双线铁路隧道下穿高速公路施工技术研究

翁东郁

摘要：针对山西中南部铁路通道盘道岭隧道下穿青银高速公路实际情况，结合国内外研究成果及相关规范，在对既有结构安全及稳定性分析的基础上，对新建双线隧道下穿高速公路的施工技术方案及监控量测措施进行了技术总结。指出：⑴施工前应对既有结构的健全度进行评价，据此选择合理的施工方案及控爆参数。⑵下穿段应辅以必要的辅助措施，确保既有隧道的安全运营。⑶交叉段施工完成后，需对既有衬砌结构再次进行安全性评价，确保既有隧道不会因后续运营而产生破坏[1]。

关键词：下穿，既有结构物，施工，监测

1 研究背景

1.1工程概况

本文以山西中南部通道盘道岭隧道下穿青银高速公路为工程背景，盘道岭隧道进口里程DK159+035，出口里程DK161+496，全长2461m，为单洞双线隧道。隧道位于吕梁山西坡黄河东岸黄土峁梁区，地形起伏大，冲沟发育。盘道岭隧道DK161+345～DK161+415下穿青银高速公路，路堑段位于出口端，距出口洞门81m～151m，下穿公路长度70m， 相交角度为73°，相交点铁路里程为DK161+380.7，公路里程为K749+825；下穿高速公路段铁路平面位于直线上。下穿段最浅处DK161+365.510对应位置高速公路路面高程为787.219m，公路路面距隧道外拱顶部最小高度9.46m。隧道在下穿段最大开挖高度10.16m（仰拱初支底面-外拱顶11.82m），最大开挖宽度12.16m，开挖断面积115m2。

盘道岭隧道下穿青银高速公路路基段覆盖层厚度较小，属浅埋段，洞身地层为泥质砂岩夹泥岩，棕红色，弱风化；围岩节理裂隙发育，呈角砾碎石状松散结构；隧道洞身含少量基岩裂隙水，受大气降水补给明显，雨季施工时，水量较大，洞身内地下水呈水滴状渗流，围岩为Ⅴ级。

青银高速公路路宽约24米，与线路走向成73°度夹角，隧道結构顶距离高速公路路面最小为9.46米。

1.2工程地质

隧道主要穿越泥质砂岩与砂岩互层夹泥岩，薄层勘探揭示最大厚度为68.8m。泥质砂岩：紫红色，局部夹灰白色，主要矿物成分石英、长石及泥质矿物，泥砂质结构，层状构造，强～弱风化，节理裂隙发育，勘探揭示最大层厚28.5m。 砂岩：灰白色，主要矿物成分石英、长石，砂质结构，层状构造，强～弱风化，节理裂隙发育，勘探揭示最大层厚17.0m。岩土施工工程分级表如表1-1所示，地层岩性如图1-2所示。

1.3工程难点分析

（1）隧道开挖宽度为11 6m，高度为10.16m，成洞较困难。

（2）隧道埋深浅，顶部覆盖厚度最薄处仅9m，属超浅埋大跨隧道，施工中容易造成冒顶坍。

（3）隧道下穿运营繁忙的青银高速公路，施工中对沉降控制要求高，保证行车安全责任重大。

（4）隧道地质条件差，洞身砂岩及砂岩夹泥岩互层，水平成层结构，施工中成洞难度大，易造成坍塌失稳。

（5）工序复杂，工艺要求高。

（6）做好地面及洞内量测工作，并根据量测资料，适时修改支护参数，优化施工工艺。

2 主要施工技术

隧道施工应坚持“管超前、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则[2]。根据设计要求及现场情况，为确保盘道岭隧道下穿高速公路施工时上部既有结构的运营安全、减小新建隧道开挖对既有隧道的影响，同时确保新建隧道的安全施工，在对DK161+345～DK161+415交叉段隧道施工时，采用下列技术措施：

2.1超前预支护

⑴φ108大管棚超前支护

隧道下穿既有铁路段拱部设置φ108大管棚超前预支护，长管棚为70m，用每节长度4m～6m的热轧无缝钢管（外径108mm，壁厚9mm）以丝扣连接而成，交错连接，同一断面内接头数量不得超过总钢管数的50%。环向间距中至中40cm，钢花管轴线与衬砌外缘夹角1～3°。钢花管施工误差径向不大于20cm，相邻钢花管之间环向不大于10cm。

为了加强下穿段围岩的整体稳定性，提高岩土体的密实度，同时提高管棚的刚度，确保上部隧道沉降满足要求，钢花管上钻注浆孔，孔径10～16mm，孔间距15cm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段100cm。

长管棚注浆采用水泥浆液，浆液起始浓度要掌握适当，一般先稀后浓， ①水泥浆液水灰比2：1～0.6：1（重量比）；②注浆压力0.5～2.0MPa。注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，取得管棚注浆施工经验。

采用两台注浆泵从两侧向拱中的顺序压注，开始低压注浆，然后慢慢升压、稳压，在终压状态下持压15～25min，注浆结束后用M5水泥砂浆充填钢管，以增强管棚强度。为了提高导管的抗弯能力，设φ108管棚时可在导管内增设钢筋笼。钢筋笼由四根主筋和固定环组成，主筋直径为22mm，钢筋笼内采用砂浆或细石混凝土填充，固定环采用短管节，将其与主筋焊接，按1m间距设置，固定环外径83mm，壁厚4mm，长100mm

（2）超前小导管

拱部140°范围设φ42小导管配合φ108管棚并注水泥浆超前支护，小导管采用冷轧无缝钢管，外径42mm，壁厚3.5mm。在管身设注浆孔，孔径10mm，孔间距50cm，呈梅花形布置，前端加工成锥形，尾部长度不小于30cm，作为不钻孔的止浆段。小导管安设采用钻孔打入法，即先按设计要求钻孔，钻孔直径比钢管直径大3～5mm，然后将小导管穿过钢架，用锤击或钻机顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%，并用高压风将钢管内的砂石吹出，并做好注浆准备后注入体积比为1：1～1：0.6 的水泥浆与水玻璃浆液，注浆压力为0.5～2.0MPa。

2.2下穿段施工方法及工序

为保证开挖安全，减少爆破对隧道周边围岩的扰动，保证公路路基的稳定，施工采用机械铣挖施工方法，并采用三台阶临时仰拱上台阶加竖撑法施工。各部每次开挖支护的长度控制在0.5m，初期支护紧跟掌子面按短进尺，快循环勤护的原则组织施工上台阶开挖高度3.5m，中台阶开挖高度3.5m，下台阶3.6m，每循环进尺0.5m。开挖一榀支护1榀，上台阶长度控制在3～5m。拱脚及墙脚处钢架底部打设锁脚锚管，每处2根，确保钢架基础稳定，以限制拱顶变形，施工工序如图2-1所示。

2.3支护参数优化

DK161+345～DK161+415段为主要受影响段，为保证开挖安全，减少爆破对隧道周边围岩的扰动，保证公路路基的稳定，施工采用机械铣挖施工方法，并采用三台阶临时仰拱上台阶加竖撑法施工。初期支护采用HW175型钢支撑，间距0.5m/榀，系统锚杆L=5m。开挖完毕后立即喷射C30早强混凝土（初期支护厚度32cm）；支护参数如表2-1所示

2.4二次衬砌

考虑公路现状，荷载远大于规范55T，设计为Ⅴ级围岩加强复合式衬砌，二次衬砌厚度65cm，主筋为φ25钢筋，间距20cm；

3 监控量测

隧道下穿段施工期间应加强监控量测，将监控量测作为关键工序列入现场组织，并对支护体系的稳定性进行判别：对隧道开展洞内外观察、洞内拱顶下沉、水平相对净空变化测量，既有路面地表沉降观测，地表监测点应在开挖线布设，要求洞外地表沉降观测点和洞内观测点布设在同一里程断面上，洞内外监控量测技术要求按《铁路隧道监控量测技术规程》相关规定办理，量测频率见表3-1，变形管理等级见表3-2。实际量测频率应从表中根据变形速度和离开挖工作面距离选择一个较高的量测频率，并加强监控量测，确保隧道下穿段顺利施工。

4 下穿高速公路段施工注意事项

（1）铣挖过程中粉尘大，洞内作业环境差，需要采取加强通风及切实有效的除尘及通风措施。

（2）施工过程中所有人员必须在机械作业半径范围外，防止机械伤人，特别是当粉尘较大时由于视线受阻必须加强照明及安全防护。

（3）开挖进尺不宜过大，保证施工安全。

（4）防止破坏已施作完成的初期支护。

（5）施工開挖必须保证开挖轮廓及中线水平以防超挖。

（6）下穿青银高速段施工期间影响范围两端各设一道，并设置隧道施工及减速警示牌，限制过往车辆行车速度避免共振波引起路面开裂塌陷。

5 铣挖机型号选取

从工艺性试验结果来看，铣挖法开挖对围岩扰动少、超欠挖容易控制且安全性好[5]。铣挖法工艺性试验研究的主要成果与存在的问题如下。

（1）ER1500-1S型装配式铣挖机适用于岩石强度小于10 MPa、节理裂隙发育、岩体较破碎的Ⅳ，Ⅴ级软弱围岩隧道，其特点是对隧道围岩扰动小、超欠挖容易控制、使用灵活，可用于洞内清欠、开槽、开挖边沟及边坡坡型坡率的修整。存在的问题是：①铣挖过程中粉尘大，洞内作业环境差，需要采取切实有效的除尘及通风措施；②因盘道岭隧道地下水不发育，雨季时，地下水呈雨滴状渗出，喷淋不当会形成泥状，从而施工时洞内粉尘较大。

（2）EBZ160型悬臂掘进机适应于开挖节理或裂隙发育、岩体完整性差的IV ，V级低硬度围岩地层，其特点是设备配套齐全、功能完善，作业粉尘控制较好，但掘进效率与地层硬度和工作面自稳能力关系密切。存在的问题有：①悬臂掘进机适用于煤矿巷道掘进，原配皮带运输机出碴，故高度较低，不能直接装汽车，且由于开挖摆动，卸碴尾部亦发生摆动，与现在隧道出碴运输设备配套困难，因此，需要配备专门的二次转运设备直接将洞碴传送到运输汽车；②开挖下部及边角修整时间长，边角部位易形成超欠挖[6]。

（3）悬臂掘进机对围岩的适应范围稍大于装配式铣挖机。前者在岩石强度为10-20MPa且岩体较破碎的围岩条件下基本能适用，在围岩强度小于10 MPa且节理裂隙发育时铣挖效率较高，但成本亦相对较高；后者仅在围岩强度小于10 MPa且节理裂隙发育时能适用，且能达到理想的25-35 m3/h。

因此，在施工中应选择合适的铣挖机类型及控制施工顺序，确保顺利施工。

6 结语

（1）近接隧道施工中，新建隧道开挖及爆破振动对既有结构物将产生影响，施工中需引起高度重视。因此，在盘道岭隧道交叉段施工前，对既有路面状况及抗震性等进行综合分析，制定合理的施工方案及爆破参数，确保施工的顺利进行[7]。

（2）新建隧道掌了面掘进至交叉点前3～ 4倍洞径时，需开始做好新建隧道和既有隧道内的监控量测，通过对监测结果的回归分析，及时掌握既有隧道的变形情况，进而为新建隧道的开挖方法及支护参数及时进行调整，确保既有隧道安全。

（3）新建隧道施工下穿段施工时，为确保安全施工，应采用三台阶临时仰拱，上台阶加竖撑法，辅以长管棚及超前小导管注浆加固施工，严格控制既有路面变形和沉降。施工完成后，应对交叉段既有隧道重新进行评价，确保既有隧道在施工完成后不会因后续列车振动而产生破坏。

7 参考文献

[1]谭忠盛，杨小林等.复线隧道施工爆破对既有隧道的影响分析.岩石力学与工程学报，2003，22（2）：281～285.

[2]熊安详，李俊法，伍绍鸿.新杨柳湾隧道施工及相邻既有隧道监测.铁道建筑技术，2002， （2）： 43～45.

[3]于学馥，郑颖人，刘怀恒等.地下工程围岩稳定分析.北京：煤炭工业出版社，1983.

[4]郑俊杰，包德勇，龚彦峰. 铁路隧道下穿既有高速公路隧道施工技术研究.铁道工程学报， 2006，98（8）：80-84.

[5]潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京：中国铁道出版社.

[6] 李晓红.隧道新奥法及其量测技术.北京：科技出版社，2002.

[7]Duddeck H.Application of numerical and analysis for tunneling international.Journal for Numerical&Analytical Methods in Geotechnics，1991，17（3）：1～9.