鐵路隧道下穿高速公路施工技術研究

曹 磊

(中國葛洲壩集團西南分公司，昆明 650000)

1 工程概況

新建山西中南部鐵路通道為我國第一條30 t軸重雙線重載鐵路，盤道嶺隧道被列為全線重點工程之一。隧道位于山西省柳林縣境內，全長2 461 m，為單洞雙線隧道，隧道出口DK161+415～DK161+345段(長度70 m)下穿青(島)銀(川)高速公路離(石)軍(渡)段，相交角度為73°。下穿高速公路段隧道位于直線段上，其中 DK161+345～DK161+400段為4‰上坡，DK161+400～DK161+415段為5.4‰上坡。下穿段最大開挖高度10.16 m(仰拱初支底面 ～外拱頂11.86 m)，最大開挖寬度12.22 m，開挖面積115 m2，公路路面距隧道外拱頂部9.46 m。高速公路與隧道埋深關系見圖1。

圖1 高速公路與隧道埋深關系(單位:m)

隧道下穿段洞身地層為泥質砂巖與砂巖互層，泥質砂巖:紫紅色，泥質膠結，層狀構造，弱風化，節理裂隙發育。砂巖:灰白色，砂質結構，層狀構造，弱風化，節理裂隙發育，呈角礫碎石狀松散結構;地下水不發育，雨季時，地下水呈雨滴狀滲出。圍巖級別按鐵路隧道圍巖劃分標準應為Ⅲ級，施工中針對下穿淺埋施工設計為Ⅴ級下穿公路段復合式襯砌。

下穿段高速公路為雙向6車道路塹，路面寬22 m，兩側路肩水溝、路塹邊坡平臺各寬3 m，總寬28 m，重載運煤車流量較大，高速公路部門要求施工期間不能采取半幅封路措施，僅允許采用布置限速標識措施，沉降要求在15 mm以內，因此在不影響公路通行的情況下有效的控制沉降是施工中的重點。

2 主要施工技術

隧道施工堅持“管超前、短開挖、弱爆破、強支護、早封閉、快成環、緊仰拱、勤量測、速襯砌”的原則。根據設計要求和實際情況，施工時必須保證青銀高速公路路面穩定及運營安全，為減小新建隧道開挖對高速公路的影響，在對DK161+415～DK161+345段隧道施工時，采用如下技術措施。

2.1 超前地質預報

隧道進入下穿段施工前進行超前地質探測，采用TSP203PLUS地震波地質預報系統，對開挖段前方進行地質預報，進一步核實地質資料，完善施工技術方案。施工過程中通過打超前探孔做近距離超前地質預報，為施工提供可靠直觀的地質資料。

2.2 超前長管棚注漿預支護

(1)管棚長度70 m，分3次施作，每次施工長度30 m，搭接長度3～5 m，每節長6 m，鋼管逐節頂入。管棚規格為熱軋無縫鋼管，外徑108 mm，壁厚6 mm，每節鋼管兩端均預加工成外絲扣，交錯連接，環向間距中至中3根/m，外插角為1°～3°，孔位誤差不得大于5 cm。

(2)鉆孔采用地質鉆機隔孔施鉆，開孔時低速低壓，待成孔1 m后適當加壓，勻速鉆孔，避免發生夾鉆現象。鉆進采用一次成孔法，用異型接頭把鉆桿與鋼管連接起來，鋼管前端安裝合金鉆頭，鋼管隨進度連續接長，直到設計位置。

(3)鋼花管上鉆注漿孔，孔徑10～16 mm，孔間距15 cm，呈梅花形布置，尾部留不鉆孔的止漿段110 cm。在鋼花管上內裝入4根φ22 mm鋼筋和固定環組成的鋼筋籠，以提高導管的抗彎能力，管棚前端加工成錐形，以便于頂進。

(4)長管棚注漿采用水泥漿液，注漿參數為水泥漿液水灰比1∶1(質量比)，注漿壓力0.5～2.0 MPa。注漿前進行現場注漿試驗，根據實際情況調整注漿參數，注漿漿液在灰漿攪拌桶內攪拌均勻后經濾網放入儲漿桶，再由注漿泵經管路注入鋼管中，注漿結束后用M5水泥砂漿充填鋼管以增強管棚強度。

2.3 優化支護參數

考慮既有高速公路對新建隧道的影響，設計對該段襯砌采用提高襯砌等級加強支護，以確保新建隧道結構的安全性及穩定性。初期支護采用網噴32 cm厚C30鋼纖維早強混凝土，φ8 mm鋼筋網間距為20 cm×20 cm，系統錨桿拱部范圍內采用長度5 m的φ25 mm中空注漿錨桿，邊墻采用長度5 m的φ22 mm砂漿錨桿，間距1.0 m×1.0 m(環向×縱向)，梅花形布置。HW175型鋼初支，鋼架縱向間距每榀0.5 m，二次襯砌采用C35厚度65 cm的鋼筋混凝土，φ25 mm主筋間距20 cm。二襯拱部預留注漿孔，二襯后及時注漿充填，保證拱頂及邊墻背后密實。仰拱及填充采用棧橋施工，每次開挖長度不超過3 m，澆筑長度不得超過6 m。襯砌采用9 m全斷面鋼模液壓襯砌臺車整板襯砌，緊跟掌子面。在下穿30 m高速公路路面段施工時，二襯達到設計強度后再進行下一施工段開挖。

2.4 施工方法及工序

施工方法對高速路面沉降情況起著主導作用，設計下穿段施工方法為三臺階臨時仰拱銑挖法施工，上臺階中間設臨時鋼架支撐。隧道拱部周邊采用銑挖機環狀銑挖，預留核心土，然后初噴混凝土，施作系統錨桿并安裝拱部HW175型鋼鋼架支撐，復噴鋼纖維早強混凝土，初支后銑挖配合機械開挖核心土。中下臺階先銑挖周邊，對中間強度較高的圍巖配合微振弱爆破開挖，微振爆破主要從控制最大一段爆破用藥量、減弱爆破振速傳遞及減少爆破振動波疊加三個方面控制，開挖每循環進尺控制在50 cm之內。

高速公路部門要求施工期間不能封路，施工中監控量測到高速公路路面沉降大于15 mm時，則由“三臺階臨時仰拱法加豎撐”(圖2)改為中隔壁施工方法(CD法)。

2.4.1 銑挖法施工工藝原理

圖2 三臺階臨時仰拱法加豎撐橫斷面示意

在沃爾沃EC460B履帶式液壓挖掘機上(斗容積2.7 m3、自重44.4 t)利用液壓破碎錘或液壓鉗的液壓回路安裝一臺德國艾卡特ER1500-3型銑挖機，銑挖機配48個銑挖頭。工作原理是利用銑挖機的銑挖頭高速旋轉切削巖石，人工配合修整開挖輪廓線達到設計要求，可以有效的減少開挖對圍巖的擾動，控制超欠挖，提高開挖質量和安全度，降低作業人員的勞動強度。

ER1500-3型銑挖機購置時未配備降塵裝置，銑挖機的銑挖頭在工作時產生大量的粉塵，銑挖作業時采用水幕降塵和人工降塵相結合的方法，由人工手持高壓水管向銑挖機工作面澆水，工作面通風采取1臺風量為1 000 m/min、功率為2×110 kW的對旋式低噪聲軸流通風機壓入式通風，保證工作面空氣質量。

2.4.2 微振控制光面爆破

設計開挖輪廓線向隧道內側1.0～1.2 m的范圍采用銑挖機銑挖，其余部分采用微振控制光面爆破施工。微振爆破主要從控制最大一段爆破用藥量、減弱爆破振速傳遞、減少爆破振動波疊加3個方面控制。爆破方式示意見圖3。

(1)確定最大一段爆破用藥量

根據鉆爆設計，最大一段爆破用藥量為上臺階開挖，依據公式Qmax=R3×(Vkp/K)3/a計算微振爆破作業段最大一段允許裝藥量為3.1 kg(約21節150 g藥卷)2號巖石硝銨炸藥，單次起爆最大用藥量19.2 kg。

式中，Qmax為最大一段爆破藥量，kg;Vkp為安全速度，cm/s，設計要求Vkp=4 cm/s;R為爆破安全距離，m，根據炮眼布置圖R=7 m;K為地形、地質影響系數，考慮輪廓線上部120°范圍設減振孔，根據施工經驗，結合爆破安全規程(GB6722—86)取K=80;a為衰減系數，根據爆破安全規程(GB6722—86)取a=1.9。

(2)減弱爆破振速傳遞

上臺階開挖時，在拱部120°范圍開挖輪廓線上方5 cm設減振空眼，空眼深4.0 m，間距10 cm，以便較好起到減弱爆破振動波傳遞效果。

(3)減少爆破振動波疊加

采用孔內控制微差起爆網絡技術，加大爆破起爆段別，增加起爆間隔時間，采用 1、5、7、9、11、13、15、17、19段9個段別非電毫秒雷管間隔起爆，減小爆破振動波疊加，發揮微差爆破作用效果。

另外炮眼堵塞用水壓爆破，炮眼中未裝藥部分全部用塑料水袋填塞密實，炮泥堵塞炮眼口，力求在同等爆破效果條件下減少炸藥用量。

周邊眼用φ25×200 mm小藥卷，不耦合裝藥，其余炮眼用φ40×200 mm藥卷，不耦合裝藥系數一般控制在1.2(B=52/45)范圍內。

圖3 爆破方式示意(單位:m)

2.4.3 施工工序(圖4)

(1)開挖上臺階:上臺階高3.5 m，先對上臺階放樣后對周邊(寬度1.0～1.2 m)進行銑挖，然后修整初噴4 cm厚C25混凝土，安裝鋼筋網并施作系統錨桿后安裝HW175型鋼鋼架，間距0.5 m，打鎖腳錨管，再復噴C30鋼纖維早強混凝土至設計厚度32 cm。

(2)開挖上臺階核心土，每2榀鋼架施作1榀臨時仰拱豎撐，噴射C25混凝土封閉臨時仰拱。為方便銑挖機作業，上臺階長度控制在3.5 m。

(3)中臺階兩側邊墻采取左右錯開方法先銑挖，寬度1.0～1.2 m，初噴4 cm厚混凝土。然后對邊墻鋼拱架進行接長，復噴混凝土至設計厚度后再微振弱爆破開挖中臺階核心土。左右邊墻錯開不得大于1 m，開挖支護完一側再施工另一側，中臺階長度控制在3 m。

(4)下臺階兩側邊墻先銑挖，寬度1.0～1.2 m，初噴4 cm厚混凝土。然后對邊墻鋼拱架進行接長至邊墻腳，復噴混凝土至設計厚度后再弱爆破開挖下臺階核心土。下臺階左右邊墻開挖錯開不得大于1.5 m，開挖支護完一側再施工另一側，下臺階長度控制在8～9 m范圍內，與中臺階距離控制在3 m。

(5)開挖隧底仰拱施作鋼拱架噴混凝土進行封閉成環，每次開挖支護長度不得大于3 m。

(6)綁扎仰拱鋼筋施作仰拱混凝土及填充，采用仰拱棧橋施工，每次施工長度不得大于6 m。

(7)施作防水層并進行矮邊墻混凝土施工。

(8)二次襯砌一次澆筑長度6～9 m，二襯后拱頂及時注漿充填密實。

(9)每日3次對洞內拱頂及公路路面沉降變形、隧道周邊收斂進行監控量測，根據量測結果及時指導施工。

圖4 三臺階臨時仰拱銑挖法施工工序示意(單位:m)

2.4.4 監控量測

隧道穿過青銀高速公路段跨度大，公路重載車輛車流密度大，荷載遠大于規范55 t，監控量測是監視圍巖穩定及判斷設計與施工方法是否正確的重要手段，亦是保證安全施工、提高經濟效益的重要條件，它必須貫穿施工的全過程。

(1)監控量測的目的

通過監控量測了解各施工階段高速路面與下穿隧道支護結構的動態變化，把握施工過程中結構所處的安全狀態，判斷圍巖穩定性，支護及襯砌的可靠性;用現場實測的結果彌補理論分析過程中存在的不足，并把監測結果反饋設計、指導施工，為修改施工方法、調整圍巖級別、變更支護設計參數提供依據;通過監控量測了解該工程條件下所反映出來的工程規律和特點，為今后類似工程或該工法本身的發展提供借鑒、依據和指導作用。

(2)監測斷面測點布置

監控量測測點布置見圖5、圖6。

圖5 高速公路路面監控量測點布置

圖6 隧道內監控量測測點布置(單位:m)

(3)監測安全控制基準

青銀高速公路路面位移最大值不得超過1.5 cm，沉降最大值不得超過1.5 cm。

洞內檢測基準見表1。

表1 位移管理等級

現場監測時，可根據監測結果所處管理階段選擇監測頻率:一般Ⅲ級管理階段監測頻率可放寬些;Ⅱ級管理階段則應注意加密監測次數;Ⅰ級管理階段則應加強監測，通常監測頻率為1～2次/d或更多。

(4)監控量測成果

根據實際測量數據，將高速公路地表沉降值、洞內拱頂沉降值及洞內收斂值進行整理(隧道拱頂沉降及收斂值選擇具代表性的四個斷面)，在監測時段內，高速地表最大沉降值為11 mm，洞內拱頂沉降值最大為4.5 mm，洞內收斂最大值為6 mm。

3 結語

(1)隧道下穿高速公路淺埋段施工，采取銑挖法配合微振弱爆破開挖，能減少淺埋層圍巖的振動，有效地控制公路路面變形，保證高速公路正常通行和隧道施工安全。

(2)銑挖機選型合理且使用方便，滿足工程需要，對類似工程有借鑒作用。建議在以后選型中配備自動噴水降塵裝置，以改善洞內作業環境，提高空氣質量。

(3)下穿施工完成之后，對下穿段高速公路及隧道襯砌結構應重新進行安全性評價，確保高速公路及鐵路隧道不會因時間推移而產生破壞。

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