0 引言

我国是目前世界上隧道数量最多、发展速度最快、地质及结构形式最复杂的国家^[1]。随着生活质量的提高和社会经济的发展，催生出了众多的长大隧道。在长大隧道的施工过程中，为了缩短工期，往往要修建多座辅助斜井来提高整体工程的施工效率，因此三岔口在这种情况下应运而生。

隧道三岔口段因为开挖断面较大，围岩应力释放较为复杂，施工工序较为繁琐，在实际施工中有较大的难度^[2]。在三岔口段施工前，首先要探明相近里程段的围岩等级、岩质裂隙走向、地下水等地质概况，从而在开挖进尺、拱架架立、初期支护、二次衬砌等施工方面可以安全、经济、有效地施工。三岔口处于特殊地段，要加强监控量测并掌握隧道围岩的变形规律^[3-4]。一旦有变形量过大，要立即采取相应的工程措施^[5]。

近年来，随着长大隧道的逐步发展，辅助斜井的施工也越来越普遍，三岔口挑顶技术也逐步成熟^[6]。借鉴三岔口施工在以往工程中的应用，如郑西线函谷关隧道应用的垂直挑顶施工技术^[7]；新建吕梁至临县铁路隧道采用的反向扩挖法技术^[8]；西山隧道三岔口采用的爬高法^[9]；天平山隧道利用的小导洞分两台阶进入正洞三台阶施工方法^[10]；关角隧道在三岔口段采用的双联进洞方案^[11]，以某山岭隧道4^#斜井与主洞交接三岔口段为工程背景，阐述三岔口段的施工流程、支护方法、监控量测等工艺技术，以安全地完成三岔口段的施工。

1 工程概况 1.1 主洞工程概况

隧道主洞全长12 974 m，最大埋深635 m，全隧坡度为3%上坡。双车道断面，隧道衬砌内轮廓断面尺寸为12.2 m (宽)×8.68 m(高)。隧道断面面积92.1 m²，为大断面隧道。主洞的断面限界如图 1所示。

大断面隧道开挖断面面积大，导致围岩应力释放的作用面增大，施工难度增加，安全性变差。同时，开挖底部转角处应力容易过度集中，地基承载力较高，对施工进程提出了很高的要求。

三岔口主洞段为Ⅳ级加强围岩，岩质为新黄土、强-弱花岗质混合岩。围岩物理力学指标如下：围岩重度为21.5 kN/m³，弹性抗力系数为366 MPa/m，变形模量为4.3 Gpa，泊松比为0.32，内摩擦角为33.5°，黏聚力为0.45 Mpa。岩性接触带，岩体破碎，围岩稳定性较差, 采用水压爆破辅以机械配合人工开挖。

1.2 斜井工程概况

斜井水平投影长度585 m，其中Ⅲ级围岩为52 m, Ⅳ级围岩长度为322 m，V级围岩长度为161 m。隧道最大坡度7.13%。设计为双车道断面，内净空尺寸为7.5 m(宽)×6.2 m(高)，采用无轨运输。

三岔口斜井段为Ⅲ级围岩，岩质为弱风化花岗质混合岩。采用水压爆破全断面开挖。从4^#斜井进行主洞开挖4 240 m。

1.3 三岔口布局概况

4^#斜井位于线路前进方向右侧，与线路左线相交于KT40+500里程处，平面交角90°，见图 2。

2 总体施工方案 2.1 开挖方案

常见的斜井进入主洞的施工方法有垂直挑顶法、导洞转向法^[12]、大包法^[13-14]、小包法^[15]。综合考虑围岩地质条件，4^#斜井进入主洞方案采用台阶扩挖法，具体施工步骤如下：

(1) 斜井正常开挖至与主洞断面大跨交界处，在爬坡挑顶前对三岔口段斜井井底架设门架进行加强支护。

(2) 按照斜井井身断面上台阶高度4.2 m，沿主洞拱顶开挖线开挖并支护至主洞对侧边墙轮廓线，每循环开挖进尺控制在2 m以内。

(3) 分别对进口、出口两个方向斜井门架正对范围内的主洞上台阶扩挖，小导洞开挖完毕，见图 3的①。

(4) 往进口方向上台阶按照单榀拱架爆破开挖，上台阶高度为5.3 m，往进口方向上台阶开挖并支护6 m后，停止施工，见图 3的②。采用同样的施工方法往出口方向进行上台阶开挖，开挖支护6 m后，停止施工，见图 3的③。

(5) 往进口方向上、中台阶同步开挖支护施工，中台阶高度3.59 m，见图 3的②与④。待中台阶施工6 m后，停止往进口方向施工。采用同样的施工方法往出口方向同步进行上、中台阶施工，见图 3的③与⑤。

(6) 往进口方向进行上、中、下台阶同步施工，下台阶3.31 m, 见图 3的②④⑥。待下台阶施工6 m后，进口、出口两个方向形成正常施工的三台阶作业面。

2.2 三岔口主洞段断面应力云图

隧道有限元数值模拟分析可直观地模拟隧道开挖后围岩所受应力，为隧道的设计和施工提供合理的依据^[16]。对三岔口主洞段断面进行ABAQUS有限元分析，应力云图见图 4。隧道开挖后，主洞两侧壁墙及拱脚处受力最大，应力云图影响范围以隧道中线为对称轴呈波浪形向隧洞周边岩层延伸。拱顶及仰拱处受力最小。在隧道开挖支护时，要对拱架壁端加强支护，在底脚处用锁脚锚杆与拱架焊接固定。

2.3 支护方案

(1) 在交界面斜井末端拱顶处扩挖时，并列架立两榀Ⅰ22a型钢钢架作为门架，两榀拱架之间采用ϕ20短钢筋焊接为一个整体。

(2) 按照斜井井身沿主洞拱顶开挖线开挖并支护至主洞对侧边墙轮廓线，开挖后及时用锚网喷混凝土支护。锚杆为ϕ22组合中空注浆锚杆，长度3.5 m，设置间距1.2 m(环)×1.2 m(纵)；网片采用ϕ6钢筋，网格间距20 cm×20 cm。主洞三岔口两个方向各15 m范围内预留变形量加大至25 cm。

(3) 导洞开挖至主洞对侧边墙轮廓线后，及时架立两榀主洞上台阶拱架，拱架在斜井井身侧置于门架加强横梁处，并喷混凝土支护。同时对进口、出口两个方向斜井门架正对范围内的主洞上台阶扩挖立拱喷混凝土支护，导洞开挖支护完毕，效果见图 5(a)。开挖前按照Ⅳ级加强围岩断面进行超前小导管支护。

(4) 往进口方向上台阶按照单榀拱架开挖爆破支护，按照设计支护参数进行，见图 5(b)。主洞拱架斜井井身一侧采用异型拱架置于三岔口门架加强横梁处，采用连接板栓接。

(5) 上、中、下台阶依次按照开挖顺序进行施工。所立拱架间距为0.5 m，施工支护效果见图 5(c)~(d)。

具体支护参数见表 1。

3 导洞施工方法

根据围岩的实际情况，从斜井井底上台阶向上爬行4.2 m，进入主洞上台阶进行施工，见图 6(b)。施工前应对斜井井底5 m加强段采用套拱加强处理。在与主洞大跨交界处，边向上挑口边进行门型钢架锚喷支护，开口宽度4 m，高度按实际尺寸变化施工，进尺按0.5 m进行控制。

开挖后及时架设工钢门架，见图 6(a)，间距按0.5 m进行布置，长度为9.5 m。拱部4 m范围内打设ϕ42超前小导管，间距30 cm，搭接的距离大于1 m。顶部打设环向间距为1.2 m的ϕ22组合中空注浆锚杆，锚杆与斜井末端架设的门架焊接牢固并预留30 cm与交叉口的环向钢架牢固焊接，斜井末端拱部挂设与系统锚杆焊接牢固的钢筋网。用混凝土楔块顶紧门架底脚与原岩之间的空隙，每个底脚处用大于4根的ϕ42锁脚锚杆进行固扎，锚管与钢架焊接牢固，确保钢架脚部稳定。钢架顶部用纵向连接筋焊接牢固，纵向钢筋间距1.0 m，并及时喷射混凝土将拱部封闭。斜井末端架立的门架拱顶位于主洞开挖边墙轮廓线靠近斜井一侧，预留变形量为25 cm。

底板在开挖过程中要逐渐抬高到大跨线的标高，按照主洞上台阶的尺寸进行开挖施工，待开挖至主洞对侧边墙轮廓线之后，架设主洞的异形钢架，每榀拱架单侧拱脚采用4根锁脚锚管锁固，然后将钢筋网、锚杆施作完成，并增设局部定位锚杆。导洞平拱、立柱均采用工22a钢架，间距0.5 m/榀；网格间距为20 cm×20 cm的ϕ8×ϕ8钢筋网；纵向连接筋采用环向间距为1 m的ϕ20连接筋。见图 6(c)。再喷射混凝土封闭，形成环向立拱锚喷支护，初支喷射混凝土采用C25混凝土，拱墙厚度25 cm。效果见图 6(d)。

主洞上台阶的开挖支护需要在喷射混凝土达到一定强度并保持稳定后才可进行。将进口方向的直立工字钢进行拆除并按照主洞上台阶的尺寸向进口方向开挖10 m后暂停开挖。出口方向也进行同样的施工工序，形成一定的台阶，再进行中台阶向进口方向开挖，下台阶施工顺序与上、中台阶相同，形成两个施工作业面。

4 围岩变形时空演化规律 4.1 监控量测的目的

通过对围岩及支护微小变化的监测可以掌握在开挖过程中围岩的稳定程度和支护结构的力学动态信息，从而能够及时发现不稳定里程段并采取相应措施确保隧道的施工安全。支护设计的调整和修改也依据于监控量测，能够优化确定施工方案和施工工序，安全高效地指导施工^[17]。

4.2 测点布设原则

(1) 拱顶下沉和水平收敛测点应布置在同一断面上。

(2) 使用设备钻孔后，插入观测标，并使用锚固剂进行固定。

(3) 初支混凝土喷射完成后，及时将反射片粘贴到观测标志钢板上，确保粘贴牢固可靠。

(4) 初始读数应在测点埋设12 h内读取，最迟不超过24 h。

(5) 拱顶下沉测点应埋设在拱顶轴线附近，周期性复核后视点，保证其数据可靠性。

4.3 三岔口测点布置

三岔口监测项目以拱顶沉降和收敛变形监测为主。隧道主洞KT40+485~KT40+515为Ⅵ级加强围岩地段，隧道内布置断面间距为每5 m设1个断面，每个断面埋设7个测点，隧道4^#斜井XJK4T0+000~XJK4T0+030段为Ⅲ级围岩，该处与主洞交叉位置4^#斜井断面之间每10 m设1个断面，每个断面埋设5个点。测点布置见图 7。

4.4 监控量测数据回归处理分析

三岔口处于特殊区域，监控量测频率按照2次/d进行(上报值按最大变化值)。若拱顶下沉或收敛变形出现位移速率≥5 mm/d，则应采取相应的预警措施。三岔口段拱顶及收敛累计变化值控制标准为40 mm。

现场量测的原始数据不可避免的会有一定的离散性，其中也包含测量误差。对原始数据进行回归分析，可以探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化的规律，判定围岩和初期支护系统的稳定状态，并分析各阶段的位移速率和预测最终位移值。

监控量测数据常用回归函数模型有指数函数模型、对数函数模型、双曲线函数模型。根据《铁路隧道监控量测技术规程》(Q/CR9218—2015)，选择指数函数进行回归^[18]。函数如下：

(1)

式中，U为变形量；t为变形时间；A和B为回归系数。

对图 8的监测断面A和B, 按收集的30 d数据绘制相应的回归曲线(图 8)。通过对曲线的分析，掌握相应里程段的围岩变形情况。

断面A为斜井里程XJK4T0+005(Ⅲ)的监测断面，此断面布设了1组拱顶测点和2组收敛测点。如图 8(a)所示，拱顶下沉在0~7 d的变化速率(斜率)较大，累计变化值为8.8 mm，此后变化速率逐渐变小，累计值稳定在13.7 mm。收敛1在0~5 d的变化速率较大，累计变化值为5.2 mm，此后变化速率逐渐变小，累计值稳定在11.3 mm。收敛2在0~3 d的变化速率较大，累计变化值为3.1 mm，此后变化速率逐渐变小，累计值稳定在8.2 mm。

断面B为主洞里程KT40+510(Ⅵ加强)的监测断面，此断面布设了1组拱顶测点和3组收敛测点。如图 8(b)所示，拱顶下沉在0~5 d的变化速率(斜率)较大，累计变化值为9.5 mm，此后变化速率逐渐变小，累计值稳定在14 mm。收敛1在0~7 d的变化速率较大，累计变化值为8 mm，此后变化速率逐渐变小，累计值稳定在13 mm。收敛2在0~5 d的变化速率较大，累计变化值为5.1 mm，此后变化速率逐渐变小，累计值稳定在8.7 mm。收敛3在0~4 d的变化速率较大，累计变化值为4.2 mm，此后变化速率逐渐变小，累计值稳定在9.7 mm。

断面A和B的监控量测数据回归曲线表明，拱顶和收敛的位移速率不断下降，即du²/d²t＜0(u为拱顶和收敛的累计变形量，t为变形时间)，围岩趋于稳定状态，支护系统达到了预期的效果。

4.5 位移云图分析

图 9为三岔口主洞段断面位移云图。纵向沉降与横向收敛的位移变化以隧道轮廓为中心，呈波浪型依次散开。随着距隧道轮廓线的远离，位移变化值逐步减小。拱顶沉降累计值为15.86 mm，周边收敛累计值为22.1 mm，均在控制标准40 mm的范围内，说明支护系统达到了预期的效果。

5 结论

(1) 大断面隧道的跨高比大，导致围岩和支护的稳定性变差。开挖后的应力重分布对隧道的施工较为不利，需要加强支护来保持隧道的稳定。底脚处的应力集中过大，要求在架立拱架时，拱架脚底必须落在实处，打好锁脚锚管并与拱架有效焊接，同时加强仰拱的支护。

(2) 斜井进入主洞前，在斜井末端架设门架，加强斜井井底的支护。挑顶施工时，在主洞的两端加强支护，保证挂网、锚杆、喷射混凝土及钢拱架的施工质量，能够较好地抵消复杂围岩应力的影响。挑顶开挖至主洞对侧轮廓线时，要控制好开挖效果，防止出现超欠挖。

(3) 三岔口段的监控量测需要在监测断面间距和监测频率两个方面进行加强。三岔口主洞段的断面间距加强为每5 m设1个断面，三岔口斜井段的断面间距加强为每10 m设1个断面。监测频率由规范的1次/d加强为2次/d。据本研究监控量测数据，累计变形值均在15 mm之内，在控制标准的范围之中，说明围岩的整体稳定性没有发生大的变动。对于监控量测数据时态回归曲线，恒有du²/d²t＜0，表明支护系统达到了良好的支护效果。