軟弱地層淺埋暗挖隧道下穿運營高速公路施工技術研究

周國旺

（川藏鐵路有限公司，四川成都 610000）

交通運輸是國民經濟中具有基礎性、先導性、戰略性的產業，是構建新發展格局的重要支撐和服務人民美好生活、促進共同富裕的堅實保障。國家“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃中指出：到2025年，實現以“八縱八橫”高速鐵路主通道為主骨架，高速鐵路區域連接線銜接，以部分兼顧干線功能的城際鐵路為補充，對50 萬人口以上城市覆蓋率達到95%以上，基本建成交通強國[1]。

在高速鐵路普及的同時，建設標準和水平也相應有了更高的要求，鐵路施工環境及地質條件也越來越復雜，越來越多的鐵路線路設計需穿越既有高速鐵路、高速公路等建構筑物，給建設施工帶來越來越多風險，因此鐵路以隧道形式下穿既有高速公路較為常見，高速鐵路隧道在軟弱地質條件下穿高速公路施工，措施控制稍有不慎就會導致地面沉降等地質災害，嚴重影響了高速正常通行或道路中斷等嚴重問題，如何快速安全下穿既有高速公路是鐵路工程施工面臨的一大難題。

本文通過工程實例，從施工角度深入探討鐵路隧道下穿高速公路建造技術，超前管幕、袖閥管帷幕、導洞開挖、隧道監控量測等隧道施工技術控制要點措施，為同類型隧道工程施工提供借鑒。

1 工程概況

所研究的隧道位于華北平原北緣，為沖積平原，地形平坦開闊，地勢由西北向東南緩傾。隧道在穿越某村后，在距村莊西側400 m 處下穿既有運營高速公路路基段，既有高速公路為雙向八車道公路。下穿高速暗挖段覆土厚度8.89～18.12 m，交叉角度為95.93°，公路路基高7.12 m，寬105 m，路面為瀝青混凝土，兩側坡面為六邊形混凝土空心塊護坡，與公路位置關系圖如圖1、圖2 所示。

圖1 暗挖段與既有高速位置關系平面圖

圖2 暗挖段與既有高速位置關系縱斷面圖

隧道下穿高速公路暗挖段里程為DK33+175—DK33+315，全長140 m。下穿段采用CRD 法施工，襯砌結構采用曲墻拱形結構、復合式襯砌結構類型，如圖3 所示。

圖3 暗挖段復合襯砌斷面圖

以管幕和小導管作為超前支護，噴射混凝土、鋼筋網、鋼架作為初期支護，二次襯砌采用小鋼模拼裝澆筑，三次襯砌采用模筑鋼筋混凝土，在二次襯砌與三次襯砌間設置防水層。

2 水文地質特征

2.1 工程地質

隧道地層主要為第四系全新統人工堆積層（Q4ml）填筑土，第四系全新統沖積層（Q4al）粉質黏土、粉土、粉砂，第四系上更新統沖積層（Q3al）粉質黏土、粉土、粉砂。

2.2 地下水類型及特征

場區內地下水為第四系孔隙潛水，其中砂類土層中水量較豐富。沿線地下水埋深變化較大，水位埋深16.7～22.2 m（高程-0.95～4.41 m），水位季節性變幅3～5 m，主要由大氣降水及地下水側向徑流補給，以地下水側向徑流和人工開采為排泄條件。

2.3 地震動參數

本隧所在位置抗震設防烈度為8 度，設計基本地震加速度值為0.2g，依據GB 50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》表4.2.1，本隧為建筑抗震一般地段。

2.4 不良地質及特殊巖土

本隧位于地面沉降地質災害易發區，地面存在沉降現象。野外調查沒有發現地面沉降災害對建構筑物、管線等造成明顯的危害現象。隧區主要位于大興區榆垈地面沉降區影響地帶內，歷史累計沉降量985～1 270 mm，年沉降速率22～37 mm/年，發育程度中等。

3 隧道施工技術控制要點

3.1 超前管幕

隧道拱部150°范圍140 m 通長設置鎖扣Φ299 mm管幕（壁厚12 mm 無縫鋼管，小里程側57 m、大里程側86 m，搭接3 m）管幕管內加筋回填C20 細石混凝土，管幕外進行注漿加固。側墻位置和中隔壁設置Φ42 mm 的超前鋼花管，縱向每兩榀格柵施作一環，搭接長度不小于1.5 m，采用無縫鋼管，壁厚3.5 mm。

采用導向頂管跟進螺旋出土法施工。現場超前管幕施工如圖4 所示。

圖4 現場超前管幕施工圖

施工工藝流程如下：施工準備→測量放線→設備就位→頂管機械的安裝調試→吊放鋼管→頂進→吊放下一根鋼管并連接→再頂進→加筋封堵→管內灌注混凝土→管外注漿→下一個循環施工。

管幕施工時，為保證施工效果，要注意以下事項：①首選適合鉆孔深度及施工精度要求的鉆機，鉆機帶有導向裝置，能對鉆進軌跡進行追蹤、糾偏；②導向孔嚴格控制鉆孔精度，導向孔施工誤差不得大于100 mm；③鉆孔時遇到鉆孔堵塞或不均勻地層引起卡鉆現象，采用緩慢鉆進結合頂管的方式保證鋼管順利通過；④管幕施工過程中采用增設基準管的方式進行多基準管順序施工，減少管幕鋼管施工的累計誤差[2]。

3.2 袖閥管帷幕注漿

在隧道施工過程中，因隧道地質巖性，后退式超前周邊注漿效果不顯著，無法保證土體和既有高速公路沉降穩定。結合原設計超前周邊注漿及現場滲水情況，現場采取下導洞全斷面帷幕注漿，控制開挖過程中的滲水，保證下導洞洞土體穩定，形成軟隧硬打的工藝效果，保證全斷面開挖施工安全，控制沉降。袖閥管注漿工序流程如圖5 所示。

圖5 袖閥管注漿工藝流程圖

3.2.1 注漿材料

漿液類型使用普通水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力0.5～1.3 MPa。原材料采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥、膨潤土（納基類）、濃度40°Bé水玻璃，模數2.4～2.8。

3.2.2 注漿參數

帷幕注漿參數表如表1 所示。

表1 帷幕注漿參數表

3.2.3 注漿順序

為達到注漿效果，袖閥管按照先外圈、再內圈以及先長后短的鉆孔注漿施工順序進行施工，注漿時為避免臨近孔串漿，將同時注漿的孔終孔間距控制在2～3 m，使其注漿終壓滿足設計要求為止[3]。

3.2.4 注漿控制

單孔注漿施工過程[4]：安裝止漿芯管至設計深度，采用水壓力泵將水囊止漿塞脹開達到密封作用，連接注漿管至芯管，開始拌制注漿材料至均勻通過注漿泵進行注漿，待注漿第一段達到注漿設計壓力停止注漿，后退水囊止漿塞至下一段進行注漿作業，循環至全孔注漿結束。

每孔首次注漿完畢后立即用清水沖洗注漿管，確保再次注漿時管道暢通，當首次注漿由于串漿、漏漿，注漿量未達到注漿效果時要進行二次注漿，提高注漿壓力，使漿液在地層中均勻擴散。注漿達到要求后，最終采用普通硅酸鹽水泥、水玻璃材料進行全孔分段封孔。

注漿時采用注漿壓力和注漿量雙重控制標準。注漿過程中，若出現每步距注漿量能滿足設計，而注漿壓力太低，采用間歇注漿和減小漿液膠凝時間進行調整，同時增加漿量，以保證注漿效果。

通過單序孔注漿施工，雙序孔進行檢查補強的施工方式，收集現場施工資料，對施工資料進行分析。注漿結束后對掌子面薄弱區進行孔內成像視頻，評價效果，確保開挖無滲水、掌子面土體穩定。

3.3 導洞開挖

預留核心土開挖施工斷面如圖6 所示。

圖6 ①③號洞開挖示意圖

隧道①③號洞采用預留核心土開挖法施工，②④號洞采取全斷面開挖法施工。

開挖步距控制：①號洞與②號洞步距3～5 m，②號洞與③號洞步距2～3 m，③號洞與④號洞步距3～5 m，隧道開挖進尺每循環0.5 m。二襯仰拱到④掌子面9～12 m，二襯封閉成環到④掌子面12～18 m。

隧道上導洞①③號洞全斷面一次性開挖高度為6.4～6.5 m，開挖寬度6.4～6.9 m，洞身土質為粉質黏土、夾粉土層，開挖過程中由于掌子面土體自穩性差，在開挖后掌子面噴混封閉前即出現滑落掉塊情況，在作業空間有限的條件下，對施工過程中作業人員及設備造成威脅。為了降低施工安全風險，現場優化上導洞開挖工藝，由全斷面開挖改為預留核心土開挖，降低一次開挖高度，核心土起支擋掌子面、減少滑落面積，并為掌子面局部落塊提供緩沖作用[5]；核心土縱向長度2 m，為降低對上部高速公路影響，①③號洞初支閉合時間不能超過48 h。

隧道下導洞②④號洞采用人工配合挖掘機全斷面開挖，開挖完成后先初噴混凝土，按要求架立鋼格柵，鋼格柵頂部與①號洞鋼格柵拱腳處采用螺栓連接，為保證連接質量，在角鋼連接處采用補焊加強；鋼格柵拱腳位置設置永久槽鋼硬支撐，保證槽鋼基底密實。向下傾斜約45°角打設鎖腳錨管，錨管尾部與鋼格柵焊接，保證鎖腳錨管達到效果[6]。鋪設鋼筋網片并焊接連接鋼筋，連接鋼筋內外交錯布置。最后復噴混凝土至設計厚度，及時回填注漿。

3.4 隧道監控量測

為確保既有高速公路通行安全，于隧道輻射范圍內的高速公路路肩、坡腳、路面中央分隔帶處設置沉降觀測點，監測高速公路路面變化。隧道洞內每5 m一個斷面布設監測點。拱頂下沉、凈空收斂監測采用非接觸測量方法進行監測。

拱腳下沉、位移監測點采用不銹鋼測量控制點預埋標芯，球頭直徑22 mm，桿直徑16 mm，桿長100 mm。②④號洞鋼格柵安裝完成后噴漿前立即施作。

量測點預埋件入巖端頭用Φ22 mm 螺紋鋼，長度60 cm，外露端焊接5 cm×6 cm 鋼板，鋼板厚度為5 mm，鋼板與螺紋鋼筋焊接牢固，表面打磨光滑，無污垢。預埋件外露長度不得大于3 cm，縱向每個層面的布點位保持在一條線上，確保布點牢固無松動[7]。

每斷面布設在兩榀鋼格柵之間同一斷面上，要求各點位沿里程方向偏差在±10 cm 內；不同斷面上的同一位置的埋點，要求在同一高度上，監測點鋼筋埋設在洞身開挖后盡快完成，埋設完成并包裹保護后進行初支混凝土噴射。

4 結束語

下穿高速公路隧道施工重點是減小沉降，不影響既有高速公路正常通車。施工過程中應用超前管幕結合全斷面袖閥管帷幕注漿技術為導向，以導洞封閉、監控量測跟蹤分析，不僅實現了沉降可控，且開挖過程掌子面土體穩定，為隧道順利開挖及行車安全提供強有力的保障。各項技術控制要點能為同類型隧道工程施工提供借鑒，以保證隧道施工質量可靠、安全、可控。