铁路隧道下穿高速公路施工技术探究

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摘要：根据新奥法理论，隧道支护体系分为3个部分，即围岩、初期支护、二次衬砌，各分部起到的具体作用各不相同。文章以下坂隧道下穿沈海高速公路浅埋段的设计支护参数为基础，结合施工过程实践经验，探讨分析了支护体系各部分作用，从而为后续类似工程的设计、施工提供借鉴。

关键词：下穿浅埋段；支护体系；围岩；初期支护；二次衬砌

1工程概况

1.1概况。下坂隧道位于福建省宁德市蕉城区漳湾镇下坂村附近。设置为单线隧道，建筑长度2149m，隧道长度2144m，在SDK388+375～SDK388+413段下穿沈海复线高速公路共38m，交叉点高速公路设计桩号为DK10+273.442，道路宽度33.5m，隧道拱顶距离路面垂直距离约15m。交叉段采用地表注浆加固处理，作业平台采用C30钢筋混凝土厚60cm，顶面在高速公路路面以下77cm处。隧道通过为剥蚀丘陵区，地形呈波状起伏，地势平缓～较陡峭，自然坡度约为10～45°，相对高差最大约为30～100m，植被发育，局部极发育，多辟果树、灌木、蕨类、高禾杂草等，交通不便。隧址区出露的地层岩性主要为第四系残坡积土层（Qel+dl）、碎石土（Qel+dl）、燕山早期第二次侵入（ηrb5（2）3）中粗粒二长花岗岩。1.2下穿高速公路段情况简述。隧道距在建沈海高速2*40米分离式桥桥台距离29.8米。施工工法为三台阶临时仰拱法，隧道洞身采用Ⅴc复合型衬砌,全段超前支护采用φ89mm长管棚，环向间距40cm；初期支护为单层喷射混凝土，厚25cm，采用I18工字钢架加强支护，钢架间距60cm/榀；二次衬砌采用C35钢筋混凝土，厚度50cm。沈海高速计划2016年10月1日通车，需确保通车前完成下穿段二次衬砌，时间紧、任务重。隧道下穿沈海高速公路的位置关系见图1、图2。另外，与其他隧道下穿高速公路实例不同的是，本隧道是与在建高速公路交叉，为确保施工过程顺利进行，在下穿高速公路40m范围内采用地表注浆，横向加固范围为隧道中线两侧各15m，竖向加固范围为深入基岩弱风化层以下1m。采取φ42小导管进行注浆，间距1.0m×1.0m。注浆加固前，先于高速公路路面下开挖工作平台，并施作60cm厚C30钢筋混凝土板作为止浆盘。图3为隧道与高速公路路面及地表注浆的关系立面图。洞身开挖上部分为全风化花岗岩，中间部分为强风化花岗岩，下部为中风化花岗岩。隧道掘进至下穿段前应提前完成地表注浆，确保浅埋段洞顶围岩的稳定。

2施工风险分析

隧道下穿高速公路处埋深较浅，隧道结构顶至高速公路路面的距离仅有15m，且地质条件较差，该处为第四系残坡积粉质黏土及二长花岗岩，全风化，节理裂隙发育。而且根据施工时间要求，下穿在建高速公路时，重型施工车辆会产生不均匀荷载。另外，隧道下穿高速公路段平行既有温福铁路只有90m，爆破作业需采用微震控制爆破技术，爆破振动速度不得超过5cm/s，施工进度慢，隧道施工时不确定因素多，因此施工风险极大。

3参数的拟定

3.1影响因素。本隧道在SDK388+375～+413处下穿沈海高速公路，隧道距在建沈海高速2*40米分离式桥桥台距离29.8米，且平行既有温福铁路下坂隧道，施工环境极为复杂。隧道爆破施工考虑到既有温福铁路下坂隧道已通车，且既有铁路年代久远、距离又近，属于临近既有线施工。根据《爆破安全规程》（GB6722-2011），为避免爆破施工对既有温福铁路下坂隧道结构及行车造成影响，以及沈海高速路面施工的影响，必须执行“短进尺、弱爆破、强支护、衬砌紧跟”的施工原则，加强超前支护及初期支护，其中弱爆破是指采用微振控制爆破。3.2设计参数。下坂隧道SDK388+375～SDK388+413段主要设计参数如表1。下穿沈海复线高速公路，长度38米。该段为Ⅴc复合型衬砌。全段超前支护采用φ89mm长管棚，环向间距40cm。初期支护采用25cm厚C25喷射混凝土，使用I18工字钢架加强支护，钢架每榀间距为60cm。二次衬砌采用50cm厚C35钢筋混凝土。

4支护体系受力分析

4.1施工概述。根据支护体系不同作用，施工顺序安排为：高速公路路基基层地表注浆→高速公路路面下设置60cm厚的钢筋砼板进行加强→长管棚施工→洞身开挖→施工初支→拆除临时仰拱→二次衬砌。初期支护在实际施工过程中存在一些不可控的情况，例如，由于二衬砌台车或材料没有及时施工到位，导致二次衬砌浇注滞后；由于春节放假、劳资矛盾、村民阻工导致工地停工等，实际施工过程中，初期支护在一些情况下需要长时间承担所有荷载。4.2支护体系的作用分析。4.2.1围岩加强分析。（1）设计地质为丘坡表层为第四系残坡积Qel+dl粉质黏土，黄褐色，硬塑，厚约2～6m；下面为花岗岩，黄褐色～灰褐色，浅肉红色，全～弱风化，其中全风化揭示层厚13～35m不等，局部球状风化显著，弱风化岩体岩质坚硬，地下水较发育，主要为赋存于全～弱风化花岗岩中孔隙潜水，基岩裂隙水。根据设计及地质预报结果显示，该段围岩较破碎，稳定性差。为确保下穿时隧道上方围岩的稳定，采用地表注浆，并施做30m×40m（横向×纵向）60cm厚钢筋砼板进行加强。（2）通过实践证明，围岩作为支护体系的客观存在部分，是可以通过人工干预改变的，能够使得地表车载附加力由原先的局部荷载转变为均匀荷载，有效改善隧道受力环境，降低安全风险，如图4。4.2.2隧道支护分析。（1）隧道超前长管棚支护a.超前长管棚支护对于地质条件较差、浅埋偏压、地表附加荷载段施工，工艺技术成熟可靠，且技术经济性能非常好。b.隧道超前长管棚作用包括四个方面：第一，在隧道内部形成围绕隧洞轮廓的壳状结构，称之为梁拱效应；第二，施工管棚后会进行注浆作业，浆液能够改善软弱围岩的力学性能，提高隧道围岩的承受能力；第三，管棚的孔槽能够吸收爆破造成的冲击波及气体，缓解爆破作业对围岩造成的破坏；第四，大管棚的支护刚度较大，因此如果发生塌方时，管棚能够对塌渣起到缓冲支撑作用。c.隧道原设计采用10mφ89管棚，环向间距40cm，每环长度6m，且环与环之间的搭接不能小于3m。为充分发挥上述第一、第四项作用，经设计变更为φ108洞身长管棚，钢管长度45m横跨整个38m下穿高速公路段。变更后增加洞内管棚洞室，调整管棚外插角，并调整了注浆量，一次性完成管棚施工，节约了施工时间。管棚超前支护作用也发挥的更加充分，施工掘进过程也更加安全。（2）初期支护初期支护是隧道进洞后的一道最关键的工序，初期支护对隧道的后期施工作业安全质量起到决定性的作用，也是决定隧道施工进度快慢的关键因素。在施工过程中，初期支护的工序往往都占有较大的时间比重，从而有效的提高掘进的工作效率，提高隧道整体施工进度。a.下坂隧道SDK388+375～SDK388+413段衬砌为Ⅴc复合型衬砌类型，初期支护为单层喷射混凝土，厚25cm，采用I18工字钢架加强支护，钢架间距60cm/榀。临时仰拱采用I18工字钢进行支护，喷射混凝土厚度为18cm。支护断面如图5所示。根据洞内以及地表监控量测沉降数据分析，进入下穿段初期沉降速率较大，为确保掘进安全，φ50锁脚钢管由原设计每处2根，增加为每处4根（双排锁脚），钢管长度及直径不变。锁脚钢管增加后量测数据，特别是拱顶沉降速率显著变缓，并趋于稳定，累计沉降值明显减小。b.根据工程设计及实践得出以下几点结论：第一，原设计支护参数及施工工法是可行的，为充分发挥各支护体系作用，对超前支护、锁脚钢管进行了调整。调整后更能使用于工程实例中的全风化浅埋下穿段，是成功的。第二，从实践中监控量测数据分析，设计无系统锚杆是可行的，增加了锁脚钢管，初期支护的结构变形在允许范围内。实践证明用钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚钢管+纵向连接筋组成的初期支护结构是合理可行的。第三，隧道在全风化层掘进锁脚钢管受力较大，锁脚钢管+钢架受力效果明显。（3）二衬衬砌二次衬砌作为安全储备。在施工过程中未承担来自围岩的压力，也未承担来自高速公路路面的动荷载。而确定二次衬砌的荷载分担量，可以假定年长日久初期支护失效或变相增加部分荷载，那么二次衬砌的设计应不小于100%的外荷载。所以设计采用50cm厚C35钢筋混凝土，是安全可靠的。

5结束语

铁路下穿高速公路的工程实例较多，但像下坂隧道这种公路未开通，地表周围有结构物的情况较少，根据现场施工情况来看，高速公路的地表沉降控制较好，洞内未出现塌方、掉块；微振控制爆破时不影响高速路面施工，且临近既有线隧道内爆破振动速度控制在5cm/s以内。目前高速公路已开通两年，未出现地表沉降、开裂等，说明变更设计后的施工方案及设计参数是成功的。体会及经验归纳如下：（1）新奥法施工理论中，把隧道支护体系分为围岩、初期支护、二次衬砌三部分，是合理的，也符合各部分受力结构、受力体系的安全计算需要。（2）围岩作为第一道防卫支护体系，应根据地质情况，进行加强，把松散的围岩通过注浆，固结形成整体结构，可起到支撑荷载的作用。（3）初期支护作为进洞后最重要的一道工序，应根据不同的围岩地质特性进行调整，以便更有效的与围岩形成整体防卫体系。

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作者:朱胥仁 单位:中铁五局集团第一工程有限责任公司