铁路隧道下穿高速公路施工技术研究

曹 磊

(中国葛洲坝集团西南分公司，昆明 650000)

1 工程概况

新建山西中南部铁路通道为我国第一条30 t轴重双线重载铁路，盘道岭隧道被列为全线重点工程之一。隧道位于山西省柳林县境内，全长2 461 m，为单洞双线隧道，隧道出口DK161+415～DK161+345段(长度70 m)下穿青(岛)银(川)高速公路离(石)军(渡)段，相交角度为73°。下穿高速公路段隧道位于直线段上，其中 DK161+345～DK161+400段为4‰上坡，DK161+400～DK161+415段为5.4‰上坡。下穿段最大开挖高度10.16 m(仰拱初支底面 ～外拱顶11.86 m)，最大开挖宽度12.22 m，开挖面积115 m2，公路路面距隧道外拱顶部9.46 m。高速公路与隧道埋深关系见图1。

图1 高速公路与隧道埋深关系(单位:m)

隧道下穿段洞身地层为泥质砂岩与砂岩互层，泥质砂岩:紫红色，泥质胶结，层状构造，弱风化，节理裂隙发育。砂岩:灰白色，砂质结构，层状构造，弱风化，节理裂隙发育，呈角砾碎石状松散结构;地下水不发育，雨季时，地下水呈雨滴状渗出。围岩级别按铁路隧道围岩划分标准应为Ⅲ级，施工中针对下穿浅埋施工设计为Ⅴ级下穿公路段复合式衬砌。

下穿段高速公路为双向6车道路堑，路面宽22 m，两侧路肩水沟、路堑边坡平台各宽3 m，总宽28 m，重载运煤车流量较大，高速公路部门要求施工期间不能采取半幅封路措施，仅允许采用布置限速标识措施，沉降要求在15 mm以内，因此在不影响公路通行的情况下有效的控制沉降是施工中的重点。

2 主要施工技术

隧道施工坚持“管超前、短开挖、弱爆破、强支护、早封闭、快成环、紧仰拱、勤量测、速衬砌”的原则。根据设计要求和实际情况，施工时必须保证青银高速公路路面稳定及运营安全，为减小新建隧道开挖对高速公路的影响，在对DK161+415～DK161+345段隧道施工时，采用如下技术措施。

2.1 超前地质预报

隧道进入下穿段施工前进行超前地质探测，采用TSP203PLUS地震波地质预报系统，对开挖段前方进行地质预报，进一步核实地质资料，完善施工技术方案。施工过程中通过打超前探孔做近距离超前地质预报，为施工提供可靠直观的地质资料。

2.2 超前长管棚注浆预支护

(1)管棚长度70 m，分3次施作，每次施工长度30 m，搭接长度3～5 m，每节长6 m，钢管逐节顶入。管棚规格为热轧无缝钢管，外径108 mm，壁厚6 mm，每节钢管两端均预加工成外丝扣，交错连接，环向间距中至中3根/m，外插角为1°～3°，孔位误差不得大于5 cm。

(2)钻孔采用地质钻机隔孔施钻，开孔时低速低压，待成孔1 m后适当加压，匀速钻孔，避免发生夹钻现象。钻进采用一次成孔法，用异型接头把钻杆与钢管连接起来，钢管前端安装合金钻头，钢管随进度连续接长，直到设计位置。

(3)钢花管上钻注浆孔，孔径10～16 mm，孔间距15 cm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段110 cm。在钢花管上内装入4根φ22 mm钢筋和固定环组成的钢筋笼，以提高导管的抗弯能力，管棚前端加工成锥形，以便于顶进。

(4)长管棚注浆采用水泥浆液，注浆参数为水泥浆液水灰比1∶1(质量比)，注浆压力0.5～2.0 MPa。注浆前进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，注浆浆液在灰浆搅拌桶内搅拌均匀后经滤网放入储浆桶，再由注浆泵经管路注入钢管中，注浆结束后用M5水泥砂浆充填钢管以增强管棚强度。

2.3 优化支护参数

考虑既有高速公路对新建隧道的影响，设计对该段衬砌采用提高衬砌等级加强支护，以确保新建隧道结构的安全性及稳定性。初期支护采用网喷32 cm厚C30钢纤维早强混凝土，φ8 mm钢筋网间距为20 cm×20 cm，系统锚杆拱部范围内采用长度5 m的φ25 mm中空注浆锚杆，边墙采用长度5 m的φ22 mm砂浆锚杆，间距1.0 m×1.0 m(环向×纵向)，梅花形布置。HW175型钢初支，钢架纵向间距每榀0.5 m，二次衬砌采用C35厚度65 cm的钢筋混凝土，φ25 mm主筋间距20 cm。二衬拱部预留注浆孔，二衬后及时注浆充填，保证拱顶及边墙背后密实。仰拱及填充采用栈桥施工，每次开挖长度不超过3 m，浇筑长度不得超过6 m。衬砌采用9 m全断面钢模液压衬砌台车整板衬砌，紧跟掌子面。在下穿30 m高速公路路面段施工时，二衬达到设计强度后再进行下一施工段开挖。

2.4 施工方法及工序

施工方法对高速路面沉降情况起着主导作用，设计下穿段施工方法为三台阶临时仰拱铣挖法施工，上台阶中间设临时钢架支撑。隧道拱部周边采用铣挖机环状铣挖，预留核心土，然后初喷混凝土，施作系统锚杆并安装拱部HW175型钢钢架支撑，复喷钢纤维早强混凝土，初支后铣挖配合机械开挖核心土。中下台阶先铣挖周边，对中间强度较高的围岩配合微振弱爆破开挖，微振爆破主要从控制最大一段爆破用药量、减弱爆破振速传递及减少爆破振动波叠加三个方面控制，开挖每循环进尺控制在50 cm之内。

高速公路部门要求施工期间不能封路，施工中监控量测到高速公路路面沉降大于15 mm时，则由“三台阶临时仰拱法加竖撑”(图2)改为中隔壁施工方法(CD法)。

2.4.1 铣挖法施工工艺原理

图2 三台阶临时仰拱法加竖撑横断面示意

在沃尔沃EC460B履带式液压挖掘机上(斗容积2.7 m3、自重44.4 t)利用液压破碎锤或液压钳的液压回路安装一台德国艾卡特ER1500-3型铣挖机，铣挖机配48个铣挖头。工作原理是利用铣挖机的铣挖头高速旋转切削岩石，人工配合修整开挖轮廓线达到设计要求，可以有效的减少开挖对围岩的扰动，控制超欠挖，提高开挖质量和安全度，降低作业人员的劳动强度。

ER1500-3型铣挖机购置时未配备降尘装置，铣挖机的铣挖头在工作时产生大量的粉尘，铣挖作业时采用水幕降尘和人工降尘相结合的方法，由人工手持高压水管向铣挖机工作面浇水，工作面通风采取1台风量为1 000 m/min、功率为2×110 kW的对旋式低噪声轴流通风机压入式通风，保证工作面空气质量。

2.4.2 微振控制光面爆破

设计开挖轮廓线向隧道内侧1.0～1.2 m的范围采用铣挖机铣挖，其余部分采用微振控制光面爆破施工。微振爆破主要从控制最大一段爆破用药量、减弱爆破振速传递、减少爆破振动波叠加3个方面控制。爆破方式示意见图3。

(1)确定最大一段爆破用药量

根据钻爆设计，最大一段爆破用药量为上台阶开挖，依据公式Qmax=R3×(Vkp/K)3/a计算微振爆破作业段最大一段允许装药量为3.1 kg(约21节150 g药卷)2号岩石硝铵炸药，单次起爆最大用药量19.2 kg。

式中，Qmax为最大一段爆破药量，kg;Vkp为安全速度，cm/s，设计要求Vkp=4 cm/s;R为爆破安全距离，m，根据炮眼布置图R=7 m;K为地形、地质影响系数，考虑轮廓线上部120°范围设减振孔，根据施工经验，结合爆破安全规程(GB6722—86)取K=80;a为衰减系数，根据爆破安全规程(GB6722—86)取a=1.9。

(2)减弱爆破振速传递

上台阶开挖时，在拱部120°范围开挖轮廓线上方5 cm设减振空眼，空眼深4.0 m，间距10 cm，以便较好起到减弱爆破振动波传递效果。

(3)减少爆破振动波叠加

采用孔内控制微差起爆网络技术，加大爆破起爆段别，增加起爆间隔时间，采用 1、5、7、9、11、13、15、17、19段9个段别非电毫秒雷管间隔起爆，减小爆破振动波叠加，发挥微差爆破作用效果。

另外炮眼堵塞用水压爆破，炮眼中未装药部分全部用塑料水袋填塞密实，炮泥堵塞炮眼口，力求在同等爆破效果条件下减少炸药用量。

周边眼用φ25×200 mm小药卷，不耦合装药，其余炮眼用φ40×200 mm药卷，不耦合装药系数一般控制在1.2(B=52/45)范围内。

图3 爆破方式示意(单位:m)

2.4.3 施工工序(图4)

(1)开挖上台阶:上台阶高3.5 m，先对上台阶放样后对周边(宽度1.0～1.2 m)进行铣挖，然后修整初喷4 cm厚C25混凝土，安装钢筋网并施作系统锚杆后安装HW175型钢钢架，间距0.5 m，打锁脚锚管，再复喷C30钢纤维早强混凝土至设计厚度32 cm。

(2)开挖上台阶核心土，每2榀钢架施作1榀临时仰拱竖撑，喷射C25混凝土封闭临时仰拱。为方便铣挖机作业，上台阶长度控制在3.5 m。

(3)中台阶两侧边墙采取左右错开方法先铣挖，宽度1.0～1.2 m，初喷4 cm厚混凝土。然后对边墙钢拱架进行接长，复喷混凝土至设计厚度后再微振弱爆破开挖中台阶核心土。左右边墙错开不得大于1 m，开挖支护完一侧再施工另一侧，中台阶长度控制在3 m。

(4)下台阶两侧边墙先铣挖，宽度1.0～1.2 m，初喷4 cm厚混凝土。然后对边墙钢拱架进行接长至边墙脚，复喷混凝土至设计厚度后再弱爆破开挖下台阶核心土。下台阶左右边墙开挖错开不得大于1.5 m，开挖支护完一侧再施工另一侧，下台阶长度控制在8～9 m范围内，与中台阶距离控制在3 m。

(5)开挖隧底仰拱施作钢拱架喷混凝土进行封闭成环，每次开挖支护长度不得大于3 m。

(6)绑扎仰拱钢筋施作仰拱混凝土及填充，采用仰拱栈桥施工，每次施工长度不得大于6 m。

(7)施作防水层并进行矮边墙混凝土施工。

(8)二次衬砌一次浇筑长度6～9 m，二衬后拱顶及时注浆充填密实。

(9)每日3次对洞内拱顶及公路路面沉降变形、隧道周边收敛进行监控量测，根据量测结果及时指导施工。

图4 三台阶临时仰拱铣挖法施工工序示意(单位:m)

2.4.4 监控量测

隧道穿过青银高速公路段跨度大，公路重载车辆车流密度大，荷载远大于规范55 t，监控量测是监视围岩稳定及判断设计与施工方法是否正确的重要手段，亦是保证安全施工、提高经济效益的重要条件，它必须贯穿施工的全过程。

(1)监控量测的目的

通过监控量测了解各施工阶段高速路面与下穿隧道支护结构的动态变化，把握施工过程中结构所处的安全状态，判断围岩稳定性，支护及衬砌的可靠性;用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把监测结果反馈设计、指导施工，为修改施工方法、调整围岩级别、变更支护设计参数提供依据;通过监控量测了解该工程条件下所反映出来的工程规律和特点，为今后类似工程或该工法本身的发展提供借鉴、依据和指导作用。

(2)监测断面测点布置

监控量测测点布置见图5、图6。

图5 高速公路路面监控量测点布置

图6 隧道内监控量测测点布置(单位:m)

(3)监测安全控制基准

青银高速公路路面位移最大值不得超过1.5 cm，沉降最大值不得超过1.5 cm。

洞内检测基准见表1。

表1 位移管理等级

现场监测时，可根据监测结果所处管理阶段选择监测频率:一般Ⅲ级管理阶段监测频率可放宽些;Ⅱ级管理阶段则应注意加密监测次数;Ⅰ级管理阶段则应加强监测，通常监测频率为1～2次/d或更多。

(4)监控量测成果

根据实际测量数据，将高速公路地表沉降值、洞内拱顶沉降值及洞内收敛值进行整理(隧道拱顶沉降及收敛值选择具代表性的四个断面)，在监测时段内，高速地表最大沉降值为11 mm，洞内拱顶沉降值最大为4.5 mm，洞内收敛最大值为6 mm。

3 结语

(1)隧道下穿高速公路浅埋段施工，采取铣挖法配合微振弱爆破开挖，能减少浅埋层围岩的振动，有效地控制公路路面变形，保证高速公路正常通行和隧道施工安全。

(2)铣挖机选型合理且使用方便，满足工程需要，对类似工程有借鉴作用。建议在以后选型中配备自动喷水降尘装置，以改善洞内作业环境，提高空气质量。

(3)下穿施工完成之后，对下穿段高速公路及隧道衬砌结构应重新进行安全性评价，确保高速公路及铁路隧道不会因时间推移而产生破坏。

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