張學文，王 猛，趙旭鵬

(1.中鐵十三局集團公司蘭渝鐵路工程指揮部，甘肅宕昌 748500;2.遼寧工程技術大學礦業(yè)學院，遼寧阜新 123000)

0 引言

近年來，隨著中期鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃和中國鐵路規(guī)劃的實施，一些地質復雜、施工難度大的長大隧道將如期投資修建。為了縮短工期，往往采用各種輔助斜井進入正洞的方式來增加工作面，實現(xiàn)“長隧短掘”的目的［1］。由于隧道圍巖地質條件復雜多變，同時輔助斜井相對隧道正洞而言斷面較小，如何從小斷面安全過渡到正洞大斷面，其交叉段施工方案及技術顯得尤為重要。在斜井輔助正洞施工技術研究中，許多專家和學者開展了大量的工作，目前成熟的施工方法主要有大包法、上挑洞法、CRD法等。高洪濤等［2］研究了烏鞘嶺隧道斜井輔助正洞施工技術;龍蛟［3］研究了石板山隧道斜井與正洞交叉段采用中導洞爬坡挖到正洞，然后反向挑頂?shù)氖┕し椒?申延虎［4］、辜鼎甲［5］介紹了隧道斜井進正洞施工技術;楊勝［6］對穿過坡積物的斜井特殊進洞施工技術進行了研究，在斜井進主洞施工中取得了良好的效果。本文以桃樹坪隧道3號斜井進正洞施工為背景，結合其特殊的工程地質條件，斜井采用臺階法正交水平穿過正洞，正洞施工整體分上、下2部分，上半斷面采用CD(或CRD)法施工，下半斷面采用雙側壁導坑法施工。

桃樹坪隧道是蘭渝鐵路在建項目難度最大的隧道工程之一，位于蘭州東站站端，隧道起訖里程DK3+435～DK6+655，全長3 225m，設計為雙線隧道。進口位于蘭州東站出站端，出口位于榆中縣方家泉村。隧道進口低，出口高，地形起伏大，最小埋深處僅6 m，地表溝谷發(fā)育，下切較深。由于緊鄰蘭州市，桃樹坪隧道下穿多個垃圾回填的淺埋溝谷、饞柳高速、312國道、廠礦企業(yè)、密集的居民區(qū)。由于隧道圍巖差，施工困難，為加快施工進度，增設了0～4號共5個斜井。因此，在斜井進主洞時，需要制訂可行的施工方案，采取科學合理的施工技術。

1 工程地質特征

從3號斜井揭示圍巖情況來看，斜井上半斷面(3～3.5 m高度)為上第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖，出水量大;下半斷面為鈣質弱膠結砂巖，在兩層接觸面出現(xiàn)股狀流水。上導圍巖基本無自穩(wěn)能力，兩層接觸面基本呈流塑狀，隧道沉降、變形量大，極易發(fā)生坍塌，施工難度極大，如圖1所示。

圖1 3號斜井現(xiàn)場施工狀況Fig.1 Construction site of No.3 inclined shaft

上第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖，巖層致密。根據(jù)現(xiàn)場取樣試驗，孔隙率為22% ～26%，孔隙比為0.36 ～0.4，飽和度為 3.9% ～20%，實測最大飽和度為20%，密度為2.63g/cm3，在飽和狀態(tài)下試樣壓力為2～3MPa，非飽和狀態(tài)下試樣壓力為7～8MPa，滲透系數(shù)為0.01～0.001 cm/s，水平和垂直滲透系數(shù)相差很小，砂層較潔凈，含泥量5% ～10%，成巖作用差，無膠結，稍有擾動即成松散粉狀結構，在富水時基本無自穩(wěn)能力，呈流塑狀，極易發(fā)生坍塌。圍巖在滲水情況下，原狀弱膠結粉細砂巖易迅速惡化呈流砂外涌。

2 斜井進主洞施工技術

由于桃樹坪3號斜井地質條件極差，斜井上半斷面富水粉細砂巖層，出水量大，下半斷面為鈣質弱膠結砂巖，在兩層接觸面出現(xiàn)股狀流水，有涌砂現(xiàn)象，斜井進入正洞及正洞施工難度極大，制定的總體施工方案是:利用斜井正交穿過正洞下半斷面，在斜井邊墻采用雙側壁法開挖正洞下半斷面，側壁導坑超前，可最大限度地解決正洞區(qū)段降排水問題，同時解決鈣質膠結層面流水、流砂造成的沉降、變形等施工問題。通過小導洞上爬到正洞頂后再環(huán)向擴挖，完成正洞上半斷面的初始施工作業(yè)面，采用CD(或CRD)法施工正洞上半斷面，如圖2所示。

圖2 斜井進入主洞段施工示意圖(單位:m)Fig.2 Sketch showing construction of connection section between inclined shaft and main tunnel(m)

整個隧道施工的關鍵是降排水，主要采用真空輕型井點降水+集水坑集排水相結合的方法對隧道進行系統(tǒng)降排水施工。斜井采用全斷面降水，正洞段主要是下斷面雙側壁降水。

2.1 斜井降排水施工技術

根據(jù)不同條件下的隧道施工降排水技術［7－9］，結合現(xiàn)場試驗和專家意見，采用真空輕型井點降水+集水坑集排水方案進行降排水。

2.1.1 真空輕型井點降水

根據(jù)實際地質情況，降水集中到鈣質膠結層面0～3 m范圍采用真空輕型井點降水。

1)管井布置。斜井管井布置如圖3所示，邊墻位置距鈣質膠結層面0.5～0.8 m以上布置2排管井，斜向下15°布置，排間距為1 m;井管長度分別為4.5 m和3 m，間隔布置，在上導段管井間距0.5 m，下導及仰拱完成段管井間距1 m。掌子面布置3～4排5 m長的超前管井，核心土部分管井間距0.6～1 m，在弧形導坑開挖面及拱腳位置管井間距0.5～0.6m。在拱腳位置出水較集中，斜向外插，管井布置加密，采用3m和5 m長的井管交錯布置，以保證降水效果。

側壁導坑的管井布置與斜井基本相同，可根據(jù)實際情況進行相應調整。

圖3 真空井點降水管井布置圖(單位:cm)Fig.3 Layout of dewatering tubes(cm)

2)井管施工。井管采用φ32 PPR真空井管和φ42無縫鋼管加工，管頭20～30cm范圍內(nèi)對稱鉆4排φ6 mm吸水孔，孔間距3～5 cm，管壁采用100目雙層濾網(wǎng)包裹，用鋼絲扎緊。

φ32PPR井管適用于純砂層地段，可采用高壓風或高壓水沖孔成功后插管完成;φ42無縫鋼管井管適用于有孤石、鈣質膠結層地段，無法采用高壓風、水沖孔，直接用風槍鉆孔后推進完成。

3)真空輕型井點降水泵。降水采用7.5kW V6型真空泵，按出水量布置真空泵數(shù)量，每臺泵連接2節(jié)主管，8～12孔井管。集水總管直徑75～100 mm，每節(jié)長4.0 m，主管上按0.5 ～0.8 m 間距布置 φ32 支管，支管采用單閥控制，通過鋼絲軟管與井管連接。V6型真空泵運行形成負壓，通過井管將粉細砂圍巖中的水抽出，降水施工時真空負壓需控制在0.06 MPa以下。

2.1.2 集水坑降水

集水坑設置在仰拱或下導面基底部位，主要匯集掌子面及已施作支護地段斜井滲水，作為斜井輕型井點降水的輔助措施。為盡量減少掌子面滲出的水流對邊墻的影響，集水坑設置在距離斜井邊墻不小于1 m處，集水坑采用4 mm厚薄鋼板焊接而成，集水井間距5～10 m，施工時應設置井蓋。仰拱施作前應先行設置好集水坑，確保基底滲水能順暢流入集水坑，水匯集到集水坑后采用大功率潛水泵及離心泵集中抽排到洞外。

2.2 斜井正交水平穿過正洞段施工

斜井正交水平穿過正洞(斜井底面與正洞仰拱面同高)，采用臺階法開挖施工(上導弧形導坑保留核心土)。初期支護完成后及時進行回填注漿加固，并進行二次支護。

斜井與正洞交叉口段臨空面大、受力復雜，必須加強支護。斜井靠近正洞2.5 m范圍內(nèi)初期支護需設立12榀I20b型鋼拱架進行加強支護，如圖4所示。斜井完全穿過正洞后，對穿過正洞及距離交叉口20 m區(qū)段內(nèi)的斜井全部進行二次支護。交叉口5 m范圍內(nèi)二次支護拱架間距為0.6 m，其余二次支護拱架間距均為1 m。

圖4 斜井穿過正洞段斜井初期支護拱架布置示意圖(單位:m)Fig.4 Layout of steel ribs of connection section between inclined shaft and main tunnel(m)

2.3 側壁導坑及導洞施工

1)側壁導坑施工。斜井穿過正洞后封閉斜井工作面，在斜井邊墻位置開始進行正洞下斷面雙側壁導坑施工。

側壁導坑采用臺階法施工，上、下臺階長度5～8 m，上臺階預留核心土弧形導坑開挖。工作面超前注化學漿液預加固，采用超前真空輕型井點降水，全人工開挖，加強支護。

側壁導坑開口段1 m范圍內(nèi)加強初期支護，將2榀側壁拱架并排焊接在一起，以20 cm為間距依次設立3組，其余拱架按0.5 m間距正常設立支護。為保證正洞仰拱的施工安全，側壁導坑全部設置臨時仰拱，并及時對初期支護背后進行回填注漿加固處理。

2)中部導洞施工。中部導洞可滯后正洞側壁導坑上臺階3～5 m施工，中部導洞初始開挖斷面為2.5 m ×2.5 m，逐漸漸變?yōu)?2.5 m ×4 m，保證拱頂坡度為38%，在距斜井邊墻16.5 m位置可達到拱頂設計高度，再水平掘進4 m后封閉導洞掌子面，開始環(huán)向擴挖施工。

3)環(huán)向擴挖施工。環(huán)向擴挖采用中心導坑開挖支護形式，沿正洞拱部開挖輪廓線環(huán)向兩側開挖，導洞開挖斷面逐漸由3 m×4 m漸變?yōu)? m×2.5 m，直到正洞兩側邊墻與側壁導坑頂相通為止。

環(huán)向擴挖完成后安裝正洞拱架，支護完成后可開始正洞施工。

2.4 正洞過渡段擴挖施工

2.4.1 正洞挑頂過渡段施工

通過中部導洞上挖到正洞頂，再環(huán)向擴挖，環(huán)向擴挖完成后安裝正洞拱架形成初始作業(yè)面，利用環(huán)向擴挖段作為工作平臺進行正洞上臺階施工，逐步擴展。正洞挑頂段施工如圖5所示。

圖5 正洞挑頂段施工示意圖(單位:m)Fig.5 Sketch of roof ripping of main tunnel(m)

正洞施工過程中，兩側壁導坑繼續(xù)采用臺階法超前掘進，以解決降水問題。正洞上半斷面采用CD(或CRD)法施工(根據(jù)圍巖情況決定)，分左、右2部開挖，按先左后右施工，每部均采用二臺階開挖，第1臺階開挖高度3.1m，作業(yè)層面與拱部導洞同高。第1臺階有一定長度空間后可選中間部位向下開挖第2臺階，第2臺階高度2.5m，臺階底部與側壁導坑頂同高。正洞上部拱架與側壁導坑拱架聯(lián)接，初期支護成環(huán)，然后再逐步挖除兩側壁中間部位。

一臺階底根據(jù)具體情況設I18b型鋼橫撐或I20b型鋼網(wǎng)噴臨時仰拱，二臺階底部設I20b型鋼網(wǎng)噴臨時仰拱，局部成環(huán)封閉，確保施工安全。

2.4.2 正洞跨斜井交叉段施工

正洞上斷面形成完整工作面后，正常掘進需上跨斜井交叉口。

正洞跨斜井交叉口段必須加強處理，對交叉口段5 m范圍內(nèi)的斜井進行第3次套拱加固。在正洞拱架拱腳2 m區(qū)段套拱采用I25a型鋼拱架，拱架間距0.5 m，模筑C30混凝土加固;其余3m套拱采用I20b型鋼拱架，間距1 m，如圖6所示。

正洞上跨掘進時，需現(xiàn)場適當調整，確保正洞拱架拱腳落在斜井初期支護拱架上，在斜井拱架上焊接連接鋼板，與正洞拱架拱腳鋼板采用螺栓連接。正洞拱架拱腳支護完成后，拱腳位置必須注雙液漿加固處理。

圖6 交叉段加強支護施工示意圖(單位:m)Fig.6 Strengthened support of connection section(m)

2.5 正洞正常段施工

正洞施工進入正常施工循環(huán)，施工整體分上、下2部分進行，必須下部雙側壁超前掘進，采用真空輕型井點降水+集水坑集排水相結合的方法解決正洞區(qū)段降排水問題。其后逐步開挖上部各區(qū)段，如圖7所示。

下部開挖高度5.2 m，采用雙側壁導坑法施工，具體分為①—④部掘進施工;上部開挖高度5.6 m，采用CD(或CRD)法施工，具體分⑤—⑧部掘進施工，正洞各部掘進時按需要及時增設臨時仰拱，保證分部封閉成環(huán)，確保施工安全，對初期支護背后及時回填注漿，防止脫空;最后開挖⑨—⑩部，施工仰拱，初期支護成環(huán)。根據(jù)量測數(shù)據(jù)及時掌握圍巖收斂變形情況，按需要進行二次支護。

圖7 正洞段施工示意圖(單位:m)Fig.7 Sketch of main tunnel construction(m)

2.6 正洞仰拱、二次襯砌施工

待側壁導坑接腿支護完成后再進行中部仰拱開挖，安裝仰拱拱架，初期支護封閉成環(huán)。每次進尺1～2榀，拱架間距0.5～1m，仰拱開挖初期支護后及時澆筑仰拱混凝土、仰拱填充混凝土，以利隧道整體穩(wěn)定。

仰拱施工完畢達到100%強度后，根據(jù)圍巖監(jiān)控量測情況，隧道整體變形趨于穩(wěn)定即可逐步拆除臨時支撐，施工二次襯砌混凝土［10］。

2.7 實施效果

施工實踐證明:此套挑頂方案比較合理，從根本上解決了隧道降排水困難問題，有效控制了鈣質膠結層面流砂造成的隧道初期支護沉降、變形和坍塌現(xiàn)象的發(fā)生，保證了工程的安全，提高了施工效率，保障了工程質量。

3 結論與討論

采用真空輕型井點降水+集水坑集排水的方法解決了隧道下部涌、滲水對施工的影響。側壁導坑超前，可最大限度地解決正洞區(qū)段降排水問題，提高圍巖自穩(wěn)性能，實現(xiàn)無水條件下作業(yè)。

桃樹坪3號斜井進主洞施工技術的成功實施為同類條件的隧道施工提供了技術支持和借鑒，下一步的研究將針對支護參數(shù)進行優(yōu)化，減少支護成本的投入。

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