处仰拱及两端二次衬砌，确保安全施工。

(12)制定斜井转正洞安全施工应急预案，做好应急物资、设备的储备工作。

(13)考虑实际施工时围岩变化复杂等因素影响，可适当加强支护措施，如缩小钢架纵向间距、增加锚杆长度和密度、增加超前小导管支护等，且为确保施工安全，实际施工时斜井口处门架下方再安设并排2榀I20a型钢拱架并喷射混凝土做支撑。

(14)必要时，根据设计要求，可在斜井过渡段施作二次衬砌，二次衬砌模板可采用木模或小块钢模拼装制成。

5 结语

斜井为隧道正洞开辟新的工作面，可达到加快施工进度的目的，而斜井能否顺利进入正洞，成为影响施工进度的关键。提出在斜井转正洞过渡段设置喇叭口形式，成功应用于山西中南部铁路通道ZNTJ-19标西铁车2号隧道斜井转正洞施工实践中。实践证明，喇叭口形式提高了施工工效，减少了施工过程中交叉作业的安全隐患，同时，利用断面特点可有效地抵消交叉口处正洞初期支护对斜井的纵向推力作用［2］。该方案合理可行，安全可靠，通过合理的工序安排，并以严谨的态度严格按照规范施工，西铁车2号隧道从斜井过渡段到转入正洞施工仅用时10d，安全无伤亡，为正洞施工赢得了时间，取得了业主和设计方的认可。

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