鐵路隧道下穿高速公路施工技術(shù)

朱胥仁

摘? 要：根據(jù)新奧法理論，隧道支護體系分為3個部分，即圍巖、初期支護、二次襯砌，各分部起到的具體作用各不相同。文章以下坂隧道下穿沈海高速公路淺埋段的設(shè)計支護參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合施工過程實踐經(jīng)驗，探討分析了支護體系各部分作用，從而為后續(xù)類似工程的設(shè)計、施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：下穿淺埋段;支護體系;圍巖;初期支護;二次襯砌

中圖分類號：U455? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）29-0141-04

Abstract： According to the New Austrian Tunneling Method （NATM） theory， the tunnel support system is divided into three parts， namely， surrounding rock， initial support and secondary lining， each of which plays a different role. Based on the design support parameters of the shallow buried section of Shenhai Expressway under the Osaka Tunnel， and from the practical experience in the construction process， this paper discusses and analyzes the functions of each part of the support system， so as to provide reference for the design and construction of similar projects in the future.

Keywords： underpass shallow buried section; support system; surrounding rock; initial support; secondary lining

1 工程概況

1.1 概況

下坂隧道位于福建省寧德市蕉城區(qū)漳灣鎮(zhèn)下坂村附近。設(shè)置為單線隧道，建筑長度2149m，隧道長度2144m，在SDK388+375～SDK388+413段下穿沈海復(fù)線高速公路共38m，交叉點高速公路設(shè)計樁號為DK10+273.442，道路寬度33.5m，隧道拱頂距離路面垂直距離約15m。交叉段采用地表注漿加固處理，作業(yè)平臺采用C30鋼筋混凝土厚60cm，頂面在高速公路路面以下77cm處。

隧道通過為剝蝕丘陵區(qū)，地形呈波狀起伏，地勢平緩～較陡峭，自然坡度約為10～45°，相對高差最大約為30～100m，植被發(fā)育，局部極發(fā)育，多辟果樹、灌木、蕨類、高禾雜草等，交通不便。隧址區(qū)出露的地層巖性主要為第四系殘坡積土層（Qel+dl）、碎石土（Qel+dl）、燕山早期第二次侵入（ηrb5（2）3）中粗粒二長花崗巖。

1.2 下穿高速公路段情況簡述

隧道距在建沈海高速2*40米分離式橋橋臺距離29.8米。施工工法為三臺階臨時仰拱法，隧道洞身采用Ⅴc復(fù)合型襯砌，全段超前支護采用φ89mm長管棚，環(huán)向間距40cm;初期支護為單層噴射混凝土，厚25cm，采用I18工字鋼架加強支護，鋼架間距60cm/榀;二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，厚度50cm。沈海高速計劃2016年10月1日通車，需確保通車前完成下穿段二次襯砌，時間緊、任務(wù)重。隧道下穿沈海高速公路的位置關(guān)系見圖1、圖2。

另外，與其他隧道下穿高速公路實例不同的是，本隧道是與在建高速公路交叉，為確保施工過程順利進行，在下穿高速公路40m范圍內(nèi)采用地表注漿，橫向加固范圍為隧道中線兩側(cè)各15m，豎向加固范圍為深入基巖弱風化層以下1m。采取φ42小導(dǎo)管進行注漿，間距1.0m×1.0m。注漿加固前，先于高速公路路面下開挖工作平臺，并施作60cm厚C30鋼筋混凝土板作為止?jié){盤。圖3為隧道與高速公路路面及地表注漿的關(guān)系立面圖。

洞身開挖上部分為全風化花崗巖，中間部分為強風化花崗巖，下部為中風化花崗巖。隧道掘進至下穿段前應(yīng)提前完成地表注漿，確保淺埋段洞頂圍巖的穩(wěn)定。

2 施工風險分析

隧道下穿高速公路處埋深較淺，隧道結(jié)構(gòu)頂至高速公路路面的距離僅有15m，且地質(zhì)條件較差，該處為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土及二長花崗巖，全風化，節(jié)理裂隙發(fā)育。而且根據(jù)施工時間要求，下穿在建高速公路時，重型施工車輛會產(chǎn)生不均勻荷載。另外，隧道下穿高速公路段平行既有溫福鐵路只有90m，爆破作業(yè)需采用微震控制爆破技術(shù)，爆破振動速度不得超過5cm/s，施工進度慢，隧道施工時不確定因素多，因此施工風險極大。

3 參數(shù)的擬定

3.1 影響因素

本隧道在SDK388+375～+413處下穿沈海高速公路，隧道距在建沈海高速2*40米分離式橋橋臺距離29.8米，且平行既有溫福鐵路下坂隧道，施工環(huán)境極為復(fù)雜。隧道爆破施工考慮到既有溫福鐵路下坂隧道已通車，且既有鐵路年代久遠、距離又近，屬于臨近既有線施工。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011），為避免爆破施工對既有溫福鐵路下坂隧道結(jié)構(gòu)及行車造成影響，以及沈海高速路面施工的影響，必須執(zhí)行“短進尺、弱爆破、強支護、襯砌緊跟”的施工原則，加強超前支護及初期支護，其中弱爆破是指采用微振控制爆破。

3.2 設(shè)計參數(shù)

下坂隧道SDK388+375～SDK388+413段主要設(shè)計參數(shù)如表1。

下穿沈海復(fù)線高速公路，長度38米。該段為Ⅴc復(fù)合型襯砌。全段超前支護采用φ89mm長管棚，環(huán)向間距40cm。初期支護采用25cm厚C25噴射混凝土，使用I18工字鋼架加強支護，鋼架每榀間距為60cm。二次襯砌采用50cm厚 C35鋼筋混凝土。

4 支護體系受力分析

4.1 施工概述

根據(jù)支護體系不同作用，施工順序安排為：高速公路路基基層地表注漿→高速公路路面下設(shè)置60cm厚的鋼筋砼板進行加強→長管棚施工→洞身開挖→施工初支→拆除臨時仰拱→二次襯砌。

初期支護在實際施工過程中存在一些不可控的情況，例如，由于二襯砌臺車或材料沒有及時施工到位，導(dǎo)致二次襯砌澆注滯后;由于春節(jié)放假、勞資矛盾、村民阻工導(dǎo)致工地停工等，實際施工過程中，初期支護在一些情況下需要長時間承擔所有荷載。

4.2 支護體系的作用分析

4.2.1 圍巖加強分析

（1）設(shè)計地質(zhì)為丘坡表層為第四系殘坡積Qel+dl粉質(zhì)黏土，黃褐色，硬塑，厚約2～6m;下面為花崗巖，黃褐色～灰褐色，淺肉紅色，全～弱風化，其中全風化揭示層厚13～35m不等，局部球狀風化顯著，弱風化巖體巖質(zhì)堅硬，地下水較發(fā)育，主要為賦存于全～弱風化花崗巖中孔隙潛水，基巖裂隙水。根據(jù)設(shè)計及地質(zhì)預(yù)報結(jié)果顯示，該段圍巖較破碎，穩(wěn)定性差。

為確保下穿時隧道上方圍巖的穩(wěn)定，采用地表注漿，并施做30m×40m（橫向×縱向）60cm厚鋼筋砼板進行加強。

（2）通過實踐證明，圍巖作為支護體系的客觀存在部分，是可以通過人工干預(yù)改變的，能夠使得地表車載附加力由原先的局部荷載轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚝奢d，有效改善隧道受力環(huán)境，降低安全風險，如圖4。

4.2.2 隧道支護分析

（1）隧道超前長管棚支護

a.超前長管棚支護對于地質(zhì)條件較差、淺埋偏壓、地表附加荷載段施工，工藝技術(shù)成熟可靠，且技術(shù)經(jīng)濟性能非常好。

b.隧道超前長管棚作用包括四個方面：第一，在隧道內(nèi)部形成圍繞隧洞輪廓的殼狀結(jié)構(gòu)，稱之為梁拱效應(yīng);第二，施工管棚后會進行注漿作業(yè)，漿液能夠改善軟弱圍巖的力學性能，提高隧道圍巖的承受能力;第三，管棚的孔槽能夠吸收爆破造成的沖擊波及氣體，緩解爆破作業(yè)對圍巖造成的破壞;第四，大管棚的支護剛度較大，因此如果發(fā)生塌方時，管棚能夠?qū)λ鸬骄彌_支撐作用。

c.隧道原設(shè)計采用10mφ8

9管棚，環(huán)向間距40cm，每環(huán)長度6m，且環(huán)與環(huán)之間的搭接不能小于3m。為充分發(fā)揮上述第一、第四項作用，經(jīng)設(shè)計變更為φ108洞身長管棚，鋼管長度45m橫跨整個38m下穿高速公路段。變更后增加洞內(nèi)管棚洞室，調(diào)整管棚外插角，并調(diào)整了注漿量，一次性完成管棚施工，節(jié)約了施工時間。管棚超前支護作用也發(fā)揮的更加充分，施工掘進過程也更加安全。

（2）初期支護

初期支護是隧道進洞后的一道最關(guān)鍵的工序，初期支護對隧道的后期施工作業(yè)安全質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用，也是決定隧道施工進度快慢的關(guān)鍵因素。在施工過程中，初期支護的工序往往都占有較大的時間比重，從而有效的提高掘進的工作效率，提高隧道整體施工進度。

a.下坂隧道SDK388+375～SDK388+413段襯砌為Ⅴc復(fù)合型襯砌類型，初期支護為單層噴射混凝土，厚25cm，采用I18工字鋼架加強支護，鋼架間距60cm/榀。臨時仰拱采用I18工字鋼進行支護，噴射混凝土厚度為18cm。支護斷面如圖5所示。

根據(jù)洞內(nèi)以及地表監(jiān)控量測沉降數(shù)據(jù)分析，進入下穿段初期沉降速率較大，為確保掘進安全，φ50鎖腳鋼管由原設(shè)計每處2根，增加為每處4根（雙排鎖腳），鋼管長度及直徑不變。鎖腳鋼管增加后量測數(shù)據(jù)，特別是拱頂沉降速率顯著變緩，并趨于穩(wěn)定，累計沉降值明顯減小。

b.根據(jù)工程設(shè)計及實踐得出以下幾點結(jié)論：第一，原設(shè)計支護參數(shù)及施工工法是可行的，為充分發(fā)揮各支護體系作用，對超前支護、鎖腳鋼管進行了調(diào)整。調(diào)整后更能使用于工程實例中的全風化淺埋下穿段，是成功的。第二，從實踐中監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，設(shè)計無系統(tǒng)錨桿是可行的，增加了鎖腳鋼管，初期支護的結(jié)構(gòu)變形在允許范圍內(nèi)。實踐證明用鋼架+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+鎖腳鋼管+縱向連接筋組成的初期支護結(jié)構(gòu)是合理可行的。第三，隧道在全風化層掘進鎖腳鋼管受力較大，鎖腳鋼管+鋼架受力效果明顯。

（3）二襯襯砌

二次襯砌作為安全儲備。在施工過程中未承擔來自圍巖的壓力，也未承擔來自高速公路路面的動荷載。而確定二次襯砌的荷載分擔量，可以假定年長日久初期支護失效或變相增加部分荷載，那么二次襯砌的設(shè)計應(yīng)不小于100%的外荷載。所以設(shè)計采用50cm厚C35鋼筋混凝土，是安全可靠的。

5 結(jié)束語

鐵路下穿高速公路的工程實例較多，但像下坂隧道這種公路未開通，地表周圍有結(jié)構(gòu)物的情況較少，根據(jù)現(xiàn)場施工情況來看，高速公路的地表沉降控制較好，洞內(nèi)未出現(xiàn)塌方、掉塊;微振控制爆破時不影響高速路面施工，且臨近既有線隧道內(nèi)爆破振動速度控制在5cm/s以內(nèi)。目前高速公路已開通兩年，未出現(xiàn)地表沉降、開裂等，說明變更設(shè)計后的施工方案及設(shè)計參數(shù)是成功的。

體會及經(jīng)驗歸納如下：（1）新奧法施工理論中，把隧道支護體系分為圍巖、初期支護、二次襯砌三部分，是合理的，也符合各部分受力結(jié)構(gòu)、受力體系的安全計算需要。（2）圍巖作為第一道防衛(wèi)支護體系，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況，進行加強，把松散的圍巖通過注漿，固結(jié)形成整體結(jié)構(gòu)，可起到支撐荷載的作用。（3）初期支護作為進洞后最重要的一道工序，應(yīng)根據(jù)不同的圍巖地質(zhì)特性進行調(diào)整，以便更有效的與圍巖形成整體防衛(wèi)體系。

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