施 工 工 法
中铁二十局集团有限公司
马登峰、吴应明、郭朋超、雷卫东、李 科
1．前言
特长隧道和地质结构复杂的长隧道，通常需要增设辅助坑道以保证工期，其中以横洞和坡率较小的斜井发挥的作用最大，是辅助导坑的首选。横洞和斜井处的隧道埋深相对较浅，地质较差，斜井小断面转入正洞大断面施工过程中，斜井与正洞相交的喇叭口处，地层支护体系和受力状态将会发生复杂的力学转换，如果处理不当，极易发生下沉开裂甚至坍塌事故。
本工法在斜井喇叭口采用“上挑式”开挖，不需“反挑换拱”，能够有效缩短斜井长度，有利于节省投资，属国内首创；主要材料为隧道正洞常用的Ι18、Ι22和H175型钢，施工队伍能够熟练掌握施工工艺，工效较高；组合型钢安装快速便捷，一次成形，组合后所形成的拱桥式结构安全可靠，有效控制了地层沉降。2005年浙赣铁路新羊石大跨、软岩隧道因工期紧迫增设斜井，应用本工法“上挑式”开挖进入喇叭口后，架设I175组合钢架，10天时间即可向正洞进出口方向正常掘进。2007年在石（家庄）太（原）铁路客运专线小坡山、石板山隧道施工中再次应用，效果良好。
2．工法特点
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本工法操作简便，不需增加设备、材料投入，施工队伍能够快速掌握，具有较强的推广性，在施工方法上有以下特点： 2.1开挖工法简易。
斜井进入喇叭口后按正洞断面形状上挑开挖，采用斜井普通段Ι18钢架等初期支护和超前预支护参数。 2.2结构安装便捷。
安装Ι18、H175(或Ι22)型钢组合“拱桥式”结构快速便捷，一次成形，不需“反挑换拱”。
2.3结构安全可靠，能够有效控制下沉。
斜井喇叭口两外侧预先做好钢筋混凝土扩大基础；“拱桥式”结构两侧拱脚置于（过车通道上部通过拱墙内置钢架传入）喇叭口钢筋混凝土基础，并灌注混凝土；拱桥中部组合型钢两两相连后喷射混凝土。形成强大的型钢、混凝土联合拱桥式结构，确保结构和施工安全，有效控制了地层下沉。
2.4斜井喇叭口采用“上挑式”开挖，能够有效缩短斜井(横洞)长度，有利于节省投资。
3．适用范围
本工法适用于铁路、公路隧道、过水隧洞、地下铁道等斜井(或横洞)向正洞开挖跨越喇叭口工程设计与施工。尤其适用于对浅埋暗挖法开挖沉降要求高、地质条件差、由小断面转入大断面的隧道及地铁工程进洞施工。
4．工艺原理
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4.1基本原理
首先将喇叭口看成是斜井的一部分，在斜井进入喇叭口后按正洞断面形状上挑开挖，继续采用斜井Ι18钢架等初期支护。
充分利用正洞初期支护H175型钢钢架的刚度。在喇叭口范围内Ι18钢架初期支护下部按正洞间距架设多组H175(或Ι22)钢架。钢架横向相互连接，两侧钢架下部置于喇叭口两外侧预先做好的钢筋混凝土基础上并灌注混凝土；过车通道上部通过拱墙内置钢架传入钢筋混凝土基础上。拱桥中部喷射混凝土(见图一、图二)，形成强大的型钢、混凝土联合钢拱桥式结构，确保结构和施工安全，有效控制地层下沉。 4.2理论基础
本工法以隧道及地下工程设计、施工规范为理论基础，将桥梁专业技术引入隧道工程，进行合理应用。斜井施工直至进入喇叭口末端均采用斜井初期支护设计参数；喇叭口范围内Ι18钢架初期支护下部，采用类比法，按正洞初期支护设计参数间距架设多组H175(或Ι22)钢架；型钢钢架相互连接，形成“拱桥式”结构。 4.3名词解释
喇叭口：正洞与斜井交汇后形成的公共区域（拱顶为双曲面，喇叭口前端留置通道为敞开式结构）
反挑换拱：传统的斜井进入正洞开挖方法，斜井小断面从大断面正洞下部进入，掘进约30米后再往回扩挖成正洞大断面，初期支护转换为正洞初期支护钢拱架
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Ｉ18喷砼初支预留收敛下沉20cm 中部H175钢架 两侧H175钢架H175钢架支腿二衬砼二衬起拱线正洞中线772120500280300 16014261866图一:立面图
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砼内置Ｉ18钢拱间距60cm隧道中心线中部H175钢架往正洞进口300560680440往斜井口5002226往正洞出口图二:平面图
“上挑式”开挖：本工法首创，斜井小断面从大断面正洞上部
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740进入，然后按正洞断面形状上挑开挖，继续采用斜井普通段Ι18钢架等初期支护参数。 4.4施工顺序
1、按正洞断面形状上挑开挖、支护斜井喇叭口。斜井施工进入喇叭口后按正洞断面形状上挑开挖，采用斜井普通段Ι18钢架等初期支护参数。
2、开挖、灌注钢筋混凝土扩大基础。斜井开挖到达喇叭口终端后，在喇叭口两外侧按预设断面开挖并灌注钢筋混凝土扩大基础。
3、架设斜井喇叭口组合钢拱桥式结构。在喇叭口范围内Ι18钢架初期支护下，采用类比法，按正洞间距架设多组H175(或Ι22)钢架。钢架横向相互连接，两侧拱脚分别置于、过车通道上部通过拱墙内置钢架传入喇叭口两外侧预先做好的钢筋混凝土基础上，并灌注混凝土；拱桥中部复喷混凝土，形成联合钢拱桥式结构。
4、进入正洞施工。拆除正洞范围内竖向Ι18钢架支撑，按环形开挖预留核心土法施工方案，向进出口两个方向进行正洞开挖。
5.操作要点
5.1按正洞断面形状上挑开挖、支护斜井喇叭口
在斜井距正洞8m至5m地段，将斜井曲边墙变为直边墙，净宽从5.6m逐渐加大到6.8m(如图2)。进入喇叭口后按正洞断面形状上挑开挖，采用Φ42超前小导管注浆预支护，初期支护为Ι18钢架全环支撑，间距60cm，喷混凝土厚30cm。到达喇叭口终端按预设断面开挖并灌注3m×6.8m×1.2m钢筋混凝土扩大基础，开挖灌注入口
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端以外5m×6.8m×1.2m钢筋混凝土扩大基础。 5.2架设斜井喇叭口组合钢拱桥式结构
本隧道正洞初期支护为H175(Ι22)全环钢架，间距60～80cm,喷混凝土35cm。类比计算，6.8m宽需采用10组H175钢架，平均间距77cm。
两侧各三组H175钢架间距60cm,宽18.66m,预留20cm沉降高度；并按同等预留高度下接正洞初期支护H175钢架(如图1)，每组钢架两侧各有二条支腿，将两侧钢架支腿全部置于1.2m厚钢筋混凝土扩大基础上。
中部四组H175钢架间距88cm，喇叭口终端与两侧做法相同；入口端预留过车通道开口，在5m扩大基础上待灌注混凝土范围内置Ι18型钢边墙、拱架，将中部四组钢架分别焊接在拱架上(如图2所示)。
10组H175钢架采用[100槽钢两两焊接，间距1.5m，梅花形布置。在正洞拱部，喇叭口两外侧H175钢架上施作6m长Φ42超前注浆小导管，为向进出口方向实施正洞开挖提供超前预支护。分别灌注组合钢架两侧拱脚混凝土，上部组合钢架喷射35cm厚钢纤维混凝土，形成组合钢拱桥式结构跨越斜井喇叭口。 5.3正洞施工
拆除正洞范围内竖向Ι18钢架支撑，按环形开挖预留核心土法施工方案，向进出口两个方向进行正洞开挖。
6.材料与设备
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6.1主要材料
Ι18、 H175(或Ι22)型钢、连接钢筋、锚固小导管（φ42钢管）；普通硅酸盐水泥、C25、C30混凝土及喷射混凝土；炸药、雷管、导爆索；氧气、焊条。 6.2施工机具
空压机、凿岩风枪；挖掘机装载机自卸车；注浆机（注水泥浆）、混凝土搅拌机、输送泵、混凝土喷射机；钢筋调直机、弯曲机、切断机、型钢弯曲机；氧焊机、电焊机。 6.3测量仪器
经纬仪、水准仪、卷尺、水平尺、线锤。
7．质量控制
7.1施工验收标准
7.1.1工程的施工及质量验收，除应达到本工法规定要求外，还必须满足以下规范要求：
《铁路隧道施工规范》TB10204-2002
《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204 《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81 7.1.2主控项目
1、组合型钢“拱桥式”结构所使用的型钢、水泥、砂、石等材料质量必须符合设计要求和规范规定。
2、本结构的外观质量、尺寸偏差等应符合设计要求和规范规定。 3、本结构的型钢、钢筋设置、混凝土、喷射混凝土强度必须符
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合设计要求。
4、组合型钢构件的规格、型号、埋设位置必须符合设计要求。预埋件必须安装牢固。 7.1.3一般项目
1、组合型钢两侧扩大基础钢筋混凝土灌注前检查地基承载力、混凝土仓内几何尺寸等。
2、型钢钢架在运输、装卸、加工过程中不得损伤损杯构件。 3、型钢钢架安装前按设计要求检查钢架的规格、几何尺寸等。 7.1.4组合钢架“拱桥式”结构安装允许偏差及检验方法
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7.1.4－1“拱桥式”结构安装允许偏差
序号 1 2 3 4 5 项目 间距 横向 高程 垂直度 保护层厚度 允许偏差 ±100mm ±50mm ±50mm ±2° －5mm 检验方法 尺量检查 尺量检查 水准仪检查 吊线尺量 经纬仪、水准仪、 拉线尺量 注：由于斜井喇叭口埋深浅、地质差，原设计均设置有收敛预留量，组合钢架“拱桥式”结构在原设计基础上再增设10～20cm预留沉落量，确保结构不侵入二次衬砌净空。
7.2确保达到标准的技术措施和管理方法
7.2.1确保按照ISO9001－2000标准要求，建立完善的现场质量管理体系，并进行有效运行和持续改进。
7.2.2认真细致地进行图纸会审，加强与设计单位的联系与配合。 7.2.3根据本工法和审定的施工方案，现场制作模型，对照模型和施工图，对相关管理人员和所有操作人员，进行全面技术交底。
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7.2.4开挖和制作、安装型钢钢架初期支护时，均按施工图和施工设计要求预留沉降量，并按规范要求做好位移、沉降观测。 7.2.5在按正洞断面上挑开挖时，需要做好中线水平测量控制。上挑开挖每榀Ι18钢架（间距60cm）需上抬30cm左右，Φ42超前小导管长度不受限制；下降开挖时，Φ42超前小导管长度受限，现场采用2.5m长小导管，将小导管环距和排距相应减小。
7.2.6为保证正洞H175钢架准确安装，钢架需在洞口放样、编号。钢架接头与正洞作业要求相同，分别加设钢垫板，螺栓连接。 7.2.7复架正洞H175钢架时，为确保与初期支护Ι18钢架密贴，在两组钢架间楔入[100短槽钢，间隔1.5m梅花形布置；间隙较小处采用Φ25短钢筋楔入。
8、安全措施
除遵照有关规范、标准进行施工外，还应采取以下安全措施： 1、做好斜井防排水措施。斜井洞外明挖边坡要求进行浆砌防护，设排水沟并在斜井洞口设集水井抽排。
2、采用短开挖，紧支护施工工艺，防止小坍塌累积扰动岩土引发安全事故。
3、由于斜井普通段无二次衬砌，必须做好初期支护的位移、沉降观测，发现异常及时补强并调整支护参数。
4、架设组合钢拱桥式结构时，因喇叭口施工场地相对狭小，设专人指挥协调人工配合小型机具安装。
5、喇叭口组合钢拱桥式结构架设完工后，选择进、出口一侧拆
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除竖向Ι18钢架支撑，开挖支护10～15m后再施工另一侧。
9、环保措施
9.1环保指标主要包括
施工噪音≤70分贝，施工现场目测无扬尘，废水达标后排放，建筑垃圾分类处理。 9.2环保监测主要包括
对施工现场的噪音、废水等进行监测项目，均需达到国家环保标准要求。 9.3环保措施
9.3.1减少施工噪音措施主要有：物体搬运轻起轻落；减少施工作业的敲击噪音；金属型材切割、铁件加工区域增加隔音墙体进行防护；使用环保型震动器进行混凝土浇筑振捣。
9.3.2废水、建筑垃圾处理措施有：斜井喇叭口施工现场设置污水沉淀池和筛滤网，使废水过滤、沉淀和化学中和后排放；建筑垃圾采用容器分类、分区密闭堆放，运往环保部门指定处理场所。 9.3.3减少施工扬尘措施有：对施工现场地面进行硬化处理，并安排专人定时清扫；必要时对现场进出车辆进行轮胎清洗；施工人员在作业面上做到文明施工、工完场清。 9.4文明施工管理
9.4.1我单位对全部工程施工实施标准化管理，要求全面争创文明工地，将本工法相关作业内容纳入项目部《文明施工创建规划》。 9.4.2文明施工的主要措施内容包括
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1、完善施工及安全防护设施，完善各类标志及标识。 2、及时、合理调整现场布局，并定时清理现场。 3、改进施工人员现场服务设施。
4、开展职工文明施工行为教育和文化娱乐活动。
10、效益分析
10.1经济效益
本工法结构安装便捷，一次成形，不需反挑换拱，便于现场施工，有利于尽早投入到正洞施工。
斜井喇叭口采用“上挑式”开挖，有效缩短了斜井长度或牵引设施及牵引过程中所发生的二次倒运、误工费用。应用实例斜井抬高了5m，坡率为10∶1，可缩短斜井长度50m，按每米斜井0.5万元计，可节省投资二十余万元。 10.2环保节能效益
斜井喇叭口采用“上挑式”开挖，与传统的“反挑换拱”开挖方法相比，减少了斜井小断面从大断面正洞下部进入，掘进约30米后再往回扩挖成正洞大断面的拆除与二次加固费用。避免对原岩的二次爆破扰动，减少了拆除初期支护噪音污染和危险源；减少了炸药、雷管、导爆索用量和粉尘量；减少了型钢、水泥用量；节省了混凝土养护用水和降尘用水。 10.3社会效益
本工法的形成，为铁路、公路、地铁等斜井(或横洞)向正洞开挖跨越喇叭口工程设计与施工探索出了一条新路。
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首创在混凝土扩大基础上组合型钢钢架，形成“拱桥式”结构，将桥梁专业技术应用于隧道工程，较大程度提升了斜井喇叭口工法的适用范围，解决了对开挖沉降要求高、地质条件差、由小断面转入大断面隧道及地铁工程进洞施工技术难题。产生了较好的社会效益，减少了拆除工程量和粉尘量，是一项值得推广的、绿色的工法。
11、应用实例
11.1浙赣铁路复线新羊石隧道
浙赣复线新羊石隧道全长1148m，最大设计断面为15.1m×13m（宽×高），平均开挖断面160m，该隧道为全线控制工期工程。位于湖南省株洲市丘陵地区，地形起伏较大，地表植被发育。主要地质为全风化及严重风化的变质砂岩及砾岩，多裂隙水，全隧均为Ⅴ级围岩。
正洞采用环形开挖预留核心土法，初期支护为全环H175钢架，间距60～80cm，喷混凝土厚35cm。斜井设在线路右侧的漫坡上，为保证斜井能够尽早进入正洞并发挥较大功效，经技术经济比较，将斜井井口设在距正洞右边墙60m处。该处斜井井口顶比正洞隧顶高6m，按10∶1坡度下挖，无需配置牵引设施，洞内重车可自行出碴。
该隧道斜井2005年4月25日进入喇叭口，应用本工法组织施工。5月8日开始架设I175组合钢架，5月18日开始向正洞进出口方向采用环形开挖预留核心土法正常掘进。因浙赣复线同类工程下沉值较大，本隧道在喇叭口处比原设计增设了20cm预留沉落量（原设计有20cm收敛预留量）。工后实测累积沉降值不足20mm，地表无
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下沉。工后监测数据和施工成效表明，组合钢拱桥式结构支护稳定可靠，有效控制了地层沉降，确保了施工安全。 11.2石家庄至太原铁路客运专线小坡山隧道
石太铁路客运专线小坡山隧道全长4507米，平均开挖断面140m。因工期原因决定在隧道中部偏进口山凹处增设一处斜井。斜井前后260m范围均为Ⅴ级围岩，主要不良地质为岩溶(无水)、水平岩层和角砾状泥灰岩，正洞采用环形开挖预留核心土法，初期支护为全环Ι22钢架，间距1m，喷混凝土厚30cm。
斜井长80m，10%下坡，喇叭口处正洞埋深20m，斜井开挖于2006年8月进入喇叭口，再次应用本工法组织施工，正洞喇叭口范围复架Ι22钢架，2006年10月进入正洞累计开挖700余米，2007年12月该隧道贯通。工后实测喇叭口处累积沉降值23mm，地表无下沉。 11.3石家庄至太原铁路客运专线石板山隧道
石太铁路客运专线石板山隧道全长7505米，平均开挖断面140m。原设计在隧道中部设有一处斜井，因要求提前工期，在斜井至隧道出口方向新增设一处斜井。该处地质为Ⅳ级围岩，主要不良地质为水平岩层和角砾状泥灰岩，正洞采用环形开挖预留核心土法，初期支护为全环Ι22钢架，间距1m，喷混凝土厚30cm。
斜井开挖于2007年1月进入喇叭口，应用本工法组织施工，正洞喇叭口范围复架Ι22钢架，2007年2月进入正洞开挖。工后实测喇叭口处累积沉降值17mm，地表无下沉。
2008年10月
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