鐵路隧道近距離下穿在建公路隧道的施工控制技術

李勝義

(中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

隨著我國土木工程建設的快速發展，不可避免地會遇到近距離下穿既有或在建隧道情況。如果后建隧道工程施工方法不當，對已建成的隧道將會產生較大影響，甚至誘發不可估量的重大損失。正在修建的回龍灣隧道位于重慶市巴南區一品鎮與界石鎮內，正洞起訖里程DK19+460～DK23+810，全長4 350 m，為客貨共線雙線隧道；其中，隧道洞身DK23+480～DK23+580段下穿在建龍洲灣2號公路隧道，軌面與路面高差約17 m，下方拱頂與上方公路隧道仰拱凈巖層厚約8 m。結合以往工程經驗，下方隧道施工對上方隧道會有較大影響。基于上述狀況，需對下穿在建隧道施工技術進行探索，如王建功等[1]使用Midas-GTS軟件模擬隧道下穿車站，提出了洞內150 mm超前大管棚加固、洞外地表垂直袖閥管注漿加固的綜合整治方案；朱永全等[2]提出在分析下穿問題時，應考慮流固耦合；李術才等[3]提出應對爆破方法進行改良，以降低對上方在建隧道的影響。綜上，目前對于下穿隧道的研究多注重于地層加固、爆破降振等方面，在施工工法上介紹較少。

因此近距離下穿隧道的隧道必須對預加固、開挖和支護方法與參數等技術進行深入研究，以保證工程順利完工。

2 兩座隧道工程條件分析

2.1 回龍灣隧道地質條件分析

隧道最大埋深約196 m，一般埋深50～100 m。隧道洞身穿越地層為侏羅系中下統自流井組(J1-2Z)、珍珠沖組(J1Z)的泥巖、砂巖和三疊系上統須家河組(T3xj)砂巖夾頁巖；根據鉆孔及聲波測井揭示:隧道區巖層整體較完整、局部泥巖、頁巖段較破碎；圍巖級別以Ⅲ、Ⅳ級為主，局部為Ⅴ級。洞身圍巖左側偏壓，隧道出水形式以滴水、小股狀出水為主，局部可能呈片狀、股狀涌出。

基于地質條件分析，認為在局部裂隙水發育地帶，軟化的圍巖可能出現明顯的圍巖變形，特別是下穿在建公路隧道時，安全風險極大。

2.2 兩座隧道空間結構展布及安全影響分析

(1)兩座隧道空間結構展布

為充分了解上下兩座隧道的空間關系，進一步探測相互影響程度，先分析兩座隧道空間結構展布關系，回龍灣隧道洞身DK23+480～DK23+580段下穿在建龍洲灣2號公路隧道，軌面與路面高差約17 m，下方拱頂與上方公路隧道仰拱凈巖層厚約8 m。具體見圖1，下方為回龍灣隧道，上方為龍洲灣2號隧道，平面夾角為71°。

(2)安全影響分析

由于下穿在建龍洲灣2#隧道的拱頂與上方公路仰拱底凈巖層厚度僅約8 m，加上地下水發育、砂巖節理發育以及洞身左側順層偏壓，隧道具有突泥突水和坍塌的高度風險，從而對上方公路隧道造成極大安全隱患。

圖1 空間結構展布

3 穿越施工總體方案與風險控制原則確定

結合以往經驗[4-7]，穿越施工總體方案與風險控制原則主要包括以下幾個方面:

(1)開挖方法的選擇

根據軟巖地層的地質巖性、風化程度、隧道埋深、斷面等特征，開挖工法可選擇采用臺階法加臨時橫撐、臺階法加臨時仰拱工法，并根據監控量測可適當調整預留變形量。

(2)超前支護、初期支護及二襯措施

①通過軟巖地層、偏壓段時，根據圍巖自穩能力、巖體結構及風化程度選擇超前支護措施，可采用超前大管棚、超前中管棚以及超前小導管等超前預支護措施。

②初期支護措施。初期支護必須緊跟掌子面，并嚴格確保噴射混凝土厚度及總體強度達標。同時結合監控量測結果，及時調整錨桿長度及打設位置、鋼架間距等支護參數，以確保支護結構安全和圍巖穩定。

③仰拱、二次襯砌適度緊跟。除嚴格遵照鐵總“十條紅線”規定外，還應盡可能縮短臺階長度，確保仰拱、二襯緊跟，及時封閉成環；其中，二襯施工時機應結合圍巖變形及監控量測情況綜合分析。

4 下穿洞段施工方法與步序

結合兩座隧道工程條件分析，參考前述的施工總體方案與風險控制原則，基于隧道工程理論[8-11]，確定下穿洞段的施工方法與步序。

4.1 超前加固方法

超前加固方法有超前小導管、大管棚和T76S自進式超前支護管棚等三種方法，但須根據工程實際選用，在此僅對后兩種較為特殊的支護形式進行說明。

(1)大管棚布設及結構

在DK23+480～DK23+580段隧道的拱部161°范圍內設置φ159 mm的大管棚，壁厚8 mm，每根長50 m，環向間距0.4 m，每25 m一環，搭接長度為5 m，每環46根，共計施工2環。159 mm大管棚結構見圖2。

圖2 大管棚結構

圖2中的159 mm大管棚主要施工參數為:梅花形布置注漿孔，其直徑10～16 mm左右，各注漿孔之間距離約15～20 cm。注漿即將完成時，孔口部位留止漿段約1 m。另外，鋼筋籠每1 m間距用5 cm長的42 mm鋼管作為固定環并連接，鋼管壁厚3.5 mm。

(2)T76S自進式超前支護技術

T76S超前支護為自進式超前支護，由高強度全螺紋厚壁鋼管、高傳能連接套、鉆頭三部分組成。其中:高強度全螺紋厚壁鋼管壁厚15 mm，連接套為97×220 mm規格，與厚壁鋼管等強度；鉆頭為T76/D115/EXX。

在二襯外側部位采用T76S自進式超前鉆進、注漿支護，在復雜地層可采用水泥漿護壁鉆進，高效率完成施工。

此外，施作鉆機工作室必須拱頂挑高要適當，掌子面開挖輪廓線起向后6 m范圍，拱部管棚施作范圍調高40 cm，環向錨噴鋼筋混凝土(鋼筋網片100 cm×100 cm，φ12 mm)厚度10 cm、掌子面素噴10 cm厚的混凝土保護，具體見圖3。

圖3 T76S管棚工作空間

4.2 下穿洞段開挖方法及工序

鐵路隧道下穿上方公路隧道交叉段的開挖方法見圖4和圖5。

圖4 三臺階法開挖工法斷面

圖5 三臺階法施工工序(單位：m)

第一步:首先采用超前管棚和小導管進行預加固，待達到強度要求后再開挖①部分。

第二步:開挖①部后施作該部分的初期支護。具體順序為:噴4 cm厚混凝土、掛網、立鋼架并鎖腳錨桿，最后施作鋼板支撐。

第三步:進行初期支護I施工。步序為:打徑向錨桿、復噴混凝土到設計厚度，視具體情況施作20臨時鋼架III。根據監測反饋噴射15 cm混凝土并封閉、設置臨時橫撐或適當補充注漿。

第四步:人工配合機械開挖②部。要注意，進尺為1～2榀鋼架間距并滯后①部3～5 m距離。

第五步:開挖②部后，對其進行及時初期支護。具體為:初噴4 cm厚混凝土、掛網、采用20型鋼立鋼架、施作錨桿并補噴，最后施作臨時仰拱。

第六步:完成②部開挖與初期支護后，滯后4～6 m距離并按每循環進尺1.5 m開挖③部。為方便施作鋼架，在滯后4～6 m開挖兩側邊墻(④部)。

第七步:④部其余仰拱部分施工。按每循環進尺小于3 m進行開挖，快速完成初期支護并封閉，距離工作面應小于35 m。

第八步:在圍巖穩定及待初期支護收斂安全后，再進行②部臨時仰拱拆除。

第九步:剩余Ⅳ和Ⅴ部仰拱施作，完成后須及時用混凝土填充。

第十步:Ⅵ部二次襯砌施作，距離工作面須小于90 m。

4.3 初期支護具體參數與施作方法

初期支護主要包括錨桿、鋼筋網和鋼架，其具體參數要求較為嚴格，其施工標準也較高。

(1)錨桿

錨桿施作包括拱部和非拱部兩個部分，其中拱部160°范圍采用φ22組合中空錨桿，邊墻采用φ22砂漿錨桿，兩種類型錨桿參數均為長3.5 m且間距1.2 m×1.0 m(環×縱)，錨桿鉆進、安裝后進行注漿。

(2)鋼筋網

用HPB300級鋼筋除銹、去油污加工成鋼筋網，網格規格0.2 m×0.2 m，網片大小為0.8 m×1.2 m。緊隨混凝土初噴面敷設，搭接長度必須大于1～2個網格。

(3)鋼架

為抑制拱頂下沉，將初期支護20b型鋼鋼架增強替換為22b型鋼鋼架，施工間距0.8 m；并在鋼架接頭位置設置縱向工字鋼代替連接筋。現場鋼架連接見圖6。

圖6 鋼架現場連接

5 施工效果分析

為充分了解隧道下穿高速公路洞段的施工安全情況，在洞內每5 m布設一個監測斷面。開挖階段監測頻率1次/d，變形速率加大時，則加密監測頻次(日變形速率安全值為5 mm/d)。以里程DK22+945的監測數據為例分析施工措施效果，其拱頂及拱腰的位移監測數據及趨勢見圖7。

圖7 拱頂及拱腰位移監測數據

根據上述位移變化曲線可以看出，在里程為DK22+945處的拱頂位移穩定在5.9 mm左右，回歸方程為y＝2.25log(x+1)-1.98，相關系數r＝0.88，預測7 d后的位移累計值為y＝6.86 mm，數據屬于正常范圍，說明施工措施合理有效。

在里程為DK22+945處的拱腰位移穩定在5.8 mm左右，回歸方程為:y＝2.11 log(x+1)-1.80，相關系數r＝0.9，預測7 d后的累計值為y＝6.79 mm，數據屬于正常范圍，說明施工措施合理有效。

6 結束語

(1)近距離下穿隧道特別是下穿在建隧道時，不可避免地會對上方隧道造成較大影響，因此必須對下方隧道預加固、開挖和支護方法等技術進行深入研究，才能保證工程安全。

(2)監測結果表明，依據對兩座隧道工程條件特別是空間展布分析確定的穿越施工總體方案、大管棚和T76S自進式超前支護管棚參數、開挖方法與步序、初期支護方法，能夠較好地控制圍巖變形，可以保證鐵路隧道和近距離的上方公路隧道圍巖穩定和結構安全。

(3)由于地質條件和空間條件較為復雜，提出的開挖方法、支護方法等還需在后續施工中進一步修正。