新建铁路隧道下穿既有运营隧道的设计与施工

袁 溢

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

随着我国铁路的快速发展，由于线路展线困难，平面及纵坡限制，新建线路不可避免地需要下穿已建成的铁路或公路。不仅在城市轨道交通、地铁建设中较为常见，在山区铁路、枢纽也时常发生。小净距、大角度隧道立交一直是隧道设计和施工的难题，特别是下穿既有营运隧道，结构受力复杂，如何保证新建隧道施工安全，又使既有隧道结构稳定，确保既有线正常运营是设计和施工中必须解决的关键问题。目前，国内外对这类隧道的研究大多是针对水平平行隧道，而对于下穿或上跨类的立交隧道，由于隧道间的断面形状、立交角度、最小净距的复杂性，难以在理论上研究透彻，施工上相比水平近接隧道也难度更大。日本在近接隧道方面的研究较为领先，其出版的《近接隧道施工的设计与指南》详细分析了近接隧道的主要影响因素，包括隧道的净距、立面的相对位置关系、新建隧道的施工方法、地形和地质条件等方面［1］。结合秦岭翠华山隧道下穿既有隧道工程实例，详细介绍下穿设计、施工方案及施工过程中的详细措施和要点，为类似工程设计、施工积累经验。

1 工程概况

秦岭翠华山隧道地处秦岭北麓低中山区，位于北秦岭褶皱带北部，经多次构造活动的影响，其内部组成与构造变形十分复杂，为印支—燕山期强烈隆起地段，隧道范围内发育有数条次级断层，秦岭混合岩化作用强烈，岩体节理裂隙较发育，隧道全长11 271 m，为西康二线铁路控制性工程［2］。隧道于2009年9月开工，目前已经贯通。隧道进口段在D1K66+298处下穿西康既有营运线小峪隧道，立交夹角为29°23'28″，隧道交点处间岩层净距8 m。既有线小峪隧道于2009年通车，其中交叠影响段 K64+710～+780段位于半径R=800 m曲线上，为时速120 km单线隧道，隧道净宽5.5 m。新建隧道与既有线隧道平面关系如图1所示。

2 地层条件及下穿净距的理论计算

2.1 地层条件

隧道立交段地层岩性主要为秦岭群弱风化含棒片岩夹云母片岩。含棒片岩:灰黑色，矿物成分主要为角闪石、石英等，含有少量绿帘石等，夹有长英质、花岗质棒体，棒体长2～5 cm，易剥落，变晶结构，片状构造，岩质较坚硬，性脆;云母片岩:灰黑色，鳞片变晶结构，片状构造，主要矿物为黑云母、白云母，质软，工程性质较差。岩体片理发育，节理较发育，地层产状在N80°～85°W/38°～47°N，局部岩层走向近东西向。

图1 新建隧道与既有线隧道平面关系(单位:m)

弱风化含棒片岩夹云母片岩，○Ⅳ级软石，σ0=800 kPa，为Ⅲ级围岩，围岩相对较好［2］。

2.2 隧道最小近距计算

西康二线线路位置决定了秦岭翠华山隧道需要下穿既有西康一线，勘测设计阶段为减少线路展线长度，同时又要满足隧道下穿施工结构安全，需要计算最小下穿安全净距，作为线路平纵控制性因素之一。

(1)岩石参数(表1)

表1 岩石参数

(2)根据普氏理论(Protodiakonov)计算相邻隧道最小净距d(图2)

图2 隧道净距计算示意

(3)根据普氏理论(Protodiakonov)划分，计算松动区高度h0(图3)

式中 SW、WW——图3中所示尺寸，取 SW=7.9 m，WW=8 m;

图3 荷载及相关计算尺寸示意

φ0、φs——分别为边墙和拱顶处围岩的摩擦角，取 φ0=φs=45°。

根据以上计算可知，隧道开挖影响范围在7.26～7.64 m;根据国内经验，拱顶以上影响范围不小于1倍洞径。

综上所述，两隧道下穿时最小净距取8 m(未考虑爆破影响)，根据此控制因素确定新建线路与既有线路的高程关系。

3 新建隧道设计及施工方案

新建隧道与既有隧道净距较小，交角较大，且新建隧道下穿既有线隧道施工时，围岩受运营列车振动影响，造成洞身开挖后围岩的稳定性较差，存在较大风险，为此必须采取较为稳妥的支护措施及施工方案，确保隧道施工安全及既有隧道运营安全，新建隧道必须采取较强的支护措施和完善的施工方法。

隧道按立交角度及结构轮廓尺寸关系，直接立交段为29.98 m，根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)单线隧道间的最小间距要求，按Ⅲ级围岩2.5B(B为隧道开挖断面宽度)长度要求计算，立交影响段为90 m，本段内的新建隧道需要加强支护。

3.1 加强支护参数

对新建隧道下穿段支护进行加强，其中交叠段D1K66+278～+318段断面形式及支护参数采用Ⅴ级加强衬砌，全断面设1榀/0.8 m的I16型钢架;D1K66+210～+250、D1K66+340～+386段为间接影响段，考虑运营隧道振动影响，设计采用Ⅳ级加强衬砌，拱墙设1榀/1.2 m格栅钢架［2］。开挖后及时初喷并施作径向锚杆、辅以钢拱架加强支护，尽量减少围岩暴露时间及收敛变形，加强隧道的自稳能力。施工上台阶拱架时，锁脚锚杆采用φ42 mm锚管，严格控制拱架下沉。

3.2 加强超前支护及周边围岩加固

隧道为硬质围岩，节理列隙发育，为防止拱部掉块坍塌，需加强超前支护。对D1K66+278～+318段拱部采用φ60 mm中管棚预加固，管棚长8 m，纵向间距5 m，环向间距0.4 m，外插角不大于12°，并注浆加固，形成棚护结构，以保证每次开挖后上部围岩的稳定，减少围岩收敛。隧道开挖后对拱墙岩面进行检查，针对出现的裂缝及破碎地段采用φ42 mm小导管注浆加固。

3.3 调整开挖方法、严格控制爆破，确保运营安全

新建隧道的开挖步序对既有隧道的影响较大，在Ⅲ级围岩中进行施工，采取台阶法进行开挖，循环进尺控制在0.8 m左右。首先进行爆破试验，根据对既有隧道进行爆破振速测量结果获得合理的爆破参数及爆破设计方案，控制好打眼位置、深度以及装药量，专人负责联系了解列车运行情况，根据列车间隙时间确定起爆时间;起爆后对既有线线路及既有隧道检查，确定新建隧道和既有隧道及线路变形数据在允许范围后方能同意列车通过。

3.4 及时施作仰拱及二次衬砌

初期支护完成后，应尽快施作仰拱及二次衬砌，使得支护快速成环，减少收敛。具体施工过程中控制仰拱距离掌子面不大于20 m，二次衬砌离掌子面不大于40 m［3］。其步长关系如图4所示。

图4 开挖衬砌步距(单位:m)

3.5 加强监控量测，做好应急应对措施

新建隧道临近既有线隧道施工，必须严格按有关要求对新建和既有隧道做好监控量测工作，以指导施工，及时排除隧道安全隐患。监控量测需要对隧道拱顶下沉及净空收敛进行量测，同时对既有隧道线路下沉进行监测。当既有隧道净空变化0.2 mm以上或隧底下沉2 mm以上、新建隧道初期支护表面出现裂纹、渗水等异常情况时，应立即停止掌子面施工，采取对新建隧道设置临时钢架、拱墙注浆加固，立即施作二次衬砌等措施，确保运营安全。

3.6 既有隧道慢行要求

列车振动对围岩存在一定的扰动，特别是爆破开挖尚未支护时，为减少振动影响，保证行车安全，列车在经过小峪隧道下穿段时，按45 km/h限速通过。

4 既有隧道加固方案

下穿施工过程最重要的是控制围岩及既有隧道沉降，由于既有隧道原施工开挖中对岩体已扰动，岩体应力重分布，另外由于原施工工艺限制，对既有隧道影响段衬砌背后进行检测发现，衬砌拱墙背后存在空洞、衬砌厚度不足等病害。因此，新建隧道开挖前必须对既有隧道进行加固，加固段落根据立交关系确定，K64+710～K64+780段共70 m范围为加固段。

(1)新建隧道施工前，对既有线小峪隧道K64+710～K64+780上跨新建隧道段衬砌拱墙进行地质雷达扫描，根据扫描情况针对拱墙背后空洞、衬砌厚度不足的地段进行钻孔注浆，注浆孔孔径50 mm，孔深穿透衬砌为宜，间距2.5 m×2.5 m(环×纵)，梅花形布置。

(2)钻孔注浆前为保证既有隧道结构安全，对既有隧道K64+710～K64+780立交段采取自进式锚杆加固。加固位置为拱脚上下1 m，锚杆长3.5 m，锚杆为双排，交错布置，共280个。

(3)新建隧道临近既有线隧道施工时，加强对新建隧道及既有隧道监控测量，采用多波共振仪对隧道围岩收敛变形、下穿段地表沉降，对新、既有隧道系统的进行严密监控，测点加密，量测频率加大，并根据量测结果及时指导施工。

(4)下穿施工中对既有线路进行架空处理，对既有线小峪隧道内采用D24型施工便梁作纵梁。由于新建隧道与既有线交角较小，直接立交影响段落达29.98 m，一次架空长度不满足实际要求，为此，设计采用D24便梁进行分段落两次加固，先对既有隧道K64+735～K64++759段进行线路架空，在新建隧道施工至D1K66+300支护达到足够强度后，再对后半段K64+745～K64+769段进行线路架空，完成下穿剩余段施工。架空作业采用D24梁作为纵梁，工字形钢枕作轨道横抬;两侧支墩采用钢筋混凝土［2］。线路加固方案如图5所示。

图5 西康既有线K64+752线路加固方案(单位:cm)

既有线加固施工必须保证施工人员、既有线运营、施工设备的安全，施工单位应与业主、铁路运营单位等相关部门进一步加强沟通并落实有关既有线施工安全等问题，既有线加固应在新建隧道开挖之前施工完毕。

5 结论

秦岭翠华山隧道采取“预加固、强防护、短进尺、快封闭、勤量测”的施工原则进行施工，下穿段历时3个月完成，既有铁路隧道均处于稳定状态、衬砌结构也未出现异常，证明设计及施工是安全、合理的。

(1)根据地层围岩条件，采用理论计算新建隧道下穿既有线净距，能确定经济合理的线路高程。

(2)新建隧道施工应根据地层条件及立交关系，严格控制开挖进尺，确定合理的支护参数及施工方法，控制沉降。

(3)施工前应详细调查既有隧道情况，对既有隧道病害情况进行针对性的加固处理，为保证运营安全，有条件尽量对线路进行架空处理。

(4)爆破振动对既有隧道结构和线路影响较大，应严格控制爆破振速，结合列车运行情况确定起爆时间。

(5)通过对既有隧道及新建隧道收敛、下沉等数据的监控量测进行信息反馈及预测预报，指导现场施工。

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