横向棚洞法在隧道斜井进入正洞挑顶施工中的应用

姜 函

（中铁二十局集团第二工程有限公司，北京 100142）

隧道斜井与正洞交接处，净空断面变化大，空间受力复杂，使用时间长，正洞与斜井交叉口处于复杂的三维受力状态，易引起支护结构产生位移、变形，直至支护结构破坏，因此，隧道斜井进入正洞挑顶施工极为重要，研究价值高。文章以兰合铁路黄家岭隧道斜井进入正洞挑顶施工为例，加深工程理解，结合工程实际展开理论分析，详细介绍了横向棚洞挑顶施工工法。

1 工程概况

黄家岭隧道斜井位于黄土梁峁区，梁峁间沟壑纵横，沟谷深切，地形起伏大，地面高程1765～2210m，山坡上多为风积黄土覆盖，出露地层主要为砂质黄土、泥岩、砂岩等。黄土梁峁区顶部为第四系上更新统风积砂质黄土，洞身主要为堆积砂质黄土及第三系泥岩、砂岩、泥岩夹砂岩，局部有砾石类土。沟谷中分布有第四系全新统冲积黄土、粗圆砾土和上更新统冲、冲积砂质黄土及粗圆砾土。

斜井与线路交于DK51+450，与中线交角51°35＇22"。井口坐标：X=3964071.379，Y=476936.3003。斜井隧道起讫里程XK10+83～XK00+00，长度为1083m，采用无轨运输方式，按单车道加密错车道设计，单车道坡度11.7%，错车道坡度3%，错车道净空尺寸为6.2m×7.5m，后期运营作为防灾救援紧急出口，为永久性工程。

隧道竣工后，斜井与正洞交叉口处采用50cm厚混凝土墙封堵，墙内预留2.0m×2.0m防护门，斜井洞口封堵后预留格栅不锈钢门。避难所采用射流风机通风，设2台SDS-100K-4P-30型风机。

根据TSP超前地质预报分析：斜井XK00+24～XK00+00，长度24m，围岩横、纵波波速变大，平均波速较稳定，泊松比等参数波动较大，反射界面和绕射异常较少。预测出露岩性仍为泥岩，中厚层状为主，岩层水平，弱风化，节理较发育，岩体整体较完整，局部可能较破碎，开挖过程中可能出现渗水、滴水现象。通过现场勘察和对已施工揭示泥岩情况的检验及判断，泥岩为膨胀岩，遇水软化，失水崩解。砂岩、泥岩中局部含有石膏岩，石膏岩在水作用下极易发生溶蚀及软化，同时伴生的生石膏可发生膨胀。

2 斜井进入挑顶施工

2.1 斜井进入正洞加强段施工

考虑到该段为特殊施工段落，受力较为复杂，对斜井支护参数进行加强施工，并加大预留变形量至15cm，斜井加强段设定长度为10m。加强段支护参数：拱墙架立I16型钢钢架，斜井前进方向拱架间距0.8m，如图1所示。在斜井与正洞交接处设置加强门架，加强门架由3榀叠加I20b型钢钢架组成，并在拱架顶部设置门梁来支撑正洞上部异型拱架，门梁由3榀叠加I20b工字钢。门梁连接均采用高强度螺栓连接。采用Φ42锁脚锚管，分别与立柱和横梁焊接牢固，锚管长度为3.5m，锁脚锚管与钢架采用U型钢筋焊接牢固，防止拱架下沉。

图1 斜井进正洞加强段施工图

2.2 横向棚洞法挑顶施工

根据该段地质情况，棚洞断面设置为5m×4.29m（宽×高），矩形棚洞进入正洞高程逐榀递增，到正洞拱顶中线位置后拱顶钢架高程递减。矩形钢架拱顶高程必须高于正洞拱顶设计高程，且递增递减坡度与正洞拱顶曲率增减吻合形成正洞拱部弧形。棚洞施工至内侧正洞隧道开挖轮廓线，进行体系转换，然后进行正洞上台阶初期支护，大里程上台阶开挖10m长度后，进行小里程上台阶开挖，开挖10m后，再进行下台阶开挖，进入正常工序开挖施工。

（1）施工步骤。棚洞开口施工→棚洞逐榀施工至正洞内侧上台架拱脚→正洞大里程方向上台阶开挖支护→正洞小里程方向上台阶开挖支护→正洞下台阶开挖支护→正洞进入正常工序开挖施工。

（2）施工工序。①棚洞开口在斜井上台阶（台阶高度4.29m），斜井交叉口门架上焊接临时钢架，临时钢架与棚洞门架空隙采用C30砼喷实，同时在横梁上开孔，间距30cm，打设Φ42小导管预注浆加固地层，小导打设时按照挑顶坡度调整小导管上仰角度，小导管长度3.5m，棚洞施工边开挖边进行门型钢架锚喷支护，如图2所示。②棚洞门型钢架拱顶位于正洞开挖轮廓线外侧20cm，并考虑20cm的预留变形量，如图3所示。且钢架横梁设置系统锚杆锁定，每根横梁设置锚杆不少于4根，竖向支撑从拱脚以上30cm起每隔150cm设置一组锁脚Φ42锁脚锚管，与门架采用U型筋焊接连接，锚杆（管）长度不小于3.5m并与钢架焊接牢固以利于增强钢架承载力，喷射砼时在每榀竖向钢架上预留两处不喷，以利于钢架拆除。③开挖时斜井上台阶标高与正洞上台阶标高保持一致，小导洞底保持水平掘进，开挖至正洞内侧上台阶拱脚处，在到坑内与矩形上拱架成90°夹角安装正洞拱架，钢架一侧落到斜井口I20b门梁上确保连接牢靠，另一侧落于基底围岩，锁脚锚管和初支钢筋网网片按照设计要求施作，同时增设局部定位锚管，再喷射砼封闭，形成环向立拱锚喷支护。正洞钢架一定要落于斜井交叉口门架之上，并与门架焊接牢。

图2 棚洞开挖

图3 棚洞钢拱架布置示意图

（3）支护参数。①棚洞支护参数：顶部喷砼采用C25砼，厚度20cm，边墙素喷5cm；采用I16钢拱架；Φ6.5钢筋网，网格间距25cm×25cm；纵向连接为Φ22连接筋，环向间距0.5m。②正洞支护参数：斜井三岔口段正洞设计为Ⅳ加级复合式衬砌，初期支护参数：预留变形量20cm，I16工字钢，间距0.8m；钢架间设Φ22连接筋，环向间距1.0m；喷射砼C25混凝土，喷砼厚度为23cm。

（4）施工注意事项。①锁脚锚管必须采用U型钢筋与拱架焊接牢固，棚洞施钢架时，在横梁和竖向钢架上都需施作锁脚锚杆，提高其稳定性与承载力。②施工时考虑预留沉降量，严格控制矩形门架顶标高，确保正洞初支钢架安装后不侵限。棚洞顶部采用挂网满喷砼支护形式，边墙采用素喷5cm厚喷射砼，拱脚采用20cm厚培喷射砼。③挑顶施工时要加强围岩量测，注意该段监控量测点布置，及时采集数据，进行分析并指导施工，在交叉段施工前后，安排专职安全员，定期对洞内初期支护结构变形情况进行监控、登记台帐，及时比对。重点对初支表面开裂、明显沉降、渗漏水情况进行监控，提前预警，以便提前采取措施。④体系转换后，向大、小里程开挖，采用减震爆破，多大眼、少装药、延长相邻段位起爆时间差等措施，将爆破振动降到最低，并及时进行临时初期支护封闭围岩。⑤三岔口开挖支护后向大、小里程口方向各预留15m，在大、小里程方向没有进行二衬前不允许施工此段仰拱，防止拱脚悬空影响初支的稳定。

（5）监控量测。挑顶施工时要加强围岩量测，注意该段监控量测点布置，及时采集数据，进行分析并指导施工。监控量测信息可用于判断设计的参数是否合理，判断施工工艺的可行性以提出更加恰当的施工方法和合理的支护措施；也可以及时掌握横洞及正洞三岔口稳定状态。黄家岭隧道正洞DK51+435～DK51+465，斜井XK00+15～XK00+00段加强围岩监控量测，量测断面间距按5m进行布置，经围岩观察观测数据显示，正洞交叉口断面拱顶沉降最大数值4.8mm/d，开累最大值56mm之后回归；拱腰收敛数值最大3.5mm/d，开累最大46mm之后回归；斜井加强门架顶部横梁沉降最大数值3.2mm/d，开累最大值26mm之后回归；竖向拱架收敛数值最大3.0mm/d，开累最大值37mm之后回归。满足围岩沉降要求，三岔口处初期支护稳定。

3 结论

采用横向棚洞法进行斜井进正洞挑顶，可缩小开挖断面，且循环掘进，确保围岩稳定性。正洞与斜井交界处门架并排设置3榀I20b工字钢，能有效控制斜井断面变形，横向棚洞及时施做初期支护及临时支护后正洞环向拱架接至斜井门架，从而使三岔口形成纵环向受力体系的转变，施工可有效控制围岩变形及掉块、塌方等现象，满足施工安全性要求，并取得优良的工程效果，经黄家岭隧道斜井进正洞采用横向棚洞法挑顶成功实例，为今后的类似工程提供参考。