鐵路隧道近距離下穿在建公路隧道的施工控制技術(shù)

李勝義

(中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

隨著我國土木工程建設的快速發(fā)展，不可避免地會遇到近距離下穿既有或在建隧道情況。如果后建隧道工程施工方法不當，對已建成的隧道將會產(chǎn)生較大影響，甚至誘發(fā)不可估量的重大損失。正在修建的回龍灣隧道位于重慶市巴南區(qū)一品鎮(zhèn)與界石鎮(zhèn)內(nèi)，正洞起訖里程DK19+460～DK23+810，全長4 350 m，為客貨共線雙線隧道；其中，隧道洞身DK23+480～DK23+580段下穿在建龍洲灣2號公路隧道，軌面與路面高差約17 m，下方拱頂與上方公路隧道仰拱凈巖層厚約8 m。結(jié)合以往工程經(jīng)驗，下方隧道施工對上方隧道會有較大影響?；谏鲜鰻顩r，需對下穿在建隧道施工技術(shù)進行探索，如王建功等[1]使用Midas-GTS軟件模擬隧道下穿車站，提出了洞內(nèi)150 mm超前大管棚加固、洞外地表垂直袖閥管注漿加固的綜合整治方案；朱永全等[2]提出在分析下穿問題時，應考慮流固耦合；李術(shù)才等[3]提出應對爆破方法進行改良，以降低對上方在建隧道的影響。綜上，目前對于下穿隧道的研究多注重于地層加固、爆破降振等方面，在施工工法上介紹較少。

因此近距離下穿隧道的隧道必須對預加固、開挖和支護方法與參數(shù)等技術(shù)進行深入研究，以保證工程順利完工。

2 兩座隧道工程條件分析

2.1 回龍灣隧道地質(zhì)條件分析

隧道最大埋深約196 m，一般埋深50～100 m。隧道洞身穿越地層為侏羅系中下統(tǒng)自流井組(J1-2Z)、珍珠沖組(J1Z)的泥巖、砂巖和三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)砂巖夾頁巖；根據(jù)鉆孔及聲波測井揭示:隧道區(qū)巖層整體較完整、局部泥巖、頁巖段較破碎；圍巖級別以Ⅲ、Ⅳ級為主，局部為Ⅴ級。洞身圍巖左側(cè)偏壓，隧道出水形式以滴水、小股狀出水為主，局部可能呈片狀、股狀涌出。

基于地質(zhì)條件分析，認為在局部裂隙水發(fā)育地帶，軟化的圍巖可能出現(xiàn)明顯的圍巖變形，特別是下穿在建公路隧道時，安全風險極大。

2.2 兩座隧道空間結(jié)構(gòu)展布及安全影響分析

(1)兩座隧道空間結(jié)構(gòu)展布

為充分了解上下兩座隧道的空間關(guān)系，進一步探測相互影響程度，先分析兩座隧道空間結(jié)構(gòu)展布關(guān)系，回龍灣隧道洞身DK23+480～DK23+580段下穿在建龍洲灣2號公路隧道，軌面與路面高差約17 m，下方拱頂與上方公路隧道仰拱凈巖層厚約8 m。具體見圖1，下方為回龍灣隧道，上方為龍洲灣2號隧道，平面夾角為71°。

(2)安全影響分析

由于下穿在建龍洲灣2#隧道的拱頂與上方公路仰拱底凈巖層厚度僅約8 m，加上地下水發(fā)育、砂巖節(jié)理發(fā)育以及洞身左側(cè)順層偏壓，隧道具有突泥突水和坍塌的高度風險，從而對上方公路隧道造成極大安全隱患。

圖1 空間結(jié)構(gòu)展布

3 穿越施工總體方案與風險控制原則確定

結(jié)合以往經(jīng)驗[4-7]，穿越施工總體方案與風險控制原則主要包括以下幾個方面:

(1)開挖方法的選擇

根據(jù)軟巖地層的地質(zhì)巖性、風化程度、隧道埋深、斷面等特征，開挖工法可選擇采用臺階法加臨時橫撐、臺階法加臨時仰拱工法，并根據(jù)監(jiān)控量測可適當調(diào)整預留變形量。

(2)超前支護、初期支護及二襯措施

①通過軟巖地層、偏壓段時，根據(jù)圍巖自穩(wěn)能力、巖體結(jié)構(gòu)及風化程度選擇超前支護措施，可采用超前大管棚、超前中管棚以及超前小導管等超前預支護措施。

②初期支護措施。初期支護必須緊跟掌子面，并嚴格確保噴射混凝土厚度及總體強度達標。同時結(jié)合監(jiān)控量測結(jié)果，及時調(diào)整錨桿長度及打設位置、鋼架間距等支護參數(shù)，以確保支護結(jié)構(gòu)安全和圍巖穩(wěn)定。

③仰拱、二次襯砌適度緊跟。除嚴格遵照鐵總“十條紅線”規(guī)定外，還應盡可能縮短臺階長度，確保仰拱、二襯緊跟，及時封閉成環(huán)；其中，二襯施工時機應結(jié)合圍巖變形及監(jiān)控量測情況綜合分析。

4 下穿洞段施工方法與步序

結(jié)合兩座隧道工程條件分析，參考前述的施工總體方案與風險控制原則，基于隧道工程理論[8-11]，確定下穿洞段的施工方法與步序。

4.1 超前加固方法

超前加固方法有超前小導管、大管棚和T76S自進式超前支護管棚等三種方法，但須根據(jù)工程實際選用，在此僅對后兩種較為特殊的支護形式進行說明。

(1)大管棚布設及結(jié)構(gòu)

在DK23+480～DK23+580段隧道的拱部161°范圍內(nèi)設置φ159 mm的大管棚，壁厚8 mm，每根長50 m，環(huán)向間距0.4 m，每25 m一環(huán)，搭接長度為5 m，每環(huán)46根，共計施工2環(huán)。159 mm大管棚結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 大管棚結(jié)構(gòu)

圖2中的159 mm大管棚主要施工參數(shù)為:梅花形布置注漿孔，其直徑10～16 mm左右，各注漿孔之間距離約15～20 cm。注漿即將完成時，孔口部位留止?jié){段約1 m。另外，鋼筋籠每1 m間距用5 cm長的42 mm鋼管作為固定環(huán)并連接，鋼管壁厚3.5 mm。

(2)T76S自進式超前支護技術(shù)

T76S超前支護為自進式超前支護，由高強度全螺紋厚壁鋼管、高傳能連接套、鉆頭三部分組成。其中:高強度全螺紋厚壁鋼管壁厚15 mm，連接套為97×220 mm規(guī)格，與厚壁鋼管等強度；鉆頭為T76/D115/EXX。

在二襯外側(cè)部位采用T76S自進式超前鉆進、注漿支護，在復雜地層可采用水泥漿護壁鉆進，高效率完成施工。

此外，施作鉆機工作室必須拱頂挑高要適當，掌子面開挖輪廓線起向后6 m范圍，拱部管棚施作范圍調(diào)高40 cm，環(huán)向錨噴鋼筋混凝土(鋼筋網(wǎng)片100 cm×100 cm，φ12 mm)厚度10 cm、掌子面素噴10 cm厚的混凝土保護，具體見圖3。

圖3 T76S管棚工作空間

4.2 下穿洞段開挖方法及工序

鐵路隧道下穿上方公路隧道交叉段的開挖方法見圖4和圖5。

圖4 三臺階法開挖工法斷面

圖5 三臺階法施工工序(單位：m)

第一步:首先采用超前管棚和小導管進行預加固，待達到強度要求后再開挖①部分。

第二步:開挖①部后施作該部分的初期支護。具體順序為:噴4 cm厚混凝土、掛網(wǎng)、立鋼架并鎖腳錨桿，最后施作鋼板支撐。

第三步:進行初期支護I施工。步序為:打徑向錨桿、復噴混凝土到設計厚度，視具體情況施作20臨時鋼架III。根據(jù)監(jiān)測反饋噴射15 cm混凝土并封閉、設置臨時橫撐或適當補充注漿。

第四步:人工配合機械開挖②部。要注意，進尺為1～2榀鋼架間距并滯后①部3～5 m距離。

第五步:開挖②部后，對其進行及時初期支護。具體為:初噴4 cm厚混凝土、掛網(wǎng)、采用20型鋼立鋼架、施作錨桿并補噴，最后施作臨時仰拱。

第六步:完成②部開挖與初期支護后，滯后4～6 m距離并按每循環(huán)進尺1.5 m開挖③部。為方便施作鋼架，在滯后4～6 m開挖兩側(cè)邊墻(④部)。

第七步:④部其余仰拱部分施工。按每循環(huán)進尺小于3 m進行開挖，快速完成初期支護并封閉，距離工作面應小于35 m。

第八步:在圍巖穩(wěn)定及待初期支護收斂安全后，再進行②部臨時仰拱拆除。

第九步:剩余Ⅳ和Ⅴ部仰拱施作，完成后須及時用混凝土填充。

第十步:Ⅵ部二次襯砌施作，距離工作面須小于90 m。

4.3 初期支護具體參數(shù)與施作方法

初期支護主要包括錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架，其具體參數(shù)要求較為嚴格，其施工標準也較高。

(1)錨桿

錨桿施作包括拱部和非拱部兩個部分，其中拱部160°范圍采用φ22組合中空錨桿，邊墻采用φ22砂漿錨桿，兩種類型錨桿參數(shù)均為長3.5 m且間距1.2 m×1.0 m(環(huán)×縱)，錨桿鉆進、安裝后進行注漿。

(2)鋼筋網(wǎng)

用HPB300級鋼筋除銹、去油污加工成鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格規(guī)格0.2 m×0.2 m，網(wǎng)片大小為0.8 m×1.2 m。緊隨混凝土初噴面敷設，搭接長度必須大于1～2個網(wǎng)格。

(3)鋼架

為抑制拱頂下沉，將初期支護20b型鋼鋼架增強替換為22b型鋼鋼架，施工間距0.8 m；并在鋼架接頭位置設置縱向工字鋼代替連接筋?，F(xiàn)場鋼架連接見圖6。

圖6 鋼架現(xiàn)場連接

5 施工效果分析

為充分了解隧道下穿高速公路洞段的施工安全情況，在洞內(nèi)每5 m布設一個監(jiān)測斷面。開挖階段監(jiān)測頻率1次/d，變形速率加大時，則加密監(jiān)測頻次(日變形速率安全值為5 mm/d)。以里程DK22+945的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例分析施工措施效果，其拱頂及拱腰的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)及趨勢見圖7。

圖7 拱頂及拱腰位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

根據(jù)上述位移變化曲線可以看出，在里程為DK22+945處的拱頂位移穩(wěn)定在5.9 mm左右，回歸方程為y＝2.25log(x+1)-1.98，相關(guān)系數(shù)r＝0.88，預測7 d后的位移累計值為y＝6.86 mm，數(shù)據(jù)屬于正常范圍，說明施工措施合理有效。

在里程為DK22+945處的拱腰位移穩(wěn)定在5.8 mm左右，回歸方程為:y＝2.11 log(x+1)-1.80，相關(guān)系數(shù)r＝0.9，預測7 d后的累計值為y＝6.79 mm，數(shù)據(jù)屬于正常范圍，說明施工措施合理有效。

6 結(jié)束語

(1)近距離下穿隧道特別是下穿在建隧道時，不可避免地會對上方隧道造成較大影響，因此必須對下方隧道預加固、開挖和支護方法等技術(shù)進行深入研究，才能保證工程安全。

(2)監(jiān)測結(jié)果表明，依據(jù)對兩座隧道工程條件特別是空間展布分析確定的穿越施工總體方案、大管棚和T76S自進式超前支護管棚參數(shù)、開挖方法與步序、初期支護方法，能夠較好地控制圍巖變形，可以保證鐵路隧道和近距離的上方公路隧道圍巖穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。

(3)由于地質(zhì)條件和空間條件較為復雜，提出的開挖方法、支護方法等還需在后續(xù)施工中進一步修正。