小角度、長距離、淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工工法

魏明健

中鐵二十二局集團第四工程有限公司

1 工程概括

新建金華至臺州鐵路工程簡稱金臺鐵路，上岙隧道設計樁號DK125+680～DK125+840段下穿現狀S28（臺金）高速路基。上岙隧道與臺金高速公路交叉角度為18°，隧道結構與高速公路路面垂直凈距為11.32m，隧道上部圍巖厚度為9.82m。上岙隧道下穿高速公路位置圍巖級別為Ⅳ～Ⅴ級圍巖。

2 工藝原理

上岙隧道下穿高速段主要采取高速路面及邊坡監控量測，洞內施工采用超前支護及控制爆破，開挖方法采用兩臺階臨時仰拱法，加強初期支護，洞內加強超前地質預報及監控量測等措施保證高速公路通行及施工安全，具體采取以下措施：

（1）洞內超前支護采用φ108超前管棚注漿加固地層，環向間距加密至30cm。

（2）洞身開挖采用兩臺階臨時仰拱法，根據現場實際工程地質、水文地質條件選取爆破參數采用控制爆破方案：根據設計文件，隧道下穿段屬斷層破碎帶及影響帶，流紋斑巖，塊狀構造，巖體極破碎，呈角礫碎石狀松散結構，易塌方掉塊。為保證隧道上方高速公路運營安全，進入下穿段后如現場實際圍巖破碎，盡量采用機械鑿除的方式進行開挖，減小振動對高速公路的影響；如圍巖狀況不具備機械鑿除的條件，則考慮采用控制爆破方案。

（3）爆破采用控制爆破并加強超前地質預報。

（4）初支全環采用I20a型鋼鋼架，鋼架間距0.6m/榀。

（5）加密地表監控量測控制點，監測人員及時反饋監測信息，調整施工參數，保證安全施工。

（6）二襯緊跟，采用50cm厚鋼筋混凝土。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 超前管棚施工

（1）注漿加固范圍及管棚布設。在DK125+680～DK125+840段隧道的拱部120°范圍內設置超前管棚。管棚直徑為Φ108mm，環向間距0.3m，每根長43m，搭接長度為3m，管棚有效長度40m，每環33根。單線隧道洞內管棚施工，有條件的項目可以考慮將管棚材料升級采用地質管，施工工效會更高。

（2）安裝導向鋼管。類似于一般的洞口超前管棚施工，但此處要考慮洞內施工條件，主要是考慮鉆孔機具的操作空間，在管棚3m工作室掌子面洞身開挖輪廓線處架設三榀拱架，拱架根據洞室輪廓提前加工，拱架必要時用錨桿多處鎖定，將管棚導向鋼管焊在拱架頂部，形成洞內套拱。導向管要加大外插角1°～3°安裝。

（3）鉆孔。根據地質條件及洞內場地條件選用合適的鉆機，鉆機要適于單線隧道洞內作業。鉆孔施工順序由兩邊向中間間隔依次進行。

（4）安裝管棚鋼管。由于該段設計為Ⅴ級加強圍巖，地質條件復雜多變，因此成孔后要及時頂進，頂進時第一根鋼管前端要加工成錐形。管棚鋼管利用鉆機動力頭頂進，鋼管間為內套管焊接連接。為了增強管棚的整體結構性能，相鄰兩孔鋼管接頭錯開至少1m，同一斷面鋼管接頭數≤50%。

（5）注漿。為了避免圍巖內孔隙水通過鉆孔流出而引起地面沉降，必須及時注漿。注漿壓力通常為0.5MPa～1.0MPa或根據施工需要另行調整。注漿時嚴格控制注漿壓力，安排專人在高速路面進行檢查，防止注漿時對高速路面造成影響。

（6）超前小導管。為了確保隧道上方公路的運營安全，根據現場實際開挖后地質情況，圍巖較差時采用超前管棚相鄰鋼管間增設小導管的輔助措施。

3.2 洞身開挖

上岙隧道下穿段施工兩臺階法臨時仰拱，施工工序縱斷面見圖1。此段開挖支護方式原設計為三臺階臨時仰拱，但是結合現場實操和安全步距的雙重因素，大膽采用兩臺階臨時仰拱開挖工法。因此，施工順序與三臺階臨時仰拱大同小異。

圖1 兩臺階臨時仰拱法施工工序縱斷面

（1）在上一循環的超前支護防護下，弱爆破開挖①部→施作①部周邊的初期支護：初噴混凝土，鋪鋼筋網，架立鋼架（設鎖腳錨桿），鉆設徑向錨桿，復噴混凝土至設計厚度。施作臨時仰拱A，導坑底部鋪設Ⅰ20臨時仰拱并噴20cm厚混凝土。

（2）弱爆破開挖②—1部→施作②—1部初期支護：初噴混凝土，鋪鋼筋網，架立鋼架（設鎖腳錨桿），鉆設徑向錨桿，復噴混凝土至設計厚度。

（3）弱爆破開挖②—2部→施作②—2部初期支護：初噴混凝土，鋪鋼筋網，架立鋼架（設鎖腳錨桿），鉆設徑向錨桿，復噴混凝土至設計厚度。

（4）弱爆破開挖③部→施作③部初期支護：即初噴混凝土，架設鋼架，復噴混凝土至設計厚度。

（5）灌筑（IV）部仰拱與邊墻基礎；待仰拱混凝土初凝后，灌筑仰拱填充（V）部至設計高度。

（6）根據監控量測分析，確定二次襯砌施作時機，拆除臨時仰拱A→鋪設環+縱向透水盲溝、防水板+土工布→利用襯砌模板臺車一次性灌筑（VI）部（拱墻）襯砌。

3.3 爆破設計

上岙隧道下穿臺金高速公路段最淺埋深9.82m（隧道開挖頂至路基底）。單線隧道斷面開挖總面積73.79m2：上臺階開挖高度6.89m、面積46.45m2；下臺階開挖高度3.40m、面積27.34m2。為保證隧道施工安全步距，采用二臺階臨時仰拱法施工的加密超前管棚注漿支護下的超短臺階爆破施工方案。

3.3.1 下穿段隧道掘進爆破參數設計

（1）炮孔深度L。爆破設計的炮眼深度主要受隧道斷面大小、周邊環境安全要求的控制[1]，由于本區域隧道屬淺埋且其頂部有運營中的高速公路，掘進循環進尺控制在1m以內，所以主炮眼深度取L=0.8m。

（2）掏槽眼布置。為了加大掏槽深度，上岙隧道下穿段爆破采用楔形掏槽孔，每對掏槽眼呈近似對稱形。掏槽孔孔距a取0.5m～0.6m，本段取0.5m。

（3）周邊孔和輔助孔布置。周邊眼布置在距開挖斷而邊緣0.07m～0.15m位置，周邊眼之間的距離約為0.4m～0.5m，隧道的開挖輪廓拱形轉角處，炮眼要密一些，眼間距取小值，輔助孔間距a取0.5m～0.7m。輔助眼均勻地布置在掏槽眼與周邊眼之間的范圍內，鉆眼方向則垂直于隧道開挖面，本段取0.5m～0.6m。

（4）單位炸藥消耗量q。根據圍巖級別不同及循環進尺而選取，本段Ⅳ、Ⅴ級圍巖取q=0.8～1.0kg/m3。

（5）炮孔布置與參數設計。炮孔間距a與炮孔排距b，分別取a=0.5m～0.6m、b=0.5m～0.6m。

（6）炮孔數量N。按下式計算：

式中：

q——每立方米炸藥消耗量kg/m3，q=0.8～1.0kg/m3（Ⅳ、Ⅴ級圍巖）；

S——開挖面積，m2；

N——炮眼裝藥系數（裝藥深度與炮眼深度的比值），n=0.65；

r——每米長度炸藥的重量，kg，取1.0。

本設計為兩臺階仰拱法：循環進尺暫取L=0.8m，采用二層共四排楔形掏槽孔掏槽，炸藥單耗取q=0.9kg/m3；設計總斷面面積73.79m2，其中上/下臺階開挖面積為46.45/27.34m2。炮眼裝藥系數（裝藥深度與炮眼深度的比值）n取0.28；計算得全斷面炮眼數237個，設計約取N=279個（含周邊眼）。

（7）炮孔裝藥量計算。按下式計算：

（8）藥結構與填塞。采用連續不耦合裝藥結構：裝藥前應計算好單孔裝藥量，裝藥時輕輕將炸藥放入炮孔中，孔口采用石粉或黏土（黏土含水量為10%～30%）堵塞，因周邊孔較淺，其裝藥不分層。

3.3.2 爆破起爆網路設計

起爆網路連接應由有經驗的爆破員或爆破工程技術人員進行，并經現場爆破技術負責人檢查驗收。隧道洞身開挖爆破的一次起爆順序為：掏槽眼→輔助眼→周邊眼→底板眼，爆破網路采用簇聯形式。

3.4 監測方案

（1）洞內監控量測。根據設計及規范要求，在隧道拱頂、拱腰及邊墻位置設置變形監測點。嚴格按照規范要求進行日常監測。

（2）路面沉降監測。上岙隧道DK125+680～DK126+840段，變形監測總長度為160m。在高速公路兩側路肩間隔10m布置監測點，考慮到傳感器設備安裝、更換方便且不影響后期運營維護、檢查，將觀測點淺埋于路面。在路肩位置沿公路方向開挖30cm的方形溝槽，在溝槽底部每個10m固定安裝一塊沉降板，將靜力水準儀、傳輸總線及聯通管平行于高速公路線路方向通過M8螺栓固定在沉降板之上并覆土淺埋。儀器安裝調試完成后測定初始數據，后續施工過程中路面沉降變形數據通過監控系統傳輸至后臺，根據需要實時讀取變形數據，監測過程中無須人工干預。

（3）邊坡變形監測。根據現場實際情況，高速公路兩側路塹邊坡植被茂密，不具備人工監測的條件，故采用一體化GNSS監測站對邊坡穩定狀況進行監測。

（4）爆破振速監測。監測點布置在下穿隧道爆破對應的地面上，監測儀器采用三分量速度傳感器。

（5）系統特點。變形智能監測的關鍵技術在于采用測試精度高、響應速度快、長期穩定性好的傳感測試技術。本系統擬采用靜力水準儀為核心的監測方法，搭建變形智能監測系統。

該智能監測系統的優勢在于：①全生命周期覆蓋。該系統不僅可以滿足鐵路建設期高標準要求，更可滿足運營期使用需要；②觀測精度高。系統采用自適應卡爾曼濾波算法，可對施工干擾、人為觸碰、列車通行等常見干擾引起的異常沉降進行智能識別與修正，同時配合高精度的靜力水準儀可滿足變形監測精度要求；③實時性強。系統可全天候開展監測，其監測時間和監測頻次可根據監測情況自適應調節，可最大程度確保監測的時效性；④功能全面。系統具有動態評估功能，可實時對當前是否具備鋪軌條件與沉降變化趨勢進行評估分析，確保監測數據的針對性與有效性。

（6）監測預警系統。施工過程中路面沉降等要求須滿足《公路路基設計規范》（JTGD30—2004）及其他相關公路規范規定，根據設計要求及參考國內外類似標準，預警值如下：①地表累計沉降量允許值≤20mm，預警值設置為15mm；日均沉降速率≤2mm/天，預警值設置為2mm/天；②邊坡變形預警值：水平位移、垂直位移累計值≤35mm，預警值設置為30mm；日均位移速率≤2mm/天，預警值設置為2mm/天；③隧道開挖采用控制爆破，爆破振速≤2.5cm/s。同時系統可根據相關單位要求，靈活定制預警結果發送方式、發送對象，并根據預警等級結果啟動相關應急預案。

4 結束語

在鐵路隧道工程建設中，近距離上跨、下穿既有建筑物的情況無法避免。該工法成功應用于金臺鐵路上岙隧道下穿臺金高速公路段落，縮短了施工工期，降低了施工安全風險，目前上岙隧道已安全順利貫通。