大断面浅埋暗挖隧道下穿既有线设计要点探讨

万 清

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

随着工程建设的跨越式发展，大规模地下交通枢纽、城市隧道、地铁车站等大型地下工程越来越多。由于城市功能规划受历史上经济、技术的限制，许多地段原有的规划并没有做好应用地下空间的准备，导致现在的地下空间的开发受到既有道路、桥梁、地面建筑及地下管线等因素的制约。明挖法因为施工严重干扰交通，破坏环境，大量的建筑物、管线的拆迁等因素使工程的实施困难重重;盾构法有时能解决这些难题，但其灵活性差，特别是昂贵的盾构机械，会大大提高工程造价，也使工程的实施步履维艰;在这些特殊的地段上，浅埋暗挖法以其对道路交通、周边环境的影响小，拆迁少，对地质情况的适应性强等特点，显示了其巨大的优越性，得到了广泛的应用。

1 工程概况

石家庄六线隧道位于石家庄市区，自北向南纵穿石家庄市，是一个六线并行(局部七线)、普速与高速混行的庞大地下隧道工程，隧道包含京石客运专线、改建京广线、石青客运专线和石太联络线，隧道主体全长4 980 m，隧道布局及外部控制情况见图1。

图1 石家庄六线隧道总平面示意

隧道标准结构断面宽度约40 m，结构高度约13 m，此类穿城入地的大型隧道工程，其规模和性质在国内尚属首例。

隧道在DK278+300～DK278+380段下穿既有石太直通线，采用暗挖法施工，隧道其他大部分段落采用明挖法施工。既有石太直通线路基宽约32 m，高约8 m，为双线路基。新建隧道为四线双洞隧道，总跨度27.39～28.05 m，隧道埋深在既有线轨面下10.04～10.73 m。隧道下穿既有石太直通线的位置关系见图2，图 3。

2 工程地质及水文地质情况

图2 隧道下穿既有石太直通线平面(单位:m)

2.1 场地工程地质条件

(1)地形地貌

隧道地处山前冲洪积平原区内，沿线地形平坦，隧道下穿既有线区域地面高程约74 m。

(2)地层岩性

图3 隧道下穿既有石太直通线剖面(单位:m)

暗挖隧道顶部为杂填土及既有线路基的填筑土，隧道穿过地层上部为杂填土和新黄土，下部为粉细砂和中粗砂，围岩分级为Ⅵ级。

(3)场地类别为Ⅲ类，场地土类型为中软～中硬场地土。

(4)地震动峰值加速度值为0.10g，对应地震基本烈度Ⅶ度。

(5)土壤标准冻结深度0.6 m。

2.2 水文地质特征

地下水为第四系孔隙潜水，含水层为砂、卵石层，主要由大气降水补给，近5年的地下水水位埋深45～50 m，在隧道底板以下。

3 施工方法的选择

石家庄六线隧道紧邻既有京广铁路，既有石太直通线跨既有京广铁路采用铁路桥方式，石家庄隧道位于既有铁路桥东侧路基下方，隧道施工期间，既有石太直通线需继续运营，且因其所处的特殊位置，旁侧无改线、疏解条件，因此，该段隧道无法采用明挖法施工，只能采用不影响既有线运营的浅埋暗挖法或盾构法。

考虑到石家庄六线隧道在下穿段落为四线隧道，结构跨度大，在国内盾构施工的成功实例中，没有同类型工程，且下穿既有线段隧道长度较小，仅80 m，因此盾构法施工不具备可行性、经济性。

综合考虑各种因素，经过认真研究后，确定该段隧道采用浅埋暗挖法施工。

浅埋暗挖法的实质内涵可用18字原则概括，即:“管超前”、“严注浆”、“短开挖”、“强支护”、“快封闭”和“勤量测”。自上而下步步为营，分块成环，随挖随支，及时做好初期支护。并待初期支护结构的拱顶沉降和收敛已经稳定后，分步拆除初期支护结构中的临时中隔壁墙及临时仰拱，施作外包防水层，最后施作二次衬砌结构。

4 隧道设计参数的确定

4.1 隧道断面的拟定

按照《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)［2］中“客运专线铁路建筑限界”及《标准轨距铁路建筑限界》(GB146.2—83)［3］中“电力牵引隧道建筑限界”的要求，同时，隧道净空有效面积按满足建筑限界和救援通道空间设计，经过结构计算，拟定隧道下穿既有石太直通线暗挖断面采用复合式衬砌，采用双跨连拱形框架结构形式，结构断面宽为27.39～28.05 m，京石正线结构高13.28 m，改建京广线结构高12.83 m，隧道开挖面积约324 m2。隧道断面见图4。

图4 暗挖段主体结构断面(单位:cm)

4.2 暗挖施工方法的确定

考虑到下穿石太直通线暗挖段隧道断面较大，隧道采用中洞法结合CRD法施工，整个结构断面分20个小洞进行施工，中洞分6个小洞，侧洞分别各7个小洞。见图5。

图5 暗挖段分部开挖示意

4.3 辅助工程措施

(1)隧道初期支护采用钢架+网喷混凝土防护，外轮廓初期支护厚度为35 cm，钢架采用I25a型钢，内部纵横隔壁厚度为30 cm，钢架采用I22a型钢。

(2)初支钢架各单元由连接板焊接成形，单元间由螺栓连接，钢架之间设纵向连接钢筋。

(3)网喷混凝土采用C25网喷早强纤维混凝土。

(4)每次开挖进尺为0.5 m，严格控制各台阶长度;每次开挖结束后，及时喷射混凝土封闭掌子面。

(5)及时施作锁脚锚杆，以确保钢架基础稳定。

(6)同一断面相邻开挖工作面错开8～10 m。

(7)及时进行初支、二衬背后注浆。

(8)施工中须按照图纸及有关规范的要求进行监控量测，及时反馈结果，分析量测数据，指导下步施工。

5 下穿既有线沉降控制措施

由于隧道施工期间上方的既有石太直通线需要继续运营，下穿石太直通线暗挖段是石家庄六线隧道最大的一个风险点，确保既有线的运营安全是隧道设计和施工的重点。

为保证隧道开挖过程中既有线路基的整体稳定性，确保施工时既有线的行车安全和隧道的施工安全，隧道设计方案中采用诸多施工保障措施和加固措施。大致有以下几种。

(1)隧道拱部大管棚支护

由于隧道开挖跨度大，隧道所处的地层较差，隧道开挖过程中易出现坍塌，从而影响既有线的运营安全和隧道的施工安全。因此，设计方案中考虑在隧道拱部120°范围采用双层159 mm，t=8 mm的大管棚支护，管棚内外两排梅花形布置，管棚内充填水泥砂浆或水泥浆，大管棚间打设φ42 mm，t=5 mm小导管并注浆;

(2)既有线线路加固

为保证隧道施工时既有线的运营安全，设计方案中对运营线路采用纵横轨束梁对线路进行加固，纵轨束铺设在行车轨两侧路肩上，其上横穿横轨束梁用以承受荷载。见图6。

图6 线路纵横梁加固示意(单位:cm)

(3)注浆加固

为确保隧道施工过程中既有线的运营安全和隧道施工安全，设计方案中考虑对隧道周边土体及既有线进行注浆加固，加固范围为:隧道结构拱墙外5 m范围和铁路桥桥台下部土体，其中结构拱部120°范围以及桥台下注浆加固范围在初始注浆后根据施工监控量测情况进行跟踪注浆。

6 施工情况综述

6.1 施工难点及应对措施

(1)隧道所处地层大部分为干燥砂质地层，围岩自稳能力极差，开挖时易产生坍方。

应对措施:必须严格控制开挖步距，随挖随支，每次开挖完成后及时封闭掌子面。

(2)隧道拱部采用大管棚支护，管棚长度为80 m，管棚施工精度难以保证。

应对措施:分别从暗挖段两端向中间打设大管棚，在暗挖隧道中部搭接，管棚施工采用定向钻孔技术，严格控制管棚施工精度。

(3)隧道上方为运营的既有铁路，施工过程中的沉降控制是关键。

应对措施:在隧道开挖前，严格按照设计参数，及时做好地层加固、线路加固等措施，施工过程中严格控制开挖步距，随挖随支，及时施作初支、二衬背后注浆;实时监测既有线和隧道结构的变形情况，根据监测数据的分析结果，指导下步工序施工。

(4)隧道开挖揭示掌子面地层情况大部分为干燥的中粗砂层，自稳能力极差，在开挖过程中掌子面难以保持稳定，出现滑坍，从而导致既有石太直通线路基沉降过大，存在安全隐患。

应对措施:对暗挖段进行了全断面注浆，以确保开挖过程中掌子面的稳定，减少对既有石太直通线路基的扰动，保证施工和运营安全。

(5)由于既有石太直通线路基曾于1996年遭受水害而跨坍，当时为了抢修被大水冲毁的路基，向路基内抛填片石、石碴等，路基填料复杂，导致路基本体不密实，局部存在空洞，隧道开挖时，对路基土体形成扰动，造成累计沉降量很大，并造成1根接触网塔架倾斜，路肩挡墙局部出现变形开裂现象，危及营业线及设备安全。

应对措施:对隧道开挖影响范围内的50 m路基进行补充注浆，注浆范围为路肩面下1～5 m;对路基裸露边坡挂150 mm×150 mm钢筋网片，喷射20 cm厚C25混凝土进行防护。

6.2 监控量测情况

暗挖隧道施工过程中，严格按照设计参数施工，从施工监测数据来看，除既有线累计沉降超标以外，其他各个监测项目的沉降、变形指标均在可控范围之内。既有线累计沉降量虽然超标，但在实际施工过程中，运营部门多次配合进行了抬道添砟加固，既有线的运营未受影响。

7 结语

目前石家庄六线隧道大断面暗挖下穿既有石太直通线段主体结构已经全部施工完成，在确保周边环境特别是运营既有线安全的前提下，保证了铁道部的既定目标工期。实践证明，设计方案中确定的工法、采取的各种措施是安全、合理的。

石家庄六线隧道大断面下穿既有线的隧道设计方案、既有线加固措施、施工中的应对措施等，在以后类似的隧道穿越工程设计中可供参考。

［1］铁道第二勘察设计院.TB10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］中华人民共和国铁道部.TB10020—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［3］国家标准局.GB146.2—83 标准轨距铁路建筑限界［S］.北京:中国标准出版社，1983.

［4］北京城建设计研究总院.GB50157—2003 地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［5］中华人民共和国铁道部.TZ214—2005 客运专线铁路隧道工程施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

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