软弱富水地层大断面隧道挑顶施工技术研究.pdf

书书书 工程地质学报 （）杜传球，李馨芳，张博，等 软弱富水地层大断面隧道挑顶施工技术研究 工程地质学报，（）：，（）：软弱富水地层大断面隧道挑顶施工技术研究杜传球李馨芳张博陈乾张晓平（中铁十二局集团第二工程有限公司，太原 ，中国）（武汉大学土木建筑工程学院，岩土与结构工程安全湖北省重点实验室，武汉 ，中国）（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 ，中国）（中铁建云南交通建设管理有限公司，昆明 ，中国）摘要复杂地质条件大断面隧道斜井进正洞挑顶施工风险高，交叉口处空间结构复杂、应力转化频繁，支护结构强度难以有效抑制围岩变形，导致塌方事故威胁施工安全。为了提高软弱富水地层大断面隧道挑顶施工的安全性，本研究以三清高速公路西山营隧道斜井进正洞段挑顶施工为例，提出了在交叉口处采用门架上部拱架和门架加强环联合支护的新型支护结构，优化了门架加强环支护强度及挑顶施工工艺，阐述了垂直挑顶进洞施工方案、施工流程和施工要点。研究结果表明，所提的新型支护结构减少了开挖面围岩的超挖面积与变形量，加强了应力集中部位的支护强度与稳定性。所提工法的施工用时仅 余天，相较于传统工法节约近一倍工期，通过合理组织工序加快了斜井进正洞段交叉口处的施工进度。隧道现场监测结果表明，挑顶施工期间交叉口处围岩收敛变形及稳定性控制满足施工要求。总体上所提工法的技术原理简单、实际操作性强，可为类似工程地质条件下大断面隧道挑顶施工提供经验参考与技术指导。关键词软弱富水；大断面；挑顶施工；交叉口；门架加强环中图分类号：文献标识码：收稿日期：；修回日期：第一作者简介：杜传球（），男，学士，高级工程师，主要从事工程施工技术管理工作 ：通讯作者简介：张晓平（），男，博士，教授，博士生导师，主要从事岩石力学、工程地质及地下工程等方面的研究工作 ：（，）（，）（，）（，），；引言国民经济的快速持续发展促进了交通运输和隧道工程建设的繁荣，一大批深埋长大隧道应运而生。目前我国已成为世界上隧道建设规模最大、发展速度最快、修建难度最高的国家（洪开荣，；兰恒星等，；隋旺华，；唐少辉等，）。为了协助通风排水、加快掘进速度，长大隧道通常设置斜井作为辅助坑道以增加工作面（宋金贵，；闫志刚，）。由于斜井进入正洞的交叉口处空间结构复杂，应力转化频繁（张洪达，），特别是不可避免地穿越软弱、富水、断层破碎带等复杂地质条件时容易产生坍塌风险，研究一种安全、高效的挑顶施工方案具有重要的工程意义。目前国内诸多学者已在隧道工程挑顶施工技术方面进行了研究和总结，并取得一系列应用成果（徐彬等，；杨延勇，；章剑等，；阚呈等，；胡浩，）。刘毅等（）总结了“小包法、大包法、导洞挑顶法、斜井挑梁施工法以及棚架套拱挑顶法”等 种常见的斜井进正洞施工方法，但这些方法仅适用于围岩变形量小于 的小变形隧道（于家武等，）；史振宇（）提出了“超前支护、分布开挖、加强支护、随挖随护、及时封闭、加强监测”的挑顶施工方案，为软弱围岩大断面隧道的斜井挑顶施工提供了新思路；邓启华等（）针对大断面软弱富水围岩隧道中存在突水涌泥问题，采用横挑梯形导洞挑顶进正洞的施工方案安全、高效地完成了落地作业；刘毅等（）通过对纵向爬坡导洞法和同心圆曲拱墙扩挖法进行数值模拟，对比分析了两种工法对破碎岩体隧道结构的影响；鲁建邦（）对大断面隧道挑顶过程中的力学场特征和变化趋势进行了研究，表明了在斜井中对正洞核心土进行注浆加固可以有效改善支护体系；宋志荣（）针对斜井洞口处于高山、峡谷等不利位置且洞身较长的施工条件，提出了从主洞交叉口反向施工斜井技术。综上所述，关于不同地质或施工条件下的挑顶技术研究仍以优化斜井和正洞的交叉口段为主，通过提前渐变、渐变处施作二次衬砌后在设计断面 转 换 处 突 变 的 方 法 完 成 挑 顶（刘 毅 等，）。针对软弱、富水、断层破碎带等复杂地质条件下的大断面隧道工程，在交叉口处狭小的作业空间下，围岩应力集中，初期支护强度难以抑制围岩变形，而且工序错综复杂，仍存在支护体系拆换处理和结构应力频繁转化的问题，未能有效解决交叉口段围岩复杂的受力状态（袁哲等，；田朝阳等，；周航等，）。本文以新建三清高速公路西山营隧道挑顶施工为例，通过采用门架上部拱架和门架加强环构成的新型联合支护结构，优化了门架加强环支护强度及挑顶施工工艺，实现了大断面隧道在软弱富水地层中的安全、高效挑顶施工，并结合隧道现场监控量测结果，总结分析了所提挑顶工法的实际应用效果。工程概况西山营隧道位于昆明市宜良县，隧道全长约 （）杜传球等：软弱富水地层大断面隧道挑顶施工技术研究 ，左线起讫里程 ，最大埋深约 ，右线起讫里程 ，最大埋深约 ，是曲靖三宝至昆明清水高速公路重大控制性工程之一。如图 所示，隧道设置一道斜井，全长 ，与正洞左线相交于 ，平面交角呈 ，纵坡度 ，交叉口段拱顶埋深约 。图 斜井与主洞交叉平面示意图 设计概况斜井井身采用单线断面级复合式（设底板）衬砌结构，洞身开挖断面宽度 ，高度 。隧道正洞为分离式结构，单洞开挖宽度 ，高度 。交叉口段斜井与正洞支护参数如表 所示。地形地貌隧道区属构造剥蚀中低山地貌，整体位于南北走向的脊状、带状山群中，地形较陡，空间狭窄，沟壁与线路垂直相交，地面高程 ，相对高差 ，自然坡度为 ，植被茂盛，主要为松树和灌木丛，少量低矮丛林及旱地。隧道斜井至正洞段地形相对平缓，缓坡地带及浅状沟槽覆土相对较厚，林地、耕地较少。工程地质隧道洞身围岩主要为元古界震旦系上统灯影组、陡山沱组白云岩，裂隙、构造、岩溶均较发育，岩体破碎、稳定性差，级围岩占 ，级围岩占 。物探解译结果表明，斜井附近存在一处地质断层（），为往大里程方向倾斜的逆断层，上、下盘均为粉砂岩、页岩及砂岩互层，下伏灰岩夹白云岩，在 段与线路呈 表 正洞与斜井支护参数 项目正洞斜井超前支护 长管棚 环向间距 纵向间距 小导管 环向间距 纵向间距 初期支护系统锚杆 中空注浆锚杆 环纵间距 砂浆锚杆 环纵间距 拱架 工字钢 拱架 钢筋网双层 钢筋网网格间距 钢筋网网格间距 喷射砼 钢筋砼 钢筋砼 二次衬砌 钢筋砼 钢筋砼 相交，断层产状为 ，断裂带影响宽约 。隧址区基本地震烈度为 度，为强震区。水文地质地下水主要为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水及断层破碎带裂隙水，分别赋存于坡残积层、基岩岩层及断层破碎带中，水位埋深随季节变化，受补给影响水量较大，水量受基岩裂隙发育程度影响，局部可能富集，施工时水表现为股状、涌流状，局部存在突 泥 涌 水 现 象。斜 井 预 测 正 常 涌 水 量 为 、最大涌水量 ，涌水问题较突出。挑顶方案选择常规挑顶方法通常在交叉口处设置挑顶门架承重梁支护，即在交叉口处以辅助坑道结构和门架为基点，对小洞室单元结构进行支撑，形成稳定的支护结构，以快速完成正洞台阶法施工转换。本项目工程地质条件较复杂，传统挑顶方法可能存在施工风险隐患。一方面，交叉口处结构不足以支撑正洞初期支护，导洞段正洞拱架承担的外力传递到斜井挑顶门架上，将导致软弱、富水段围岩变形加大，安全风险随之加剧；另一方面，在交叉口处全断面施作挑顶门架，围岩扩挖量较大，不利于支护结构稳定，存在大变形与坍塌的风险，而且施工人员在无支护条件下作业也加大了安全隐患。此外，斜井交叉口 工程地质学报 与导洞依次开挖施工导致工期延长，由于斜井位于隧道工程关键路线上，极大可能延误总工期。通过对已施工斜井段软弱、富水地层特性及变形特点综合分析，发现需要加强斜井井底交叉口处支护强度，确保交叉口部位受力稳定。如 图 所示，选择在斜井与正洞交叉口处设置门架上部拱架和门架加强环联合支护，在交叉口处施作门架上部拱架后掘进导洞，利用挑顶导洞施工时段，斜井下台阶同步支护至交叉口处，然后返回施作门架加强环，采用异性拱架支护导洞段正洞完成挑顶施工。图 斜井与正洞交叉口段示意图 挑顶施工技术 斜井段与横通道段施工采用台阶法施工依次通过斜井段 和横通道段 ，斜井上台阶每循环进尺控制在 ，上台阶高度 ，下台阶左右两侧交错施作，交错长度 ，初期支护采用型钢拱架、系统锚杆、钢筋网以及喷混联合支护。如图 所示，斜井段拱架为 工字钢曲墙式衬砌，拱架高度 ，拱架间距 榀，隧道径向和纵向之间分别设置连接板和连接筋固定。斜井自 后进入横通道降底加强段（）施工。为了满足门架加强环的安装宽度和正洞仰拱出渣需求，在加强段 降低斜井底面 后，曲墙式衬砌更换为 工字钢直墙式衬砌，拱架高度调整为 ，拱架间距 榀。横通道段的衬砌断面由曲墙式变为直墙式，有利于控制结构变形、降低施工难度以及方便车辆行驶。交叉口段临时支护为了减少围岩超挖量、提高作业效率，在交叉口图 斜井段与横通道段示意图 部位 处抬高拱架高度，采用门架上部拱架和锚网喷联合支护，首先进行斜井上台阶的开挖与支护，待下台阶施工至 处时再进行门架上部拱架的下断面支护。如图 所示，拱架采用 工字钢直墙式衬砌，拱架高度调整为 ，拱架间距 榀。图 斜井拱架示意图（单位：）（：）挑顶导洞施工完成斜井交叉口处临时支护后，在其掌子面顶部位置采用 的矩形导洞进行正洞洞身开挖，矩形挑顶导洞的宽度 满足小型挖掘机扒渣需要，开挖进尺 ，开挖坡度根据交叉口处斜井与正洞的设计拱顶高差确定。在本工程中，挑顶导洞拱顶高程超出正洞设计开挖线 ，越过正洞中轴线后，垂直于正洞中线平坡开挖至对侧，洞顶标高随正洞开挖轮廓线调整，导洞临时支护及时跟进。初期支护为架立型钢拱架、挂网喷锚联合支护，具体的超前支护及初期支护参数如表 所示。（）杜传球等：软弱富水地层大断面隧道挑顶施工技术研究表 挑顶导洞支护参数表 超前支护初期支护 小导管 环向间距 纵向间距 系统锚杆拱架钢筋网喷射砼 中空注浆锚杆 环纵间距 工字钢 双层 钢筋网网格间距 钢筋砼 交叉口加固支护为了保证导洞段正洞支护受力均衡，交叉口处的门架上部拱架支护至正洞内侧，且挑顶导洞施工至正洞外侧上台阶拱脚处时，返回交叉口部位施作门架加强环，同时跟进交叉口处初期支护后的二次衬砌混凝土浇筑。如图 图 所示，门架加强环是由三榀 型挑顶门架、三榀 型套拱、三榀 型衬砌模拱以及混凝土浇筑形成的整体式结构，施工时从内向外依次施作挑顶门架、套拱以及绑扎钢筋后，再挂置衬砌模拱并浇筑混凝土。为了确保门架加强环牢固稳定，拱架在每侧增设 根 ，锁脚锚杆和 ，砂浆锚杆后喷射 混凝土，用以固定横梁和支撑柱。图 门架加强环横断面示意图（单位：）（：）导洞段正洞支护交叉口处门架加强环施工完毕后，在挑顶门架内侧按正洞初期支护参数进行初期支护施工。如图 所示，导洞段正洞拱架采用 工字钢异型拱架，左侧放置于门架加强环的挑顶门架横梁上，右侧图 门架加强环横断面施工图 图 交叉口段横断面示意图（单位：）（：）落脚于正洞上台阶的底面岩层上。如图 所示，正洞拱架间距为 ，架设结束及喷砼后，对拱部进行径向注浆以加固被扰动围岩，小导洞顶部初支内侧沿正洞开挖轮廓线布置，小导洞顶部采用挂网满喷砼支护，两侧边墙采用素喷砼进行封闭。正洞台阶法施工正洞采用三台阶 临时仰拱法开挖，上台阶开挖后及时进行初期支护，中下台阶待上台阶通过斜井与正洞的交叉口部位后施工，台阶高度自上而下依次为 、，正洞支护参数如表 所示。具体施工步序如图 所示，导洞段正洞支护结 工程地质学报 图 正洞台阶法施工示意图 束，采用气割拆除挑顶导洞的曲靖侧边墙，拆除完成后对挑顶导洞进行降底以形成正洞上台阶，正洞上台阶的两个工作面分别超过导洞边墙 后，再同时进行挑顶导洞宽度范围内的正洞中台阶降底开挖，正洞上中台阶施工足够距离并满足施工空间要求后，开挖支护正洞下台阶以形成常规三台阶，待形成足够的施工作业空间后，开始进行正洞仰拱开挖支护，正洞上中下台阶每个作业面同时进行施工，形成正常的作业工序，完成斜井进正洞的挑顶施工。监控量测挑顶施工会引起交叉口处的围岩产生应力重分布和应力释放，进而可能造成支护结构的变形破坏，而通过实时监测围岩变形量可以判定结构受力状态与施工工艺可行性。通过对斜井与正洞的交叉口处变形量较大的两个典型断面（图 ）进行监测分析发现，正洞位置的围岩变形增速在开始阶段较大而后趋于稳定，交叉口处变形相比于正洞变形总体偏小，其在施作导洞段正洞的初期支护时变形速率略有增加，在第 仰拱封闭时逐渐趋于稳定。如图 所示，正洞 断面拱顶沉降和周边收敛的最大变形速率分别为 、，累计变形值分别在 、之后趋于稳定；交叉口处 断面拱顶沉降和周边收敛的最大变形速率分别为 、，累计变形值分别在 、之后趋于稳定。总体而言，拱顶沉降和周边收敛速率及其累计变形量均在允许范围内，交叉口处支护结构稳定。工程应用效果分析 安全性分析本工程在交叉口处采用门架上部拱架和门架加图 交叉口段变形监测数据分析图 强环联合支护，门架加强环采用三榀挑顶门架、套拱、衬砌模拱以及混凝土浇筑形成的整体式结构，显著提高了交叉口处支护强度，保证了软弱、富水地层大断面隧道挑顶施工的安全性。现场变形监测结果表明，在门架上部拱架和门架加强环的联合支护下，实施正洞挑顶变形可控。通过门架上部拱架临时支护交叉口部位，待挑顶导洞施工完毕后，再返回施作门架加强环，使施工人员在门架上部拱架和门架加强环的联合支护下作业，降低了围岩超挖量与收敛变形量，避免了传统挑顶方法中无支护、一次性施作挑顶门架产生的施工风险，快速有效地解决了复杂地质条件下交叉口处的挑顶技术问题。进度分析本工程通过合理安排施工工序，实现了横通道段至挑顶导洞段施工用时仅 余天的进度优化，相较于传统挑顶工法节约近一倍工期。其优势具体表现为：首先通过门架上部拱架临时支护交叉口部位，使挑顶导洞和斜井各工作面同步施工，在挑顶门架施工至正洞上台阶外侧且斜井横通道段施工完成后，施作交叉口处的门架加强环支护，节约交叉口处支护时间，实现挑顶导洞和斜井平行施工，加快由斜井进正洞交叉口处的施工进度。适用性分析在本工程中通过分析交叉口位置的软弱、富水地层特性及变形特点，提出了一种新型联合支护结构，优化了交叉口部位的空间结构受力。研究表明所提的支护结构参数满足西山营隧道的施工要求，但由于交叉口处空间结构复杂、应力转化频繁，以后 （）杜传球等：软弱富水地层大断面隧道挑顶施工技术研究类似工程建议进一步开展理论力学分析与数值模拟研究，并结合具体的工程地质条件优化交叉口处围岩的受力与变形特性，为挑顶支护结构设计、施工技术措施提供充分可靠的依据。结论本文针对云南省三清高速西山营隧道，提出并成功实施了一种软弱富水地层大断面隧道斜井进正洞施工方法，辅以围岩收敛变形监测结果验证了施工方案的安全性，主要结论如下：（）所提工法通过采用门架上部拱架与门架加强环构成的联合结构进行交叉口支护，减少了开挖面围岩的超挖面积与变形量，加强了应力集中部位的支护强度与稳定性。隧道现场监测结果表明，交叉口处围岩收敛变形及稳定性控制满足施工要求。（）所提工法通过合理安排施工工序实现了挑顶导洞与斜井平行施工，加快了由斜井进正洞交叉口处的施工进度。在西山营隧道中，从横通道段至挑顶导洞段施工用时仅 余天，相较于传统挑顶工法节约近一倍工期。（）所提工法的技术原理简单、实际操作性强，改善了传统挑顶方法中交叉口处的结构支护强度低、围岩扩挖量大等问题，可为类似工程地质条件下大断面隧道挑顶施工提供借鉴和参考。参考文献 ，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，工程地质学报 ，（）：，：，（）：邓启华，王友军，姚日高 富水隧道级围岩双车道斜井进正洞挑顶施工技术 铁道建筑技术，（）：洪开荣 我国隧道及地下工程近两年的发展与展望 隧道建设，（）：胡浩 软岩隧道异形门式挑顶研究 长沙：长沙理工大学姜函 横向棚洞法在隧道斜井进入正洞挑顶施工中的应用 工程技术研究，（）：阚呈，张志强，郭艳华，等 隧道与斜井交叉段用钢纤维砼支护受力研究 地下空间与工程学报，（）：兰恒星，张宁，李郎平，等 川藏铁路可研阶段重大工程地质风险分析 工程地质学报，（）：刘毅，贺祖浩，王志敏，等 破碎围岩条件下隧道挑顶施工技术研究 现代隧道技术，（）：刘毅，张勇，彭振，等 大跨地铁隧道斜井进洞垂直挑顶施工关键技术 现代隧道技术，（）：鲁建邦 大断面隧道挑顶施工三维数值计算分析 铁道标准设计，（）：史振宇 包家山隧道大断面斜井进正洞挑顶技术 隧道建设，（）：宋金贵 横洞进正洞交叉口设计优化方案研究 隧道建设，（）：宋志荣 二郎山特长深埋隧道通风斜井反井法施工技术 现代隧道技术，（）：隋旺华 矿山安全地质学：综述 工程地质学报，（）：唐少辉，张晓平，刘浩，等 复杂地层水下盾构隧道工程难点及关键技术研究与展望 工程地质学报，（）：田朝阳，兰恒星，张宁，等 某交通线路色季拉山隧道高地应力岩爆风险定量预测研究 工程地质学报，（）：徐彬，闫娜，李宁 软弱夹层对交叉洞稳定性的影响分析 地下空间与工程学报，（）：，闫志刚 极软弱破碎围岩门式系统挑顶技术研究 铁道建筑技术，（）：，杨延勇 软弱围岩隧道斜井转正洞设计与施工技术 铁道标准设计，（）：于家武，龙文华，郭新新，等 预应力锚索支护技术在高地应力大跨径隧道挑顶施工中的应用 以渭武高速公路木寨岭隧道为例 隧道建设（中英文），（）：袁哲，李庆广，鹿广 特大断面隧道挑顶施工关键技术 公路，（）：张洪达 软弱地层辅助坑道进隧道正洞上联洞 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