鐵路隧道下穿高速公路施工技術(shù)研究

曹 磊

(中國葛洲壩集團(tuán)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(diǎn)工程之一。隧道位于山西省柳林縣境內(nèi)，全長(zhǎng)2 461 m，為單洞雙線隧道，隧道出口DK161+415～DK161+345段(長(zhǎng)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(guān)系見圖1。

圖1 高速公路與隧道埋深關(guān)系(單位:m)

隧道下穿段洞身地層為泥質(zhì)砂巖與砂巖互層，泥質(zhì)砂巖:紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育。砂巖:灰白色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu);地下水不發(fā)育，雨季時(shí)，地下水呈雨滴狀滲出。圍巖級(jí)別按鐵路隧道圍巖劃分標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為Ⅲ級(jí)，施工中針對(duì)下穿淺埋施工設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)下穿公路段復(fù)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(cè)路肩水溝、路塹邊坡平臺(tái)各寬3 m，總寬28 m，重載運(yùn)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(biāo)識(shí)措施，沉降要求在15 mm以內(nèi)，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(diǎn)。

2 主要施工技術(shù)

隧道施工堅(jiān)持“管超前、短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、快成環(huán)、緊仰拱、勤量測(cè)、速襯砌”的原則。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際情況，施工時(shí)必須保證青銀高速公路路面穩(wěn)定及運(yùn)營安全，為減小新建隧道開挖對(duì)高速公路的影響，在對(duì)DK161+415～DK161+345段隧道施工時(shí)，采用如下技術(shù)措施。

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

隧道進(jìn)入下穿段施工前進(jìn)行超前地質(zhì)探測(cè)，采用TSP203PLUS地震波地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)開挖段前方進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，進(jìn)一步核實(shí)地質(zhì)資料，完善施工技術(shù)方案。施工過程中通過打超前探孔做近距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，為施工提供可靠直觀的地質(zhì)資料。

2.2 超前長(zhǎng)管棚注漿預(yù)支護(hù)

(1)管棚長(zhǎng)度70 m，分3次施作，每次施工長(zhǎng)度30 m，搭接長(zhǎng)度3～5 m，每節(jié)長(zhǎng)6 m，鋼管逐節(jié)頂入。管棚規(guī)格為熱軋無縫鋼管，外徑108 mm，壁厚6 mm，每節(jié)鋼管兩端均預(yù)加工成外絲扣，交錯(cuò)連接，環(huán)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(zhì)鉆機(jī)隔孔施鉆，開孔時(shí)低速低壓，待成孔1 m后適當(dāng)加壓，勻速鉆孔，避免發(fā)生夾鉆現(xiàn)象。鉆進(jìn)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(jìn)度連續(xù)接長(zhǎng)，直到設(shè)計(jì)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?jié){段110 cm。在鋼花管上內(nèi)裝入4根φ22 mm鋼筋和固定環(huán)組成的鋼筋籠，以提高導(dǎo)管的抗彎能力，管棚前端加工成錐形，以便于頂進(jìn)。

(4)長(zhǎng)管棚注漿采用水泥漿液，注漿參數(shù)為水泥漿液水灰比1∶1(質(zhì)量比)，注漿壓力0.5～2.0 MPa。注漿前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整注漿參數(shù)，注漿漿液在灰漿攪拌桶內(nèi)攪拌均勻后經(jīng)濾網(wǎng)放入儲(chǔ)漿桶，再由注漿泵經(jīng)管路注入鋼管中，注漿結(jié)束后用M5水泥砂漿充填鋼管以增強(qiáng)管棚強(qiáng)度。

2.3 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)

考慮既有高速公路對(duì)新建隧道的影響，設(shè)計(jì)對(duì)該段襯砌采用提高襯砌等級(jí)加強(qiáng)支護(hù)，以確保新建隧道結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性。初期支護(hù)采用網(wǎng)噴32 cm厚C30鋼纖維早強(qiáng)混凝土，φ8 mm鋼筋網(wǎng)間距為20 cm×20 cm，系統(tǒng)錨桿拱部范圍內(nèi)采用長(zhǎng)度5 m的φ25 mm中空注漿錨桿，邊墻采用長(zhǎng)度5 m的φ22 mm砂漿錨桿，間距1.0 m×1.0 m(環(huán)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(yù)留注漿孔，二襯后及時(shí)注漿充填，保證拱頂及邊墻背后密實(shí)。仰拱及填充采用棧橋施工，每次開挖長(zhǎng)度不超過3 m，澆筑長(zhǎng)度不得超過6 m。襯砌采用9 m全斷面鋼模液壓襯砌臺(tái)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(shí)，二襯達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再進(jìn)行下一施工段開挖。

2.4 施工方法及工序

施工方法對(duì)高速路面沉降情況起著主導(dǎo)作用，設(shè)計(jì)下穿段施工方法為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱銑挖法施工，上臺(tái)階中間設(shè)臨時(shí)鋼架支撐。隧道拱部周邊采用銑挖機(jī)環(huán)狀銑挖，預(yù)留核心土，然后初噴混凝土，施作系統(tǒng)錨桿并安裝拱部HW175型鋼鋼架支撐，復(fù)噴鋼纖維早強(qiáng)混凝土，初支后銑挖配合機(jī)械開挖核心土。中下臺(tái)階先銑挖周邊，對(duì)中間強(qiáng)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(dòng)波疊加三個(gè)方面控制，開挖每循環(huán)進(jìn)尺控制在50 cm之內(nèi)。

高速公路部門要求施工期間不能封路，施工中監(jiān)控量測(cè)到高速公路路面沉降大于15 mm時(shí)，則由“三臺(tái)階臨時(shí)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(tái)階臨時(shí)仰拱法加豎撐橫斷面示意

在沃爾沃EC460B履帶式液壓挖掘機(jī)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(tái)德國艾卡特ER1500-3型銑挖機(jī)，銑挖機(jī)配48個(gè)銑挖頭。工作原理是利用銑挖機(jī)的銑挖頭高速旋轉(zhuǎn)切削巖石，人工配合修整開挖輪廓線達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以有效的減少開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，控制超欠挖，提高開挖質(zhì)量和安全度，降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

ER1500-3型銑挖機(jī)購置時(shí)未配備降塵裝置，銑挖機(jī)的銑挖頭在工作時(shí)產(chǎn)生大量的粉塵，銑挖作業(yè)時(shí)采用水幕降塵和人工降塵相結(jié)合的方法，由人工手持高壓水管向銑挖機(jī)工作面澆水，工作面通風(fēng)采取1臺(tái)風(fēng)量為1 000 m/min、功率為2×110 kW的對(duì)旋式低噪聲軸流通風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)，保證工作面空氣質(zhì)量。

2.4.2 微振控制光面爆破

設(shè)計(jì)開挖輪廓線向隧道內(nèi)側(cè)1.0～1.2 m的范圍采用銑挖機(jī)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(dòng)波疊加3個(gè)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(jù)鉆爆設(shè)計(jì)，最大一段爆破用藥量為上臺(tái)階開挖，依據(jù)公式Qmax=R3×(Vkp/K)3/a計(jì)算微振爆破作業(yè)段最大一段允許裝藥量為3.1 kg(約21節(jié)150 g藥卷)2號(hào)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(shè)計(jì)要求Vkp=4 cm/s;R為爆破安全距離，m，根據(jù)炮眼布置圖R=7 m;K為地形、地質(zhì)影響系數(shù)，考慮輪廓線上部120°范圍設(shè)減振孔，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合爆破安全規(guī)程(GB6722—86)取K=80;a為衰減系數(shù)，根據(jù)爆破安全規(guī)程(GB6722—86)取a=1.9。

(2)減弱爆破振速傳遞

上臺(tái)階開挖時(shí)，在拱部120°范圍開挖輪廓線上方5 cm設(shè)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(dòng)波傳遞效果。

(3)減少爆破振動(dòng)波疊加

采用孔內(nèi)控制微差起爆網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，加大爆破起爆段別，增加起爆間隔時(shí)間，采用 1、5、7、9、11、13、15、17、19段9個(gè)段別非電毫秒雷管間隔起爆，減小爆破振動(dòng)波疊加，發(fā)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(shí)，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(shù)一般控制在1.2(B=52/45)范圍內(nèi)。

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(tái)階:上臺(tái)階高3.5 m，先對(duì)上臺(tái)階放樣后對(duì)周邊(寬度1.0～1.2 m)進(jìn)行銑挖，然后修整初噴4 cm厚C25混凝土，安裝鋼筋網(wǎng)并施作系統(tǒng)錨桿后安裝HW175型鋼鋼架，間距0.5 m，打鎖腳錨管，再復(fù)噴C30鋼纖維早強(qiáng)混凝土至設(shè)計(jì)厚度32 cm。

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

(3)中臺(tái)階兩側(cè)邊墻采取左右錯(cuò)開方法先銑挖，寬度1.0～1.2 m，初噴4 cm厚混凝土。然后對(duì)邊墻鋼拱架進(jìn)行接長(zhǎng)，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度后再微振弱爆破開挖中臺(tái)階核心土。左右邊墻錯(cuò)開不得大于1 m，開挖支護(hù)完一側(cè)再施工另一側(cè)，中臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3 m。

(4)下臺(tái)階兩側(cè)邊墻先銑挖，寬度1.0～1.2 m，初噴4 cm厚混凝土。然后對(duì)邊墻鋼拱架進(jìn)行接長(zhǎng)至邊墻腳，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度后再弱爆破開挖下臺(tái)階核心土。下臺(tái)階左右邊墻開挖錯(cuò)開不得大于1.5 m，開挖支護(hù)完一側(cè)再施工另一側(cè)，下臺(tái)階長(zhǎng)度控制在8～9 m范圍內(nèi)，與中臺(tái)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(jìn)行封閉成環(huán)，每次開挖支護(hù)長(zhǎng)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(zhǎng)度不得大于6 m。

(7)施作防水層并進(jìn)行矮邊墻混凝土施工。

(8)二次襯砌一次澆筑長(zhǎng)度6～9 m，二襯后拱頂及時(shí)注漿充填密實(shí)。

(9)每日3次對(duì)洞內(nèi)拱頂及公路路面沉降變形、隧道周邊收斂進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)量測(cè)結(jié)果及時(shí)指導(dǎo)施工。

圖4 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱銑挖法施工工序示意(單位:m)

2.4.4 監(jiān)控量測(cè)

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(yuǎn)大于規(guī)范55 t，監(jiān)控量測(cè)是監(jiān)視圍巖穩(wěn)定及判斷設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)效益的重要條件，它必須貫穿施工的全過程。

(1)監(jiān)控量測(cè)的目的

通過監(jiān)控量測(cè)了解各施工階段高速路面與下穿隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，把握施工過程中結(jié)構(gòu)所處的安全狀態(tài)，判斷圍巖穩(wěn)定性，支護(hù)及襯砌的可靠性;用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果彌補(bǔ)理論分析過程中存在的不足，并把監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工，為修改施工方法、調(diào)整圍巖級(jí)別、變更支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)提供依據(jù);通過監(jiān)控量測(cè)了解該工程條件下所反映出來的工程規(guī)律和特點(diǎn)，為今后類似工程或該工法本身的發(fā)展提供借鑒、依據(jù)和指導(dǎo)作用。

(2)監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置見圖5、圖6。

圖5 高速公路路面監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)布置

圖6 隧道內(nèi)監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置(單位:m)

(3)監(jiān)測(cè)安全控制基準(zhǔn)

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(nèi)檢測(cè)基準(zhǔn)見表1。

表1 位移管理等級(jí)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，可根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果所處管理階段選擇監(jiān)測(cè)頻率:一般Ⅲ級(jí)管理階段監(jiān)測(cè)頻率可放寬些;Ⅱ級(jí)管理階段則應(yīng)注意加密監(jiān)測(cè)次數(shù);Ⅰ級(jí)管理階段則應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，通常監(jiān)測(cè)頻率為1～2次/d或更多。

(4)監(jiān)控量測(cè)成果

根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，將高速公路地表沉降值、洞內(nèi)拱頂沉降值及洞內(nèi)收斂值進(jìn)行整理(隧道拱頂沉降及收斂值選擇具代表性的四個(gè)斷面)，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，高速地表最大沉降值為11 mm，洞內(nèi)拱頂沉降值最大為4.5 mm，洞內(nèi)收斂最大值為6 mm。

3 結(jié)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(dòng)，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(jī)選型合理且使用方便，滿足工程需要，對(duì)類似工程有借鑒作用。建議在以后選型中配備自動(dòng)噴水降塵裝置，以改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境，提高空氣質(zhì)量。

(3)下穿施工完成之后，對(duì)下穿段高速公路及隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)重新進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，確保高速公路及鐵路隧道不會(huì)因時(shí)間推移而產(chǎn)生破壞。

［1］劉斌，寧茂權(quán).甬臺(tái)溫鐵路前黃隧道下穿高速公路設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(6).

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