大断面客专双线隧道快速挑顶施工技术

杨善龙，张先龙

(1.中铁隧道股份有限公司,河南 郑州 450000； 2.中铁隧道局集团路桥工程有限公司,天津 300000)

随着我国基础设施建设力度的加大和推进，国家铁路投资建设向西部延深，在未来的基础设施建设中，长大隧道的修建比例将越来越高，为满足工期要求，在隧道施工中往往需要设置辅助坑道[1],目前国内特长隧道施工大多采用长隧短打的方式，往往设计较多的斜井或平导，甚至施工过程中增设迂回平导以增加工作面，提高施工效率，缩短工期[2-3]。在辅助坑道进正洞的过程中，由于通道口结构特殊、受力情况复杂，挑顶方法的选择不仅关系到整个结构的安全稳定同时对整个隧道的施工生产进度具有重要影响，因此，在以往的隧道修建中，对隧道挑顶施工展开了大量研究，随着我国隧道施工装备和技术水平的提高，对辅助坑道进正洞挑顶施工技术也越发成熟，并根据围岩地质条件，施工成本等各种因素不断优化设计，提出了多种挑顶施工新方法，以郑万高铁香炉坪隧道7号横通道进正洞为例，阐述在大机配套施工条件下，通过优化施工工艺，充分结合地质条件，快速完成Ⅲ级围岩条件下的挑顶施工，并对横通道挑顶施工进行简要总结。

1 工程概况

郑万高铁香炉坪隧道位于湖北省宜昌市兴山县境内，全长15 154 m,为大断面双线隧道，全隧设计围岩Ⅲ级占29.3%，Ⅳ级占58.59%，Ⅴ级占12.11%，隧道最大埋深1 100 m，隧道进口D1K585+082～D1K586+980段为低瓦斯段，全隧穿越香炉坪断层和姜家坡断层，隧道围岩复杂多变，地质条件复杂，洞身右侧顺层偏压，洞口右侧边坡顺层，为满足施工工期、防灾救援、通风排水的需要，结合地形、地质条件，本隧道采用“4平导+2斜井”的辅助坑道模式，隧道采用大机配套全断面法进行施工。

2 设计参数

2.1 正洞设计参数

香炉坪隧道一号平导7号横通道进正洞对应洞身围岩等级设计为Ⅲ级，交叉口段采用Ⅲ级加强复合式衬砌，拱墙设置Ⅰ18工字钢架，钢架纵向间距1.0 m,系统锚杆拱部采用φ25预应力锚杆、边墙采用φ22砂浆锚杆，锚杆长3.5 m，间距1.5 m×1.5 m(环×纵)，拱墙设置φ6钢筋网，网格间距20 cm×20 cm，初期支护设计喷射C30混凝土，厚25 cm，二次衬砌采用C35钢筋混凝土，厚45 cm，正洞断面图如图1所示。

2.2 横通道设计参数

横通道原设计采用单车道无轨Ⅰ型Ⅲa型复合式衬砌，净空5.0 m(宽)×6.0 m(高)，由于香炉坪隧道进口为加强型机械化配套工区，工区全电脑三臂凿岩台车、湿喷机械手、钻注一体式锚杆台车、钢拱架安装台车等大型机械配套齐全。隧道7号横通道与正洞小里程方向平面夹角45°，原设计采用无轨单车道Ⅰ型断面，凿岩台车长18 m，通过横通道转入正洞施工时通过条件困难，根据施工组织需要，为提高大型机械通过效率，提高施工效率，7号横通道断面净空尺寸调整为7.5 m×6.2 m(宽×高)，采用双(错)车道Ⅲ级围岩Ⅲa型复合(交叉口)衬砌，初期支护采用锚喷支护，系统锚杆拱部采用φ22砂浆锚杆，锚杆长2.5 m，间距1.2 m×1.5 m(环×纵)，拱部设置φ6钢筋网，网格间距25 cm×25 cm，初期支护设计喷射C25混凝土，厚12 cm，二次衬砌采用C25混凝土，厚25 cm，横通道断面图如图2所示。

3 挑顶方案

香炉坪隧道进口7号横通道长31.87 m，横通道中线与平导中线交叉里程为PD1K587+849.1，与正洞左中线交叉里程为D1K587+902.85，与正洞小里程方向夹角45°，横通道交叉口位置关系如图3所示。

3.1 采用门架导洞法

采用门架导洞法能够使用门架横梁作为正洞的临时支撑，由于其开挖断面小，初期支护能够快速封闭，保证了围岩的稳定和施工安全，在挑顶过程中这种方法特别在软弱围岩地段得到了广泛应用。

具体实施方式为，在横通道开挖至正洞边缘时支立两榀锁口拱架，采用门式导洞向主洞开挖，在门型拱架安设完成后，及时进行锚喷支护，加强导洞的稳定性，在导洞开挖支护完成后，进行该段交叉口主洞锁口及挑顶段钢拱架的安装，并及时进行喷混凝土支护，支护完成后对门式导洞两侧的拱架进行拆除，进行主洞上台阶的开挖支护作业，见图4～图7。

采用门架导洞法能够安全稳定的完成挑顶段的施工，但同时存在以下问题：

1)从图4可知，在门型拱架安设完成，进行挑顶段正洞拱架的立设时，门架横梁无法进行拆除，永久性地作为正洞初期支护的一部分，且后期进行正洞两侧的开挖时，需要对已经锚喷支护过的门架进行拆除，拆除后的门架基本扭曲变形，无法再次利用，造成了钢材的浪费，增加了成本。

2)从图6，图7可知，由于正洞拱架与横通道锁口拱架的顺接，导致左上方局部形成了三角形超挖带，这种超挖多半是由于人为导致，是由施工方法所决定的，很难避免，在后期施工二次衬砌时，需要对其进行回填，增加了混凝土的使用量。

3.2 采用反向扩挖法

由于7号横通道进入正洞对应洞身围岩为Ⅲ级，围岩自稳能力较好，采用扩挖法进行施工，不仅保证了安全同时提高了施工效率。图8在横通道与正洞交叉口立设两榀锁口拱架进行加强支护，然后开挖进入正洞，并以较小断面(小于正洞开挖轮廓2 m～3 m)向两侧开挖，待两侧开挖一定距离后，由出口方向逐步抬高开挖至正洞拱顶位置形成上台阶开挖，然后不断扩大开挖半径直到开挖至正洞设计轮廓，形成正洞上台阶开挖，最后进行反向开挖，完成整个交叉段的开挖。

对于Ⅲ级围岩，采用扩挖法，充分利用围岩的自稳性，采用锚喷支护一方面提高了施工效率，另一方面降低了施工成本，且扩挖法使用较为灵活，能够根据开挖揭露的围岩情况及时调整支护参数，能够较好地保证施工安全。但仍然存在一定的不足，主要体现在：1)该工法在实施中由于需二次扩挖,对土体的扰动较大[4]；2)在整个反向扩挖法实施过程中，不断改变开挖方向，且受开挖场地和方向的限制，不利于大型机械化设备正常开展工作。

鉴于香炉坪隧道7号横通道进正洞的地质条件，决定采用扩挖法进行挑顶，并结合香炉坪隧道大机配套开挖的工装设备，对现有的扩挖法进行优化。

4 挑顶方案实施

香炉坪隧道7号横通道进正洞洞身围岩设计为Ⅲ级，结合地质条件，决定采用外扩法进行挑顶施工，为确保施工安全，在横通道开挖至正洞边缘时，再次施作超前地质预报，采用地质雷达法探明横通道前方围岩情况，施工步骤如下：

1)在横通道开挖至正洞边缘时立设两榀异型拱架，对交叉口进行立拱加强，考虑正洞拱架落脚位置的牢固性，为其提供一个牢固的落脚平台[5]。

2)横通道进入正洞的过程中，不改变进入正洞的方向继续向前开挖至正洞右侧开挖轮廓线的交点,对应横通道里程HTD+048，正洞里程D1K587+929.2，整个开挖过程中采用逐步抬高进行开挖，根据对应的正洞标高不断调整横通道开挖轮廓，每循环开挖完成应及时支护，及时封闭，以有效保证隧道施工质量[6]。

3)对靠近横通道两侧等腰三角形待挖区进行开挖，从而形成正洞上台阶。

4)对上台阶及时进行支护，支护参数为：采用φ6钢筋网，网格间距20 cm×20 cm，拱部采用φ25预应力锚杆，长3.5 m，间距1.5 m×1.5 m(环×纵)，加强支护采用Ⅰ18型钢，间距1 m，喷射25 cm厚C30混凝土。

5)对横通道左侧区域进行开挖，使左侧形成整个正洞上台阶开挖，并继续向大里程进行开挖至D1K587+929。

6)在上台阶往大里程开挖过程中，及时进行支护，立拱加强段至D1K587+913,D1K587+913～D1K587+929采用锚喷支护，钢筋网片采用φ6钢筋网，网格间距25 cm×25 cm，拱部采用φ25预应力锚杆，长3.0 m，间距1.5 m×1.5 m(环×纵)，喷射12 cm厚C30混凝土。

7)反向开挖横通道右侧区域，使小里程开挖至D1K587+893。

8)及时对小里程上台阶进行支护，支护参数同大里程加强支护，完成整个横通道的上台阶挑顶施工，然后再进行下台阶的施工直至形成全断面开挖，开挖步骤如图9所示。

采用上述方法挑顶，应争取一次开挖成型，减少处理欠挖对围岩带来的扰动，交叉口围岩受力复杂,且围岩本身十分破碎,施工中监控量测尤为重要[7]。围岩监控量测是指导施工、确保安全的重要手段，通过施工前和施工中收集的数据和工程地质资料，及时分析判断爆破后围岩稳定状态[8],在整个横通道进正洞段逐步抬高开挖的过程中，每循环开挖结束后严格执行断面轮廓的扫描，并按照横通道对应的开挖标高进行开挖，为方便凿岩台车的进出，每循环利用洞渣回填平整场地，从而保证整个开挖面的坡度角方便凿岩台车和运输设备的进出(见图10)；由于横通道在进入正洞开挖的过程中，横通道左右侧对应的正洞的标高不同，为避免欠挖，减少超挖，在整个横通道进入正洞的开挖过程中，断面轮廓会产生一个过渡(如图11所示)。

采用上述挑顶法，优点如下：

1)与门架导洞法相比，一方面提高了施工效率，另一方面降低了施工成本，采用门架导洞法，在整个挑顶过程中共使用钢材约8.55 t，其中门架横梁2.81 t,门架5.74 t，由于门架横梁掩埋在正洞初期支护的拱架上方无法拆除，造成材料浪费，两侧门架在锚喷支护后，从混凝土中再次拆除时，大多扭曲变形再次重复使用的利用率极低，整个门架导洞法在实施过程中无法避免的会产生三角形超挖带，增加了后期施工混凝土的使用量，门架支护和锚喷支护相比增加了施工工序和施工时间。

2)与现有的外扩法相比，现行的外扩法需要不断扩大开挖半径和开挖方向，不利于大型机械化设备开展工作，依赖于人工打眼爆破开挖，不仅增加了劳动力的投入，效率远不如凿岩台车开挖，且原先外扩法不断扩大断面轮廓和转向，增加了对围岩的扰动，不利于围岩自身的稳定。

香炉坪隧道7号通道在挑顶过程中通过对各种挑顶方案进行比选，结合围岩地质条件等各种因素，因地制宜，选择了最经济合理的挑顶方法，并对其进行优化改进，充分利用现有的工装设备，采用三臂凿岩台车快速完成了挑顶施工，提高了施工效率，降低了施工成本。

5 结语

随着我国隧道施工装备水平和技术水平的不断提高，横通道进正洞挑顶施工技术也越发成熟，在原有的外扩法、导洞法、双联法等[9]施工方法的基础上衍生出垂直挑顶法[10]、无门架导洞法[11]等多种施工方法，并针对软弱富水围岩等地质条件复杂地段挑顶施工展开大量研究，积攒了大量施工经验。目前随着隧道施工领域不断拓展，长大隧道逐渐增多，地质条件更趋复杂，横通道进正洞的挑顶方法应以保证安全为前提，并综合考虑影响施工成本的各种因素，因地制宜，通过对方法不断改进和优化，充分利用现有的工装设备，使其达到安全、经济、高效的目的。无论选择何种方法，在整个施工过程中，由于三岔口受力结构的复杂性，应加大对施工过程中的控制，严格按照施工方案进行施工，及时支护，并根据地质条件对支护参数进行调整，从而保证横通道进正洞的安全。

香炉坪隧道7号横通道利用凿岩台车进行挑顶，与传统人工挑顶相比，更加方便快捷、安全高效，随着我国隧道建设机械化水平不断提高，加之人工劳动力年龄结构偏大趋势明显，成本不断上涨，隧道全机械化开挖将会成为一种必然[12]，在未来的隧道施工中，利用凿岩台车进行辅助坑道进正洞挑顶施工值得推广和应用。