新建高鐵隧道穿越輸水工程隧洞技術方案探討

孫 劍

(遼寧西北供水有限責任公司，沈陽 110003)

1 工程概況

新建沈陽至白河高速鐵路位于遼寧省東部和吉林省南部，沿線經(jīng)過沈陽市、撫順市、通化市、白山市、延邊自治州、長白山管委會等6個地市級行政區(qū)。正線線路長度429.771km，新建線路長度427.752km，遼寧省境內(nèi)173.306km，吉林省境內(nèi)254.446km。新建阿金隧道位于遼寧省撫順市東洲區(qū)附近，為單洞雙線隧道，隧道進口里程為DK59+000，出口里程為DK60+710，隧道全長1710m，最大埋深約56.5m。阿金隧道屬于低山丘陵區(qū)，植被茂密，以林木為主。地形起伏較大，最高高程約188.5m，最低約120.0m，隧道進口自然坡度約15°-25°，出口自然坡度約15°-30°。

2 阿金隧道與輸水工程相互位置關系

沈白鐵路在撫順市東州區(qū)阿金溝附近與大伙房水庫地下輸水隧洞交叉，交叉點樁號為：沈白鐵路DK59+754.95m、大伙房水庫輸水(二期)工程輸水隧洞2+834.561m，交角約87.15°，鐵路工程在此處以隧道上跨的方式穿越輸水工程。阿金隧道與大伙房水庫輸水工程交叉位置附近，阿金隧道位于V級圍巖段落。

平面位置關系：阿金隧道與大伙房水庫輸水(二期)工程平面交叉角度為87.15°，如圖1所示。

圖1 平面位置關系圖

剖面位置關系：上跨位置處阿金隧道為3‰的上坡段，阿金隧道軌面高程131.0502m；該處大伙房水庫輸水工程隧洞洞底高程93.34m，洞徑6.0m，洞頂高程為99.34m；輸水隧洞頂距鐵路阿金隧洞軌面距離約為31.71m，距離隧道開挖底約為28.96m。如圖2所示。

圖2 ⅤQFc型復合式襯砌斷面圖

圖2 剖面位置關系圖

3 交叉位置鐵路隧道設計參數(shù)

3.1 襯砌支護參數(shù)

交叉位置處阿金隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用復合式襯砌，襯砌類型為ⅤQFc型襯砌，初期支護采用全環(huán)噴射30cm厚C25混凝土，鋼架采用工22a型鋼；二次襯砌拱墻采用55cm厚鋼筋混凝土，仰拱采用65cm厚鋼筋混凝土，初期支護與二次襯砌之間設置“雙層EVA防水板夾5cm厚硬質(zhì)聚氨酯保溫板”作為保溫層，襯砌支護參數(shù)詳見表1[1]。

表1 交叉位置鐵路隧道襯砌支護參數(shù)

3.2 注漿措施

徑向注漿，注漿范圍為開挖輪廓線外3m，注漿采用水泥漿，注漿壓力按1-1.5MPa，注漿范圍距離輸水隧洞較遠，對輸水隧洞無影響。

4 交叉位置施工工法及爆破設計

4.1 施工方法

交叉位置附近阿金隧道采用控制爆破法施工，施工方法為三臺階臨時仰拱法，開挖采用光面爆破，盡量使隧道斷面周邊輪廓圓順，避免棱角突變處應力集中，以充分利用圍巖自身承載力；隧道施工應堅持“短開挖、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測、及時襯砌”的原則。

圖3 三臺階臨時仰拱法施工方法圖

4.2 設計要求

要求“隧道DK59+610-DK59+985段下穿古石溝上游、東部駕校、盛林蠟業(yè)有限公司及上跨大伙房水庫輸水隧洞，施工時應采取控制爆破，爆破振速≤2.0cm/s，嚴格控制一次裝藥量及開挖進尺，確保隧道施工不影響居民的正常生活及隧洞輸水?！?/p>

4.3 安全距離范圍內(nèi)炸藥量計算

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB6722-2011，爆破振動安全允許距離，按下式計算：

(1)

式中：R為爆破振動安全允許距離，m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破的總藥量，延時爆破為最大一段藥量，kg；V為保護對象所在地質(zhì)點振動安全允許速度，cm/s；K、α為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)。

根據(jù)阿金隧道穿越區(qū)域圍巖分級及輸水工程位置關系，結(jié)合《高速鐵路隧道工程施工技術規(guī)程》(Q/CR9604-2015)中規(guī)定，得出各段落隧道爆破開挖的炸藥量及開挖控制步距。各參數(shù)取值及計算結(jié)果詳見表2。

表2 阿金隧道穿越輸水隧洞區(qū)域爆破開挖的炸藥量及開挖控制步距統(tǒng)計表

5 交叉位置隧道采用機械開挖的可行性分析

5.1 機械開挖設備選型

目前，非爆破開挖主要有全斷面掘進機法(TBM)、盾構(gòu)法、懸臂掘進機法、銑挖機法、液壓沖擊錘法、劈裂法。

設備選型考慮滿足施工進度、施工工法及地質(zhì)條件等要求，并考慮其經(jīng)濟性。阿金隧道長度1710m，上跨大伙房水庫段為隧道局部段落，混合巖，全風化-弱風化，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體極破碎軟弱，呈碎塊狀散體結(jié)構(gòu)。根據(jù)以上工程特點選用懸臂掘進機施工。

5.2 機械開挖工法

根據(jù)臨近的地勘巖石試驗情況，本段圍巖弱風化(W2)花崗巖，巖石單軸抗壓強度約30Mpa。根據(jù)相關案例，懸臂掘進機開挖高度范圍一般5-8m。考慮上臺階開挖高度，機械設備能夠更充分發(fā)揮作用，需采用短臺階法進行施工。

5.3 施工進度

根據(jù)國內(nèi)外部分使用懸臂掘進機開挖的隧道數(shù)據(jù)。圍巖單軸抗壓強度20-60Mpa，施工進度指標40-70m/月。礦山法施工進度指標45m/月。因此采用懸臂掘進機開挖對施工工期不產(chǎn)生影響。

5.4 施工方法

阿金隧道上跨大伙房水庫輸水工程(二期)隧洞，結(jié)構(gòu)凈距28.96m。輸水隧洞對比高鐵隧道和居民樓，結(jié)構(gòu)振動控制要求相對較低，一般情況下，采用控制爆破能夠滿足安全要求。為保證輸水隧洞安全，根據(jù)《遼寧省東水濟遼工程管理條例》的相關規(guī)定，考慮在交叉里程兩側(cè)各35m范圍的鐵路隧道采用懸臂掘進機銑挖法施工[2]。

6 交叉位置隧道監(jiān)控量測措施

監(jiān)控量測是監(jiān)視圍巖穩(wěn)定及判斷設計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)濟效益的重要條件，必須貫穿施工的全過程。

隧道施工嚴格按照《鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程》(Q/CR9218-2015)的有關要求進行監(jiān)控量測?，F(xiàn)場監(jiān)控量測不僅監(jiān)測各施工階段圍巖動態(tài)和支護工作狀態(tài)，以保證圍巖穩(wěn)定和施工安全；而且是調(diào)整初期支護設計參數(shù)，確定二次襯砌及仰拱施作時機的依據(jù)，做到信息化設計與施工。

7 關于鐵路隧道施工、運營振動和電磁輻射對輸水管線的影響分析

7.1 施工階段

鐵路隧道施工嚴格按照現(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》要求，進行控制爆破?？缭捷斔芫€段落，針對強影響區(qū)域，采用機械開挖；一般影響區(qū)域通過縮小周邊炮眼間距，減少單位裝藥量等措施優(yōu)化爆破參數(shù)，加強監(jiān)測，能夠保證輸水工程的安全穩(wěn)定。

7.2 運營階段

目前，高速鐵路運營振動和電磁輻射對輸水管線等建(構(gòu))筑物的影響評價，尚無規(guī)范依據(jù)。但類比同省項目既有沈丹客專下馬塘隧道上跨“引細入湯”輸水隧道工程實例(隧道軌面高程與輸水工程結(jié)構(gòu)頂之間的距離約35m)，高鐵運營期間對輸水工程結(jié)構(gòu)無不利影響。