高速鐵路隧道超淺埋下穿高速公路設(shè)計(jì)研究

龔彥峰,唐　曌,李　強(qiáng),陳　創(chuàng)

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢　430063；2.水下隧道技術(shù)湖北省工程實(shí)驗(yàn)室,武漢　430063)

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高速鐵路隧道超淺埋下穿高速公路設(shè)計(jì)研究

龔彥峰1,2,唐曌1,2,李強(qiáng)1,陳創(chuàng)1

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢430063；2.水下隧道技術(shù)湖北省工程實(shí)驗(yàn)室,武漢430063)

摘要：廈深鐵路紅棉隧道為設(shè)計(jì)時速250 km高速鐵路雙線隧道,隧道洞身以小角度超淺埋下穿水官高速公路和鹽排高速公路,隧道埋深分別為6.5～11 m和2.5～4.3 m。通過對國內(nèi)大斷面隧道工程下穿高速公路有關(guān)科研、設(shè)計(jì)和施工情況的調(diào)研,結(jié)合紅棉隧道具體條件,對紅棉隧道暗挖法、貝雷橋過渡+暗挖法及蓋挖法下穿高速公路技術(shù)方案進(jìn)行研究。通過比選,紅棉隧道下穿水官高速公路采用超長管棚+雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的暗挖法技術(shù)、下穿鹽排高速公路采用地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土蓋板的蓋挖半逆作法技術(shù),保證工程的順利實(shí)施和高速公路的運(yùn)營安全。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；鐵路隧道；超淺埋；高速公路；暗挖法；蓋挖法

1概述

近年來，隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，采用隧道工程立交下穿建(構(gòu))筑物的案例越來越多。特別是在靠近城市區(qū)，由于周邊環(huán)境條件的限制，下穿工程規(guī)模越來越大，條件越來越差，小角度、長距離下穿建(構(gòu))筑物的情況越來越多。下穿工程施工既要保證上部建(構(gòu))筑物的安全和正常使用，又要保證下穿隧道工程的正常順利施工。依托廈深鐵路紅棉隧道下穿深圳水官高速公路、鹽排高速公路工程實(shí)例，對高速鐵路大斷面隧道超淺埋下穿高速公路設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究與總結(jié)。

2下穿技術(shù)研究現(xiàn)狀

隧道工程下穿各類建(構(gòu))筑物大多采用淺埋暗挖法施工，為控制下穿隧道施工對上部構(gòu)筑物的影響，保證隧道工程的順利實(shí)施，有關(guān)科研、設(shè)計(jì)和施工單位采用工程類比、理論分析、數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場監(jiān)測等手段開展了大量研究工作。

2.1　研究概述

鄭西高速鐵路閿鄉(xiāng)隧道和高橋隧道在新黃土中以小角度下穿連霍高速公路和既有南同蒲鐵路，最小埋深不足11 m。趙勇等[1]為解決大斷面黃土隧道下穿構(gòu)筑物修建技術(shù)，分別在閿鄉(xiāng)和高橋隧道開展了雙層支護(hù)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙層支護(hù)臺階法的試驗(yàn)研究，形成了大斷面黃土隧道下穿構(gòu)筑物的近接施工技術(shù)。鄒育麟等[2]以新建公路隧道下穿高速公路為例，采用三維數(shù)值模擬手段對高速公路路面縱橫向影響范圍、應(yīng)力分布、隧道洞周的位移收斂和初期支護(hù)的應(yīng)力變化隨隧道開挖的動態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了研究。朱浩波[3]依托京滬高速鐵路，對大斷面隧道近距離下穿高速公路施工技術(shù)進(jìn)行了研究，包括施工方法比選及地表沉降監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變分析、爆破振動影響等。

劉斌等[4]介紹了甬臺溫鐵路前黃隧道下穿甬臺溫高速公路設(shè)計(jì)。前黃隧道下穿甬臺溫高速公路，路面距隧道拱頂最小厚度3.0 m，高速公路中央分隔帶處電纜溝底距隧道拱頂最小凈距為1.93 m。拱部設(shè)置φ108 mm管棚超前支護(hù)，復(fù)合式襯砌、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。施工中對在高速公路相關(guān)區(qū)段內(nèi)實(shí)行交通管制，并按計(jì)劃強(qiáng)制實(shí)行影響區(qū)段四分之一封道，以確保隧道施工和車輛通行的萬無一失。李明磊[5]介紹了南廣鐵路大山頭隧道下穿廣梧高速公路方案設(shè)計(jì)。為控制高速公路路面沉降，采取超前長管棚加強(qiáng)支護(hù)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，通過三維巖土力學(xué)有限差分程序FLAC3D進(jìn)行模擬分析，經(jīng)計(jì)算，隧道開挖后高速公路路面沉降1.2 mm。

易小明、張頂立[6]結(jié)合廈門機(jī)場路一期梧村山隧道下穿密集建筑物，綜合考慮結(jié)構(gòu)計(jì)算、開挖計(jì)算、實(shí)測統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，制定了如下建筑物的變形控制指標(biāo)：沉降量控制指標(biāo)可取30 mm，不均勻沉降取2%，結(jié)構(gòu)裂縫取1.5 mm，普通裂縫寬度取3 mm。王志等[7]采用三維有限元方法對甬臺溫鐵路前黃隧道下穿高速公路施工時的圍巖變形及公路路面沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析結(jié)果表明，長管棚超前支護(hù)及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖對路面及隧道拱頂沉降都起到了很好的控制作用，公路路面的沉降值呈近似倒漏斗形分布。隧道開挖完成之后，拱部最大累計(jì)沉降13.6 mm，隧底最大隆起為18.9 mm。在隧道縱向不同開挖步下，最終的高速公路路面最大累計(jì)沉降為7.8 mm。

鐘元慶[8]介紹了永武高速公路金雞嶺隧道下穿G205國道施工技術(shù)。高速公路左、右線隧道埋深分別為5.7 m和4.6 m，主要采用長管棚超前支護(hù)、路面下人工填土注漿加固、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工等措施，保證了工程的順利實(shí)施。趙方青[9]介紹了石太鐵路下穿高速公路淺埋暗挖法施工。公路路面至隧道頂?shù)母餐梁穸葹?.8～3.5 m，隧道長50 m，開挖跨度7.1 m，設(shè)計(jì)采用大管棚支護(hù)、復(fù)合式襯砌、CRD法施工。程文斌[10]針對江門隧道Ⅵ級圍巖淺埋下穿城市道路施工，研究了水平旋噴樁超前加固、大管棚超前支護(hù)和CRD工法開挖，保證了隧道下穿段的施工安全，并借助有限元軟件，對隧道開挖全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

肖廣智等[11]介紹了高壓水平旋噴樁的機(jī)理、特點(diǎn)、施工工藝、國內(nèi)應(yīng)用情況及工程實(shí)例，提出了在隧道與地下工程中采用高壓旋噴樁作為超前支護(hù)的適用條件及技術(shù)發(fā)展建議。賴金星等[12]對軟弱地層管棚與水平旋噴樁組合結(jié)構(gòu)的預(yù)加固效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明水平旋噴樁預(yù)加固工法控制拱頂沉降、拱腳收斂值和掌子面穩(wěn)定性能力顯著，管棚預(yù)加固工法控制地表沉降的能力較強(qiáng)，管棚和旋噴樁組合結(jié)構(gòu)控制拱頂沉降和拱腳收斂、掌子面水平位移性能突出，管棚與水平旋噴組合結(jié)構(gòu)使地表沉降、拱頂沉降、拱腳收斂大幅度減小。高海東[13]介紹了港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道長距離大直徑曲線管幕頂管下穿拱北海關(guān)工藝試驗(yàn)。拱北隧道埋深4～5 m，管幕平均長度257.9 m，由36根φ1620 mm的鋼管組成，管間距35.5～35.8 mm，施工采用德國海瑞克AVN1200TC頂管機(jī)，取得了預(yù)期效果。

2.2　主要研究內(nèi)容

從上面介紹來看，這些研究大致可歸納為以下幾個方面。

(1)施工影響范圍研究

目前，隧道開挖對建(構(gòu))筑物影響的分析方法主要有整體分析法和兩階段分析法[3]，一般需用有限元等數(shù)值方法計(jì)算分析。三維數(shù)值模擬顯示，隧道拱頂沉降受隧道縱向開挖空間效應(yīng)影響很大，只有當(dāng)隧道斷面全部開挖完成后，其沉降才達(dá)到最大；另一方面，淺埋隧道拱頂沉降受覆蓋層厚度的影響較大。從有關(guān)研究來看[2]，當(dāng)隧道開挖掌子面距高速公路約9 m(0.75D，D為洞徑)范圍內(nèi)，為隧道開挖對高速公路路面沉降的縱向影響區(qū)域，且掌子面前方0.7D和掌子面后方2D為隧道開挖所引起的路面沉降的主要影響范圍；高速公路路面橫向沉降槽近似“喇叭口”形狀，隨著掌子面的推進(jìn)，橫向沉降槽由影響開挖中心線以外20 m逐步擴(kuò)大到44 m。

(2)路面變形控制標(biāo)準(zhǔn)研究

目前尚沒有隧道下穿高速公路沉降控制的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中多采用地鐵施工中的經(jīng)驗(yàn)值30 mm作為地表沉降的控制指標(biāo)，日本、法國、德國等國外規(guī)范要求的地表最大沉降在50 mm內(nèi)即可?！豆饭こ藤|(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》[14]對高速公路質(zhì)量控制要求，路面結(jié)構(gòu)在3 m范圍內(nèi)的不平整度應(yīng)限制在3 mm以內(nèi)，即局部傾斜度不超過0.1%。鄭西高速鐵路閿鄉(xiāng)隧道下穿連霍高速公路采用的路面控制指標(biāo)為：最大沉降50 mm、最大傾斜度1/1 000[1]。

(3)超前支護(hù)措施研究

對軟弱淺埋大斷面隧道下穿建(構(gòu))筑物，超前支護(hù)技術(shù)在控制隧道開挖過程中掌子面穩(wěn)定性方面起到關(guān)鍵的作用。超前預(yù)加固措施，是解決開挖過程中掌子面穩(wěn)定性和快速施工之間矛盾的重要手段，能夠有效地保持掌子面穩(wěn)定和控制土體大變形，保證隧道安全通過。目前可供選擇的主要超前支護(hù)措施有大管棚、水平旋噴、管幕等方法。超前支護(hù)方法的選擇受多種因素的影響，需對水文地質(zhì)條件、圍巖工程地質(zhì)條件、環(huán)境保護(hù)要求、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性等各方面進(jìn)行對比選擇。

(4)施工方法與工藝

一般認(rèn)為，從控制地層沉降考慮，大斷面隧道選擇施工方法的順序?yàn)椋弘p側(cè)壁導(dǎo)坑法→CRD法→CD法→預(yù)留核心土法；而從工期及經(jīng)濟(jì)性考慮，則正好與之相反。從掌子面穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方面考慮，應(yīng)做好施工中的如下工藝控制：短進(jìn)尺及掌子面封閉、加強(qiáng)拱腳、支護(hù)及時封閉等。

(5)公路監(jiān)測與變形控制

為保證高速公路運(yùn)行的絕對安全，要加強(qiáng)對路面沉降的監(jiān)測，采用合適的監(jiān)測與控制措施是必需的。測點(diǎn)主要布置在行車道、中間隔離帶、公路邊坡平臺以及路邊水溝。在隧道下穿施工中，應(yīng)根據(jù)路面沉降值劃分警戒等級，增加監(jiān)測頻率，并根據(jù)不同等級采取相應(yīng)措施。在隧道下穿施工過程中，應(yīng)根據(jù)隧道施工進(jìn)展情況對路面車道進(jìn)行交錯封閉和車道限速，這是保證施工安全的有效措施。

3紅棉隧道工程概況

廈深鐵路紅棉隧道為設(shè)計(jì)時速250 km高速鐵路雙線隧道，隧道位于廣東省深圳市龍崗區(qū)橫崗鎮(zhèn)境內(nèi)，進(jìn)口位于水官高速公路與鹽排高速公路連接線C匝道內(nèi)，出口臨近深圳市紅棉路，隧道全長1 303 m。隧道分別于DK490+995～DK491+150、DK491+231～+346超淺埋下穿水官高速公路和鹽排高速公路。紅棉隧道與水官、鹽排高速公路平面關(guān)系見圖1。

隧道DK490+995～DK491+150段下穿水官高速公路，下穿段隧道位于W4全風(fēng)化砂巖地層，洞頂距高速公路路面距離6.5～11 m。本段隧道具有一定埋深，通過采用合理的超前支護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)和施工方法可有效控制公路路面變形和隧道施工安全，設(shè)計(jì)推薦采用暗挖法施工。

隧道DK491+231～+346段下穿鹽排高速公路及其匝道，下穿段隧道線路與高速公路交角41°，鹽排高速公路設(shè)計(jì)為雙向6車道，最高設(shè)計(jì)時速100 km。下穿段隧道處于W4全風(fēng)化砂巖地層，拱頂距高速公路路面距離2.5～4.3 m。初步設(shè)計(jì)階段考慮隧道埋深太淺、高速公路產(chǎn)權(quán)部門不同意臨時占用道路，設(shè)計(jì)采用貝雷橋架空臨時路面交通過渡、暗挖法施工方案。

圖1　紅棉隧道與高速公路平面關(guān)系

4紅棉隧道下穿方案研究

根據(jù)紅棉隧道邊界條件，下穿高速公路可能采取的施工方案主要有以下幾種。

4.1　暗挖法

暗挖法施工不占用道路，對道路交通影響小，是優(yōu)先考慮的方案。針對暗挖法而言，合理的超前支護(hù)和初期支護(hù)措施是其成敗的關(guān)鍵。

(1)超前支護(hù)措施

超前支護(hù)是隧道下穿施工中必需采取的工程措施，目前可供選擇的超前支護(hù)措施主要有超前大管棚、水平旋噴、管幕法、凍結(jié)法及其組合方法。

管棚工法是在隧道開挖之前沿隧道開挖斷面外輪廓，以一定間隔與隧道平行鉆孔、插入鋼管，再從鋼管內(nèi)壓注充填水泥漿或砂漿，增加鋼管外圍巖體的抗剪切強(qiáng)度，并使得鋼管和圍巖一體化，由管棚和圍巖構(gòu)成棚架體系。其作用機(jī)理就是將管棚上部圍巖傳來的比較集中的荷載分散到掌子面前方的土體和格柵(型鋼)鋼架上，從而減少掌子面前方土體所受壓力的強(qiáng)度，保證掌子面前方土體的穩(wěn)定。管棚的作用除了能夠加固地層，提高圍巖物理力學(xué)參數(shù)，增強(qiáng)地層自穩(wěn)能力外，還能防止隧道塌方，阻斷沉降，控制拱頂以及地表的變形。水平導(dǎo)向鉆孔通過安裝在鉆頭部位的傳感器測量鉆頭偏角，可實(shí)現(xiàn)鉆孔方向的控制。目前采用水平導(dǎo)向鉆孔技術(shù)，管棚一次施工長度一般在80 m左右，最大可達(dá)160 m，精度可控制在0.5%以內(nèi)。

近年來，水平旋噴技術(shù)得到了快速發(fā)展。咬合旋噴樁可在隧道拱頂及周邊形成水平旋噴帷幕體，具有梁效應(yīng)、拱效應(yīng)和土體改良加固效果，能起到防流沙，抗滑移作用，保證隧道掘進(jìn)安全。高壓水平旋噴主要適用于開挖后穩(wěn)定性極差的地層，如含水砂層、淤泥質(zhì)地層、全風(fēng)化富水地層等。高壓水平旋噴樁作為隧道超前支護(hù)，具有剛度大、強(qiáng)度高、施工可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但水平旋噴樁單樁長度一般在40 m以下，長距離超前支護(hù)需施工多個循環(huán)，相互搭接而成，其價格也較高。

管幕法是利用較大直徑的鋼管在地下預(yù)先密排形成帷幕從而建造大斷面地下空間的施工技術(shù)，其原理是以單根鋼管鋪設(shè)為基礎(chǔ)，各鋼管間依靠鎖口相連，并在鎖口處注入止水劑，形成密封的止水帷幕。管幕法適用于埋深淺、斷面大、地質(zhì)條件復(fù)雜的地下工程[15]。在對地面沉降要求較高或斷面較大而地質(zhì)情況又特別復(fù)雜的情況下管幕方案因其方法可靠而被應(yīng)用。最近，在港珠澳工程拱北隧道下穿拱北口岸地區(qū)采用φ1.62 m泥水平衡頂管機(jī)施工取得成功[13]。但管幕也因其施工難度大且造價昂貴而不被普遍采用。

(2)雙層支護(hù)技術(shù)

初期支護(hù)采取雙層支護(hù)形式。雙層支護(hù)采用同時施作方式，其中內(nèi)層支護(hù)落后外層1～3榀鋼架，兩層支護(hù)呈臺階狀推進(jìn)。從鄭西高速鐵路高橋隧道下穿既有鐵路的實(shí)踐表明，雙層支護(hù)控制圍巖變形的能力遠(yuǎn)優(yōu)于單層支護(hù)，在埋深小于1倍隧道開挖寬度的超淺埋場合，具有較大的支護(hù)剛度，可及時控制拱部下沉變形，但要求內(nèi)層支護(hù)緊跟外層同時施作才能達(dá)到及時增加支護(hù)剛度的目的。

宋超業(yè)等[16]結(jié)合地鐵車站淺埋大跨隧道，對雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)雙層格柵、外層型鋼+內(nèi)層格柵、外層格柵+內(nèi)層型鋼等3種組合形式進(jìn)行試驗(yàn)研究，外層格柵+內(nèi)層型鋼組合方式最適合車站隧道，結(jié)構(gòu)受力更合理，有利于控制地層變形。

4.2　貝雷橋過渡+暗挖下穿

貝雷橋是以高強(qiáng)鋼材制成的輕便標(biāo)準(zhǔn)化桁架單元構(gòu)件及橫梁、縱梁、橋面板、橋座及連接件等組成，用專用的安裝設(shè)備可就地迅速拼裝成適用于各種跨徑、荷載的桁架梁橋。早期的貝雷橋主要應(yīng)用于軍事上，即軍用鋼橋，現(xiàn)在貝雷橋除了作為戰(zhàn)備鋼橋外，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于搶險救災(zāi)、交通工程、市政水利工程、危橋加固等方面。另有一種D型便梁，適用于既有鐵路線路或站場的架空施工，其優(yōu)點(diǎn)是在不中斷行車的情況下，利用它進(jìn)行下部工程的開挖和施工，且運(yùn)輸和拆裝方便。D型便梁適用于單雙線鐵路，行車限速60 km/h，分為D12、D16、D20、D24等4種型號。

在隧道與高速公路交叉處路面架設(shè)棧橋，采用隧道下穿施工期間，讓車輛從棧橋上通過隧道頂。該方案可以確保隧道施工時拱頂薄弱圍巖不會受車輛的重力和通行時激振力的影響，同時通行車輛也不會受到隧道施工的影響，隧道施工時只要嚴(yán)格按“弱爆破，短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)，早封閉，勤測量”原則，便可確保施工和通行安全。

在高速公路路面架設(shè)和拆除棧橋時，需要對高速公路封道。據(jù)計(jì)算，半幅棧橋架設(shè)施工，封道時間需要20 d，拆除需要5 d，全部棧橋施工需封半幅道的總時間為50 d左右；另外雙線隧道開挖斷面凈寬超過15 m，為確保隧道拱頂不受行車影響，棧橋凈跨應(yīng)大于42 m，要滿足承載力的要求，棧橋臨時支墩處的路面必須進(jìn)行加固處理，從而會對高速公路原有的路面造成破壞，同時在高速公路面面上架設(shè)棧橋，需要設(shè)置一定的坡度，給車輛通行造成較大的安全隱患。由于鹽排高速公路車流量大，重車多，采用棧橋架空過渡方案無法滿足交通需要，產(chǎn)權(quán)部門也不同意。

4.3　蓋挖法

在道路下部修建隧道時，開槽明挖施工會長時間干擾交通，影響周邊環(huán)境；而暗挖法施工工期較長，地層沉陷對上部建筑物的安全影響較大，工程造價也很高。在這種情況下，先修筑隧道頂板，而后在頂板的保護(hù)下修建下部結(jié)構(gòu)，往往比較安全、實(shí)用，價格適中[17]，這種方法就是蓋挖法。深圳地鐵1號線科學(xué)館站采用了大跨度簡支鋼桁梁臨時路面系統(tǒng)蓋挖順作法修建[18]，以減少地鐵施工對地面交通的影響。從安裝拆卸方便性考慮，臨時路面系統(tǒng)采用軍用梁及相應(yīng)路面板、圍護(hù)樁。

按主體結(jié)構(gòu)的施工順序，蓋挖法又可分為蓋挖順作法、蓋挖逆作法、蓋挖半逆作法等。

蓋挖順作法是先完成圍護(hù)結(jié)構(gòu)和必要的地梁，把蓋板覆蓋在擋土結(jié)構(gòu)上，形成臨時路面，恢復(fù)道路交通，而后在蓋板下方進(jìn)行土方開挖，直至結(jié)構(gòu)底部設(shè)計(jì)高程，然后再按常規(guī)順序由下而上修建地下結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)。上述工序完成后，拆除臨時頂蓋，進(jìn)行土方回填，并恢復(fù)地下管線或埋設(shè)新的管線。在地下水位較高的情況下，選擇止水性的地下連續(xù)墻或密排咬合樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，則降排水容易，工程成功有保證。蓋挖順作法施工，頂蓋費(fèi)用較高，而且工程開始時要鋪設(shè)臨時頂蓋、修建臨時路面，工程結(jié)束時要拆除臨時頂蓋、修建正式路面，兩次占用道路，對交通有不小的影響。

為減少施工對交通的多次影響，采用蓋挖半逆作法施工，即在開挖地面、完成頂板及恢復(fù)路面后，向下開挖至結(jié)構(gòu)底面，先修筑底板，再一次向上逐層修筑側(cè)墻、樓板。其與蓋挖順作法的區(qū)別是，蓋挖順作法所完成的頂板是將來要拆除的臨時蓋板，而蓋挖半逆作法所完成的頂板就是結(jié)構(gòu)的頂部結(jié)構(gòu)。蓋挖半逆作法主體結(jié)構(gòu)均為順作施工，減少了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力轉(zhuǎn)換，對結(jié)構(gòu)的整體性和使用壽命有利，結(jié)構(gòu)的防水施工也變得簡單可靠。

5紅棉隧道下穿高速公路設(shè)計(jì)技術(shù)

針對紅棉隧道下穿水官高速公路和鹽排高速公路的埋深條件，從保證道路運(yùn)營安全、影響道路交通時間、經(jīng)濟(jì)便利性等方面考慮，分別采用暗挖法和蓋挖法，取得了預(yù)期效果。

5.1　暗挖法下穿水官高速公路

DK490+995～DK491+150段下穿水官高速公路，隧道有一定埋深，采用了較強(qiáng)的超前支護(hù)和合理的施工方法后，可以保證公路的運(yùn)營安全。設(shè)計(jì)采用在DK490+995和DK491+150兩端對打雙層φ159 mm(壁厚8 mm)超前長管棚支護(hù)，每端打設(shè)管棚長度80 m，環(huán)向間距40 cm，上下層間距30 cm，兩環(huán)間搭接長度5 m。為便于掌子面穩(wěn)定和便于管棚施作，分別在下穿段兩端設(shè)置10 m長、1.5 m高管棚工作室。下穿段襯砌結(jié)構(gòu)采用雙層初期支護(hù)復(fù)合式襯砌，第一層、第二層初期支護(hù)內(nèi)置I20a型鋼鋼架，間距0.5 m，兩層鋼架交錯布置；二次襯砌采用55 cm厚鋼筋混凝土(仰拱厚度65 cm)，主筋采用φ22@125 mm鋼筋。襯砌斷面詳見圖2。

隧道施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，其施工安全的控制點(diǎn)是臨時支撐拆除后、二次襯砌施作前初期支護(hù)的穩(wěn)定問題。本工程采用雙層初期支護(hù)技術(shù)，保證了二次襯砌施作前隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。施工期間對高速公路過往車輛進(jìn)行限速處理，加強(qiáng)對地表、高速公路及洞內(nèi)監(jiān)測工作，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，確定是否調(diào)整支護(hù)參數(shù)及施工工法。

圖2　紅棉隧道暗挖下穿高速公路襯砌斷面(單位：cm)

5.2　蓋挖法下穿鹽排高速公路

DK491+231～+311下穿鹽排高速公路主路，初步設(shè)計(jì)曾研究架設(shè)貝雷橋進(jìn)行臨時路面交通過渡+暗挖法施工的方案。鹽排高速公路是鹽田港專用通道，交通組成中重型貨車所占比例大，道路承載大，采用貝雷橋過渡方案，無法滿足交通需求，后經(jīng)多次研究改為蓋挖半逆作施工方案。

本段工程施工采用蓋挖法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為基坑開挖時的擋土結(jié)構(gòu)?；硬捎? m厚地下連續(xù)墻做圍護(hù)結(jié)構(gòu)，墻間設(shè)φ600 mm旋噴樁止水。基坑設(shè)頂部蓋板、2道鋼支撐，在拆除鋼支撐前應(yīng)在原支撐下1 m處架設(shè)換撐。鋼支撐和換撐均采用φ609 mm、壁厚16 mm鋼管，水平間距3 m。紅棉隧道下穿鹽排高速公路蓋挖法地段采用矩形結(jié)構(gòu)斷面，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。基坑支護(hù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳見圖3。

圖3　紅棉隧道蓋挖法下穿高速公路基坑支護(hù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位：cm)

隧道下穿鹽排高速公路施工前，先施工鋼筋混凝土蓋板及地下連續(xù)墻組成的受力框架，承擔(dān)隧道施工期間高速公路全部荷載，隧道下穿施工期間不影響路面主車道通行。鹽排高速公路至排榜方向路面由三車道+硬路肩組成(設(shè)計(jì)圖中車道編號②、③、④，硬路肩編號①)，至鹽田港方向路面由四車道+硬路肩組成(圖中車道編號⑤、⑥、⑦、⑧，硬路肩編號⑨)。紅棉隧道蓋挖法施工平面如圖4所示。

采用隧道方案開挖通過該段區(qū)域設(shè)置過渡措施，使交通車輛避開隧道施工區(qū)域。高速公路業(yè)主要求本項(xiàng)目在對鹽排高速公路交通疏解期間，應(yīng)維持主線雙向四車道通行的要求。蓋板及連續(xù)墻施工期間，高速公路施工過渡方案如下。

(1)封鎖③、④、⑤、⑥車道，對其進(jìn)行圍擋，高速公路車輛疏導(dǎo)至相鄰車道通過，施工連續(xù)墻和一期蓋板，并要求汽車限速行駛。

(2)連續(xù)墻和一期蓋板施工完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行路面鋪裝施工，之后拆掉圍擋，并將車流疏導(dǎo)至③、④、⑤、⑥車道通過，要求汽車限速行駛。

(3)封鎖硬路肩①、⑨及②、⑦、⑧車道，并對其進(jìn)行圍擋，施工連續(xù)墻和二期蓋板。

(4)連續(xù)墻和二期蓋板施工完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行路面鋪裝施工，之后拆掉圍擋，恢復(fù)②～⑧車道及硬路肩⑨通車。封鎖硬路肩①作為隧道施工車道。

圖4　紅棉隧道蓋挖法施工平面(單位：cm)

6結(jié)論

(1)采用隧道工程下穿高速公路可選擇暗挖法、明挖法和蓋挖法等施工方案。應(yīng)根據(jù)隧道工程與公路的平縱斷面關(guān)系、隧道埋深及斷面大小、地質(zhì)及周邊環(huán)境條件、公路交通需求及施工的便利性、工程經(jīng)濟(jì)性等各方面因素綜合考慮，合理選擇施工方案和工程措施。

(2)暗挖法對公路運(yùn)營影響較小，工藝成熟，風(fēng)險可控，造價較低，是優(yōu)先選擇的施工方案。但從路面厚度、道路水溝及電纜槽設(shè)置、隧道超前支護(hù)及地層加固空間需求考慮，暗挖法隧道埋深宜在4～5 m以上。暗挖法施工中超前支護(hù)措施是保證施工安全的關(guān)鍵，高速公路一般可采用超前大管棚+雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法+雙層初期支護(hù)措施，并輔以必要的道路臨時管制措施，

(3)明挖法對道路交通運(yùn)營影響較大，占用道路時間長，造價較高，可在道路交通流量不大、隧道超淺埋下穿時采用。當(dāng)?shù)缆方煌髁枯^大時，為減少占用道路時間，可采用蓋挖逆作法施工，并應(yīng)做好交通導(dǎo)改和基坑支護(hù)，確?；雍偷缆愤\(yùn)行安全。

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Design Research on Super Shallow-buried High-speed Railway Tunnel Passing under HighwayGONG Yan-feng1,2, TANG Zhao1,2, LI Qiang1, CHEN Chuang1

(1.China Railway SIYUAN Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Wuhan 430063;

2.Hubei Provincial Engineering Laboratory for Underwater Tunnel, Wuhan 430063, China)

Abstract：Hongmian high speed railway double-track tunnel designed for 250 km/h speed on Xiamen-Shenzhen railway line traverses under Shuiguan highway and Yanpai highway in a small angle with burial depth 6.5～11 m and 2.5～4.3 m respectively. Based on the study of civil large section tunnels passing under the highway and in view of the specific conditions of Hongmian tunnel, this paper focuses on the study of Hongmian tunnel in perspective of under-passing method, bailey bridge’s transition & mining method, and cut and cover method. Through comparison and selection, cut and cover method with pipe shed and double primary support is employed to pass under Shuigong highway; semi-reverse method with underground diaphragm wall and reinforced concrete cover plate is accepted to pass under Yanpai highway. These methods ensure successful engineering and normal operation of highway.

Key words：High-speed railway; Railway tunnel; Super shallow-buried; Highway; Mining method; Cut and cover method

中圖分類號：U452.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.025

文章編號：1004-2954(2016)02-0119-06

作者簡介：龔彥峰(1969—)，男，教授級高級工程師，主要從事隧道及地下工程研究及設(shè)計(jì)工作，E-mail：tsygyf@126.com。

收稿日期：2015-11-10