1、<p>　　大斷面黃土隧道斜井轉正洞垂直挑頂施工工法</p><p>　　中鐵十一局集團第二工程有限公司</p><p>　　吳英明 董瑞武 周光軍</p><p><b>　　1 前言</b></p><p>　　客運專線黃土隧道開挖斷面大，選擇合理的斜井轉正洞施工方法，對于保證隧道安全快速轉入正洞具有非

2、常重要的意義。當前黃土隧道斜井轉正洞多采用圓曲線挑頂法，該工法工序復雜，工期長，造價高。中鐵十一局集團施工的大（同）至西（安）客運專線位于陜西省合陽縣、大荔縣境內(nèi)，馬家莊隧道為標段重點控制工程，隧道出口與三號斜井正洞小里程方向為整個隧道全部貫通的關鍵線路。為了保證施工工期，加快施工進度，確保安全和施工質(zhì)量，中鐵十一局集團第二工程有限公司在大西鐵路客運專線馬家莊隧道3#斜井轉正洞施工，運用了公司研發(fā)大斷面黃土隧道斜井轉正洞垂直挑頂施工技術

3、，施工中獲得了較好的成果，并大大縮短了建設工期，取得了良好的技術經(jīng)濟效果，現(xiàn)經(jīng)總結形成本工法。 </p><p><b>　　2 工法特點</b></p><p>　　2.0.1 斜井向正洞的斷面轉換一次成功，工序簡單。 </p><p>　　2.0.2 優(yōu)化橫向弧面導坑的尺寸和臨時支護結構類型，施工安全系數(shù)高。</p><

4、p>　　2.0.3 優(yōu)化橫向挑頂方式，充分發(fā)揮了小型機械快速開挖的優(yōu)勢，縮短了建設工期。</p><p>　　2.0.4減少了圓曲線挑頂臨時支護的施做和拆除數(shù)量，有效的節(jié)約了成本。</p><p><b>　　3 適用范圍</b></p><p>　　本工法適用于大斷面黃土隧道斜井斷面小而正洞斷面較大時斜井轉正洞施工。</p>

5、<p><b>　　4 工藝原理</b></p><p>　　黃土隧道正洞與斜井三岔口處圍巖空間三維受力復雜，尤其正洞橫向挑頂開挖支護難度相當大，工作面小，技術難度高，開挖支護不當圍巖很容易下沉變形，甚至發(fā)生塌方質(zhì)量安全事故。因此必須制定科學合理的挑頂施工方案，并對三岔口進行加強支護。在斜井施工至與正洞設計二次襯砌最大跨度相交時，在交匯面處設置斜井初期支護加強環(huán)及托梁和立柱支撐

6、，以解決三岔口處正洞初期支護的鋼架落腳問題，及時完成斜井襯砌，襯砌終點端頭面應與正洞該側縱向開挖平行。采用人工風鎬配合挖掘機，以4.2m寬的小導坑方式橫向垂直進入正洞洞身并進行弧面挑頂開挖，開挖過程中及時采用Ｉ16型鋼棚架臨時支頂支護。當隧道正洞拱部上導坑開挖面合格后及時初噴，施做正洞設計初期支護，其鋼架拱腳落在托梁上，拱頂處縱向棚架橫梁保留，拆除臨時棚架兩側立撐。按相同方法將交叉口范圍拱部上導坑沿主攻方向開挖支護兩個循環(huán)（每循環(huán)進尺0

7、.8m）。再反方向開挖支護兩個循環(huán)（每循環(huán)進尺0.8m）。直至該段9m范圍拱部封閉。接著擴挖正洞中部土體并將該段右半幅初期支護接長至最大跨度處。最后按環(huán)形預留核心土法進行隧道主攻或副攻方向上斷面開挖，當上斷面開挖達40m后，進行邊墻落底及仰拱</p><p>　　5 施工工藝流程及操作要點</p><p>　　5.1施工工藝流程圖 見圖5.1-1</p><p>　

8、　5.2 施工步驟、方法及工藝</p><p>　　5.2.1施工準備。根據(jù)斜井與正洞設計相交角度及復合式襯砌參數(shù)，對交叉口段斜井初期支護進行加強，確保下步正洞跨越斜井提供支護保障。由于斜井與正洞夾角較大為87°，所以直接由最后一榀鋼架偏立法架立調(diào)整到與正洞縱向平行（詳見圖5.2.1--1）；考慮斜井初期支護最后一榀拱架也需承受正洞拱架及圍巖傳遞的荷載，為了安全必須對其加強。在斜井末端即距正洞二襯最大跨

9、度處內(nèi)緣15cm處采用兩榀Ⅰ20a型鋼并焊在一起作為加強環(huán)，改善受力條件。（見圖5.2.1-2）。</p><p>　　圖5.1-1 施工工藝流程圖</p><p>　　圖5.2.1-1 　斜井進入正洞平面圖（尺寸標注單位：cm）</p><p>　　5.2.2斜井初期支護加強。為解決交叉口段正洞上斷面拱架落腳位置及牢固性，在斜井初期支護加強環(huán)鋼架拱頂上沿正洞方向設

10、置縱向水平托梁，托梁采用I25b型鋼，兩端聯(lián)接I25b型鋼立柱支撐至主洞墻底。為防基底承載力不夠導致支護下沉，先夯實基底，立柱底部加焊30*20*2cm鋼板，另加提前預制的鋼筋混凝土墊塊（50*50*50cm）。型鋼托梁頂面按間距0.8m焊接30*20*2cm厚鋼板，以解決交叉口段主洞設計拱部鋼架左側落腳問題（具體見圖5.2-2）。對托梁及支撐進行錨、噴防護，錨桿尾部彎折90°后與托梁、支撐焊接在一起，按設計厚度噴射混凝土時，

11、托梁范圍暫不噴射。</p><p>　　5.2.3施做托梁。及時施作斜井加強段(8m)二次噴射混凝土襯砌，鋪設雙層環(huán)向Φ22受力鋼筋，間距20cm，縱向鋪設φ14連接鋼筋，間距30cm，立間距1m 的I18的鋼架后，噴射35cm厚度C25混凝土,為交叉口提供有力的支撐。其二次噴射混凝土襯砌終點端頭面必須與正洞該側縱向開挖平行，并伸出加強環(huán)5cm。</p><p>　　5.2.4二襯混凝土施

12、工完24小時后，撤出斜井二襯臺車，先回填土修筑斜坡道后，采用臨時輪胎式輕型小挖機以4.5m寬的小導坑方式橫向垂直進入正洞洞身拱部，并進行拱頂上導坑弧</p><p>　　面挑頂開挖正洞左半幅，即圖5.2-3第一階段部分。進入正洞范圍后其開挖及初期支護需比正洞拱部相應設計標高加大，以預留臨時支護厚度及足夠的變形量。開挖過程中采用Ｉ16號工字鋼臨時棚架及時支護。當隧道正洞拱部上導坑開挖面臨時支護合格后，移除臨時棚架一

13、側豎撐，施做該側初期支護（先拆除后支護），其拱頂處縱向棚架橫梁將作為永久支護。</p><p>　　5.2.5開挖支護正洞右半幅，即圖5.2-3第二階段部分，施工步驟同5.2.4步。</p><p>　　5.2.6待拱部上導坑初期支護穩(wěn)定后再采用人工風鎬及作業(yè)臺架向正洞大小里程方向對稱開挖拱部上導坑，進尺0.8m，開挖土方經(jīng)人工清運至斜井后，由裝載機及汽車運至洞外棄碴場。開挖合格后立即初噴

14、，及時施作初期支護。</p><p>　　5.2.7拱部上臺階9m范圍開挖支護完成后，采用挖機逐段擴挖中上部土體，并將右半幅初期支護接長至起拱線處，即圖5.2.7-3第三階段部分。</p><p>　　5.2.8在上臺階初期支護完成后，采用三臺階七步開挖法向正洞大小里程方向開挖支護10m后。為確保安全，該段正洞40m范圍上導弧分兩次開挖支護至最大跨度（中臺階）處。前期開挖采用人工配合機械的

15、方法，隨著工作面的擴大，視實際情況創(chuàng)造條件采用以挖機開挖為主、人工修邊為輔。</p><p>　　5.2.9當上斷面兩個掌子面距離達到40m時，開始下臺階邊墻落底施工。落底施工按主、次攻方向，拉開下斷面中槽，左右邊墻前后錯開2～3m進行落底開挖支護，每循環(huán)進尺1.6m，同時向前推進。與此同時，主副上斷面掌子面繼續(xù)向前短進尺掘進。</p><p>　　5.2.10當左、右側邊墻連續(xù)落底支護達

16、到30m時，開始分段開挖全幅仰拱，每次開挖3m，及時施作仰拱襯砌混凝土及填充混凝土，使初期支護封閉成環(huán)，斜井轉正洞施工完成。</p><p><b>　　5.3施工注意事項</b></p><p>　　正洞與橫洞相交地段處于復雜的三維受力狀態(tài)，為保證正洞安全挑頂施工的完成，正洞初期支護必須座落于一個牢固的落腳平臺，同時應加強該段正洞初期支護的鎖腳錨桿及系統(tǒng)錨桿施工，防

17、止拱架下沉。</p><p>　　5.3.1斜井交叉口段施工，應加強初期支護，設計參數(shù)應比正常斷面相應提高。</p><p>　　5.3.2交叉處加強環(huán)設置</p><p>　　圖5.2.1-2　斜井交叉口托梁、支撐安裝正面圖（標注尺寸單位:cm）</p><p>　　圖5.2.7-3 交叉口斜井及正洞支護結構尺寸圖（標注尺寸單位:cm）&l

18、t;/p><p>　　圖5.2-4 交叉口段斜井進正洞挑頂開挖順序示意圖（單位：cm）</p><p>　　由于正洞開挖斷面較大，為確保擴頂段正洞施工安全，在斜井與正洞交接處設置一加強環(huán)，加強環(huán)由2榀Ⅰ20a型鋼鋼架并焊組成，鋼架間采用φ22鋼筋連接，根據(jù)施工方案對其進行準確定位加固，鎖腳錨桿宜沿斜井與正洞交角平分線方向施作，并確保其質(zhì)量。</p><p>　　5.3

19、.3設置托梁，為正洞拱架提供落腳平臺</p><p>　　在斜井襯期支護加強環(huán)鋼架拱頂上沿正洞方向設置縱向水平托梁，托梁采用I25b型鋼，牢固焊接于斜井加強環(huán)拱頂，托梁長度超過9m時，居中聯(lián)接接頭除對焊外，另采用雙面夾板（10mm厚鋼板）鉆孔、高強螺栓擰緊、夾板四邊騎縫焊等多重加固方式。托梁兩端聯(lián)接I25b型鋼立柱支撐至主洞墻底。噴射C25砼25～30cm厚覆蓋加強環(huán)、立柱鋼架，托梁范圍暫不噴射，待正洞鋼架落腳后

20、一并噴射。及早施作斜井二次襯砌。</p><p>　　5.3.4正洞擴頂開挖，依據(jù)圍巖穩(wěn)定狀態(tài)時采用Ⅰ16臨時棚架支撐頂部，棚架間距為0.8m，棚架間采用φ22鋼筋焊接為整體，結合初噴混凝土5cm，臨時棚架橫梁采用20cm網(wǎng)噴，網(wǎng)格尺寸20×20cm（臨時棚架橫梁將作為永久支護），形成臨時支護體系，棚架結構尺寸見圖5.3.4-5，圖中H、b，根據(jù)現(xiàn)場情況確定尺寸，現(xiàn)場加工。</p><

21、;p>　　5.3.5人員配備。開挖作業(yè)人員20人；鋼架、鋼筋網(wǎng)及錨桿施工15人；噴射混凝土作業(yè)14人。</p><p>　　圖5.3.4-5臨時棚架尺寸圖</p><p><b>　　6 材料與設備</b></p><p>　　垂直挑頂法斜井轉正洞施工主要材料與設備配備見表1。</p><p>　　表6.1-1

22、 材料與設備表 </p><p><b>　　7．質(zhì)量控制</b></p><p><b>　　7.1質(zhì)量標準</b></p><p>　　本工法執(zhí)行現(xiàn)有公路、鐵路、水利施工技術規(guī)范和質(zhì)量驗收評定標準。</p><p>　　《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標準》（TB10753-2010），《高

23、速鐵路隧道工程施工技術指南》（鐵建設〔2010〕241號），《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》（GB50086-2001），《鐵路隧道工程施工安全技術規(guī)程》（TB10304-2009），《地下工程防水技術規(guī)范》（GB20108-2001），《客運專線鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗收暫行標準》（鐵建設〔2006〕167號），《施工現(xiàn)場臨時用電安全技術規(guī)范》 （JGJ46-2005）,《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補充標準》（鐵建設〔2006〕1

24、67號），《鐵路混凝土工程施工技術指南》（鐵建設〔2010〕241號），《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術暫行規(guī)定》 （鐵建設〔2007〕39號），《鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程》（TB10121-2007）。</p><p>　　7.2 質(zhì)量控制措施</p><p>　　7.2.1建立量測小組和現(xiàn)場地質(zhì)小組，并建立超前地質(zhì)預報機制，嚴格按照量測規(guī)范和設計要求，每天至少進行6次觀測，準確掌握沉

25、降和收斂情況，并及時進行分析、反饋，根據(jù)實際情況指導現(xiàn)場施工。一旦發(fā)現(xiàn)變形過大或其它異常情況，立即暫停開挖施工，采取應急加固措施，并上報處理。</p><p>　　7.2.2 施工前做好各種相關施工準備，按方案要求配置好勞力、機械設備及工程材料，施工中嚴格按本方案、相應技術交底及規(guī)范要求施作。</p><p>　　7.2.3交叉口段斜井襯砌應及早施作，擋頭板沿正洞線路方向安設。</p

26、><p>　　7.2.4 拱架加工時加強弧長、弧度和連接板方向的控制，在加工場設置鋼架試拼平臺，檢驗鋼架的半徑、高度和寬度。</p><p>　　7.2.5為保證噴射混凝土放任厚度和質(zhì)量，采用預埋鋼筋頭和二次補噴控制。</p><p><b>　　8．安全措施</b></p><p>　　8.0.1建立安全生產(chǎn)組織機構，建立

27、強有力的安全生產(chǎn)保證體系；指揮部、各項目部和架子隊均成立安全生產(chǎn)領導小組。</p><p>　　8.0.2堅持“安全第一，預防為主”的方針和“管生產(chǎn)必須管安全”的原則進行安全生產(chǎn)管理，做到生產(chǎn)和安全工作同時計劃、布置、檢查、總結和評比。</p><p>　　8.0.3制定挑頂施工的安全應急預案，做好應急材料、物資的儲備。</p><p>　　8.0.4現(xiàn)場技術人員及

28、專職安全人員必須晝夜輪流跟班指導監(jiān)控，督促各類安全、質(zhì)量措施落到實處。</p><p>　　8.0.5沿隧道墻腳地面設置一條救生應急通道，管道采用直徑不小于150mm、壁厚不小于8 mm鋼管，應急管道內(nèi)設應急水管（飲用），電話線、照明線等，管口距掌子面距離大于12m，另一端延伸至已施做襯砌段外1-2倍洞徑，應急通道根據(jù)掌子面的前移而移動，以保證洞內(nèi)外保持聯(lián)系。</p><p>　　8.0.

29、6掌子面附近設應急工具包，以存應急電筒、燈具活動扳手、鋼鋸、錘子、鋼釬、電話機等應急工具；掌子面設應急救生包，內(nèi)存10人左右一天應急食物及飲用水，并備包扎紗布、消毒藥水、常用外傷用藥等，應急食品定期更換，以便自救和逃以使用。</p><p>　　8.0.7安設人員登錄自動報警系統(tǒng)，以便及時發(fā)現(xiàn)采取救援措施。</p><p><b>　　9．環(huán)保及節(jié)能措施</b><

30、;/p><p>　　9.0.1建立環(huán)保、水保體系，制定全面而系統(tǒng)的環(huán)境與生態(tài)保護、水土保持的管理辦法和措施，符合國家、鐵道部及地方政府有關環(huán)保、水保的標準，堅持施工過程中對環(huán)保工作的持續(xù)監(jiān)督檢查。</p><p>　　9.0.2加強施工用水管理，防止水土流失。隧道施工中采用防水板和止水帶等綜合防排水措施，減少黃土中水分的流失，做到環(huán)保和節(jié)約水資源要求。</p><p>

31、　　9.0.3通過該工法的應用，優(yōu)化大斷面黃土隧道的設計參數(shù)，節(jié)約錨桿的數(shù)量，從而節(jié)約建筑材料，達到節(jié)約能源的目的。</p><p>　　9.0.4斜井口和棄土場等及時修建棄砟擋土墻和疏通排水系統(tǒng)，做到先擋后棄，防止水土流失，對環(huán)境造成影響。</p><p>　　9.0.5工地現(xiàn)場設置足夠的臨時衛(wèi)生設施，做好施工現(xiàn)場的衛(wèi)生管理工作，生活垃圾堆放在指定地點，按規(guī)定及時清理或處理。</p

32、><p>　　9.0.6加強施工機械和運輸車輛安裝消聲器并加強維修保養(yǎng)，降低噪音。</p><p>　　9.0.7做好洞內(nèi)外文明施工，保證良好的施工環(huán)境。</p><p><b>　　10．效益分析</b></p><p>　　10.0.1經(jīng)濟效益</p><p>　　本工法與圓曲線挑頂法相比，充分發(fā)

33、揮小型機械快速開挖的優(yōu)勢，重點對原方案中橫向弧面導坑的尺寸、開挖方式、臨時支護結構類型及時進行了優(yōu)化與調(diào)整，三號斜井緊用了42天，達到兩個工作面正常施工條件，縮短了工程工期，降低了工程成本；同時減少了臨時支撐的數(shù)量，節(jié)約了工程材料。 </p><p>　　10.0.2社會效益</p><p>　　本工法實現(xiàn)了斜井向正洞的斷面轉換一次成功，在實施過程中，根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，最終無

34、安全事故、質(zhì)量達標、快速完成了斜井進正洞施工，為以后大斷面黃土隧道斜井轉正洞施工提供了理論和實踐依據(jù)，為全線最長馬家莊隧道提前150天順利貫通打下了堅實的基礎，創(chuàng)造了黃土隧道快速施工的新紀錄。為挑戰(zhàn)長大隧道濕陷性黃土施工積累了寶貴經(jīng)驗。</p><p><b>　　11．工程實例</b></p><p>　　實例1：2007年10月～2011年12月，由中鐵十一局集團

35、承建了包西鐵路慶興隧道位于陜西省蒲城縣境內(nèi)，緊鄰洛賓鎮(zhèn)慶興村及蒙新莊，起迄里程DK691＋253～DK701＋493，全長10240m，該隧道為雙線隧道，隧道除進、出口相向掘進外，還設有5座斜井輔助施工。其中四號斜井和新增斜井轉正洞挑頂?shù)氖┕ぶ?，同樣采用本工法進行施工，經(jīng)工后沉降觀測和初期支護斷面掃描，沉降量和斷面尺寸均滿足設計要求，質(zhì)量達標，受到了建設單位和監(jiān)理單位的高度評價。</p><p>　　實例2:由中

36、鐵十一局集團承建的大西鐵路客運專線馬家莊隧道全長9362m，設計為雙線大跨度黃土隧道，Ⅳ圍巖開挖寬度14.8m，開挖高度12.68m，開挖面積155.06㎡，圍巖為黃土地質(zhì)，含水率7%～24%，屬客運專線大斷面黃土隧道。馬家莊隧道三號斜井井口位于線路左側沖溝邊，斜井與線路左側交于里程DK718+800=XDK0+000，與線路大同方向平面交角為87°，井身傾角 5°42′39″，斜井范圍為10%下坡，最小埋深3.5m

37、，最大埋深42m。斜井采用雙車道斷面，最大開挖斷面46.5㎡，車道凈寬6m。斜井Ⅴ級圍巖106m，Ⅳ級圍巖480m。</p><p>　　斜井于2010年9月16日施工到XDK0+000處,開始斜井進正洞挑頂施工，至9月28日完成橫向垂直導洞施工，進入正洞大里程上臺階開挖支護，10月19日正洞大里程方向仰拱開始開挖支護，并封閉成環(huán)，10月29日正洞小里程方向仰拱開始開挖支護，并封閉成環(huán)，至此斜井轉正洞施工順利完成