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1、软弱围岩斜井转正洞“小包法”施工技术研究前言随着铁路施工的大发展，高标准、大断面、地质复杂的长大隧道设计越来越多，往往由于受地形条件限制、工期的压力、地质勘查失误等影响，选定斜井的位置不得不从软弱围岩或地质条件变化复杂地段中进入正洞，采用一种较安全、经济、快速的进行从斜井转换成正洞施工方法，值得我们进行技术研究和探讨。本文介绍的软弱围岩斜井转正洞“小包法”施工，主要分为交叉口斜井井身施工、巷道施工、正洞上、中、下台施工和底部封闭施工四个部分。“小包法” 施工其原理为扩挖斜井、巷道上包正洞，为正洞施工创造作业面，之后，正洞采用至上而下分台阶进行施工，即通过抬高与正洞交叉段斜井拱顶标高，以巷道开挖
2、最高处高出正洞开挖轮廓线0.91.1m，外包正洞支护钢架，然后至正洞拱顶由上而下分台阶施工到底部，最后快速封闭成环的施工方法。1 工程概述1.1 工程项目背景八苏木隧道是京包线集宁至包头段增建第二双线重点控制工程，位于内蒙古南缘之大青山低中山区，洞身穿越印河与大黑山河的分水岭，通过区地层岩性较为复杂，主要有第四系全新统洪积层及坡积层，上第三系上新统玄武岩、泥岩夹砾岩、华力西中晚期花岗岩等。隧道全长8184m（其中级围岩长1385m，级围岩长4090m，级围岩长2425m，级围岩长284m，、级围岩占33%），为单洞双线隧道，隧道最大埋深约130m。隧道施工设斜井两处，分别为南梁子斜井（DK52
3、7+800）和土卜子斜井（DK529+900）。土卜子斜井与正洞线路平面交角为45,坡度9%,斜井长度892m，衬砌内净空为：净高5.9m，净宽5.0m。1.2工程地质土卜子斜井与主洞交叉处围岩为第三系砂岩夹薄层泥岩，砂岩中层状，水平层理，少量渗水，成岩差，围岩极软，宜变形坍塌（离正洞216m均为这种围岩）。原设计为级围岩，现按级围岩开挖支护。1.3设计变更后支护措施斜井井身（与正洞交叉段）20m按级支护，支护措施：I12.6间距1.0m钢架，喷15cm混凝土，8钢筋网间距2525cm，22锚杆（拱墙）间距1.01.0m，长度2.5m，模筑混凝土30cm厚，铺底混凝土35cm厚。交叉段正洞两侧
4、各20m按级支护，支护措施：I20b间距0.6m钢架（全环），喷25cm混凝土，8钢筋网间距2020cm，25（拱部中空锚杆）、22（边墙砂浆锚杆）锚杆间距1.01.2m，长度4m，模筑拱墙钢筋混凝土50cm厚，仰供钢筋混凝土55cm厚，预留变形量1015cm。2 技术难度和科研课题针对这种软弱围岩如采用常规的“小导洞扩挖”转正洞方法，安全风险极大，且费用高，进度慢。“小导洞扩挖”施工方法，即通过斜井向正洞爬坡开挖小导洞，并对导洞作较强的临时支护，扩挖至拱顶后，再向前以三台阶开挖方法施工35m，形成拼装全断面开挖台架作业面，拼装台架，暂停向前作业面施工，然后全断面反向压顶向交叉口施工，形成两个
5、工作面。这种方法施工存在几个主要问题：（1）软弱围岩采用全断面开挖安全风险极大，极易坍塌；（2）小导洞的临时支护需要全部废除，增加成本；（3）只能一个作用面一个作用面形成，进度较慢。针对这种围岩如何安全、经济、快速的转为正洞施工是一个难题。3 方案确定和主要关键技术针对这种软弱砂岩斜井转正洞，我们通过认真分析和研究，综合考虑安全、工期、成本的多种因素，找到了一种新的施工方法小包法。小包法施工的关键技术：（1）施工交叉口时，围岩应力变化较为复杂，形成的6个面（即：顶部的巷道、底部的仰供封闭、交叉口斜井面、斜井正对的正洞侧面端头墙、延线路方向正洞2个侧面）支护强度和安全问题，需要特殊设计；（2）巷
6、道小钢拱架腿多余部分割除，安装正洞大钢拱架转换过程时，需解决制约巷道拱架下沉、收敛变形，以防安全出现问题；（3）巷道施工断面小，大型机械无法操作，解决快速出渣问题；（4）整个转换过程需要定时、不定时进行监测围岩变形情况，提高监测精度，及时分析结果，采取措施。4关键部位的特殊设计关键部位：（1）交叉口斜井井身段10m长支护设计；（2）巷道开挖支护设计；（3）巷道钢架与正洞钢架交接段设计；（4）正洞侧面端头墙支护设计；（5）锁定斜井口10m范围设计。对关键部位支护进行设计：（1）斜井交叉口井身段10m长支护设计在距正洞侧边10m范围内支护措施：I20b型钢拱架，间距0.6m，喷26cm混凝土，8钢
7、筋网间距2525cm，22锚杆（拱墙）间距0.61.0m，长度3m，分别在拱脚处、墙脚处增设8根长3.5m，22锚杆锁脚，铺底混凝土35cm厚，并在底部增设I16对口撑，间距1.2m，两端与支护拱架墙角焊接，形成支护闭合环。（2）巷道开挖支护设计巷道跨度7m，与斜井正交，采用I20b型钢拱架，钢拱架跨度7米，拱高1米，边墙拱架腿高70cm，拱架间距0.5m，喷26cm混凝土，8钢筋网间距2525cm，22锚杆（拱墙）间距0.51.0m，长度3.5m，开挖时两侧预留核心，每边预留1m宽，中间拉槽，拉槽宽5m，深1m。为了考虑安全、经济对巷道拱架支护不能过强，也不能弱，支护过强不经济，支护弱了不安
8、全，下面对钢架设计进行检算：如图为斜井转正洞钢架支护图，钢架采用I20b工字钢，间距0.5米，钢拱架跨度7米，拱高1米，作用在I20b工字钢上的作用（荷载）组合主要有周围围岩的松散压力和工字钢的自重。结构受力简图如下图所示：a、 参考铁路隧道设计规范式4.24： 式中： （斜井与主洞交叉口设计为级，但实际施工时考虑到该地段超前地质预报探测结果围岩较差，实际施工时按级进行设计），计算围岩压力如下：（式中为两钢架的间距0.5米）（参考表4.24，系数采用较大者）b.结构自重： c.支座反力的计算： 首先考虑全拱的整体平衡，由及 两支座的竖向反力为：同理：。取左半拱为隔离体；由得：同理：d.内力的计
9、算： 如上图的三铰拱的拱轴线方程为，则首先将代入拱轴方程有：；对y求导，将拱轴沿水平方向4等分，即。1. 当时，,， 2.当时，,， 3.当时， 考虑到图形与受力都为对称，则当时与相同。则弯矩、剪力和轴力图如下所示：(满足要求)(满足要求)e.变形计算考虑到支护结构除强度满足要求外，变形也必须在允许的范围内，下面采用叠加法求弯曲变形，利用边界条件进行求解。拱的内力一般有弯矩、剪力和轴力，由于推力的存在，拱的弯矩通常较跨度和荷载相同的梁的弯矩小的多，并主要是承受压力，这就使得拱截面上的应力分布较均匀，因而更能发挥材料的作用。考虑到拱的变形较难求出，采用对比法，利用与三铰拱同跨度和荷载的简支梁进行
10、反算。钢材弹性模量，I20b工字钢惯性矩，则采用叠加法计算变形为：1.均布荷载作用下的变形：2.集中荷载作用下的变形： 3.叠加以后求得的变形为： 考虑到拱的变形通常较跨度和荷载相同的简支梁的变形小的多，则可以认定三铰拱的刚度满足要求。（3）导洞钢架与正洞钢架交接段设计交接处采用双层I20b型钢拱架与巷道小拱角焊接，增设42超前小导管间距40cm，导管长3.5m，增设125钢管对口连接支撑，间距1.0，与巷道拱角下正洞拱架焊接成整体，通过对口连接支撑和超前小导管来分解抵消巷道拱角传下的水平力；正洞两侧拱架各按间距0.5m，各施工4榀后按设计施工，通过缩小正洞拱架间距，加强支撑强度用来支撑巷道拱
11、角传下来的向下垂直力。（4）正洞侧面端头墙支护设计采用16的槽钢，间距1.0m，喷26cm混凝土，8钢筋网间距2020cm，22锚杆，间距1.01.0m，长度3.5m，锚杆与槽钢焊接，槽钢与正洞拱架焊接，形成支护整体，增加支护强度。（5）斜井交叉口10m段加固设计采用支撑门架I20b，间距1.2m，锚网喷混凝土加强支护，支撑门架与支护钢架及底部对口支撑焊接，以型锚网喷支护代替设计的混凝土衬砌，操作简单。5施工步骤及方法软弱围岩斜井转正洞“小包法”施工，主要分为交叉口斜井井身施工、巷道施工、正洞上、中、下台施工和底部封闭施工四个部分。第一部分：交叉口斜井井身施工、在斜井内距正洞边10m位置开始拱
12、部以20%坡度爬坡扩挖，采用台阶法施工，从起点到终点爬坡高度2m（到正洞边比设计斜井高2m）；、交叉口斜井10m支护比设计加强，采用I20b型钢拱架支护，间距0.6m/榀，配合锚网喷形成支护体系，其中，喷射混凝土厚25cm，钢筋网采用8钢筋，间距2525cm，22锚杆长度2.5m，间距1.01.0m。、斜井交叉口下部按20%坡度留施工坡道。图1交叉口斜井井身施工立体图第二部分：巷道施工1、沿斜井与正洞垂直方向施工巷道，中间拉槽，拉槽宽5m，深1m，两侧预留核心，每边预留1m宽， 开挖采用管超前、短循环（一次0.5m），弱爆破、强支护、快封闭、勤量测原理施工。架设横向垂直小拱（小拱与正洞线路方向
13、平行），小拱拱顶高度比对应点正洞大拱高度高1m，小拱采用I20b型钢拱架支护，间距0.5m/榀，超前支护、锚网喷混凝土配合，形成支护体系，拉槽时操作空间较小，大型机械无法操作，专门租赁了一台小挖掘机（小松pc60，宽2m，斗容量0.28m3）解决巷道扒渣问题。图2导洞施工立体图第三部分：正洞上、中、下台施工1、安装正洞大拱架（正洞大拱架与正洞线路方向垂直），进行支护体系转换（见图3），即按照设计轮廓线施工大拱架，与小拱脚连成整体，并在小拱脚处增加对口支撑，与正洞施工的超前小导管形成整体，割除巷道小拱腿、凿除喷射混凝土时，严禁放炮，用风镐修凿，分段、分单元、左右侧错开安装正洞拱架。2、向正洞两个
14、方向施工上台阶（按三台阶法施工，见图4）各6m，采用预留核心土法开挖，之后落中台，交叉段正洞两侧各20m按级支护，支护措施：I20b间距0.6m钢架（全环），喷25cm混凝土，8钢筋网间距2020cm，25（拱部中空锚杆）、22（边墙砂浆锚杆）锚杆间距1.01.2m，长度4m。同时加固正洞侧面的端头墙, 端头墙采用水平型钢暗梁配合锚网喷加固, 型钢暗梁采用16的槽钢，间距1.0m，喷C25混凝土25cm厚，8钢筋网间距2020cm，22锚杆长3.5m，间距1.01.0m，锚杆与槽钢焊接，槽钢与正洞环向拱架焊接，形成组合暗梁增加支护整体性。3、双向上中台向前各再推进6m后，落斜井预留的施工坡道，落正洞下台。 图3正洞换拱示意图 图4正洞双向三台阶示意图第四步：斜井交叉口加固、端头墙加固，正洞交叉口施工1、对斜井交叉口10m范围进行加固，采用I20b支撑门架，支撑门架净高5.9m，净宽5m，间距1.2m，配合锚网喷支护加强，支撑门架与支护钢架及底部对口支撑要焊接牢固。2、加固下台开挖露出的端头墙，措施与中台开挖外露的端头墙一致；3、施作正洞交叉口仰供，及时封闭成环，之后，根据情况及时进行正洞衬砌施工。整个转换过程需要定时、不
