渝黔铁路万家庙隧道下穿渝黔高速公路施工技术探析

■程思军 ■中铁二局股份有限公司，四川 成都 610032

新建渝黔高速铁路西起重庆市，东止贵州省遵义市，是我国高速铁路网规划中的一条重要的战略要道，初步规划为国标一级铁路，全程347公里，时速为250公里。渝黔高速铁路将与兰渝线、贵广线连接，可缩短重庆与贵阳的距离，提高铁路网线的输送能力，是我国西南地区又一条快速出海大通道。重庆渝黔高速是国道主干线重庆至湛江公路在重庆境内的一段，设计行车速度80公里/小时，目前行车流量密集，需制定复杂详细的交通疏解方案。因此能否安全、快速、高效地施工完成渝黔高速铁路万家庙隧道下穿渝黔高速公路段将成为该项目施工的一个关键难点。

1 工程概况

万家庙隧道全长2300米，里程为D2K62+940～D2K65+240，其中D2K63+100～+420下穿渝黔高速公路路堑及路堤，交叉点的公路里程为K1048+500，铁路隧道里程为D2K63+223，铁路线路与公路呈小角度斜交，见图1《渝黔铁路下穿渝黔高速公路平面布置图》。

高速公路路堑边坡最高18米，路堤边坡最高9米，下穿公路路堑段隧道的拱顶开挖线至路面15m，D2K63+360高速公路既有石拱涵(跨度3m、边墙高2．5m、拱部半径为1．5m)处隧道开挖线的拱顶至涵洞内水沟底埋深4．5m，高速公路存在沉降或坍塌及边坡失稳面破坏风险，见图2《渝黔铁路下穿渝黔高速公路段实测横断面图》。

隧区覆盖层主要为人工填土、松软土、粉质粘土，地层主要为泥岩夹砂岩，隧道左侧存在顺层偏压;岩层地质构造不发育，岩体完整性差;孔隙水和地下水均不发育，富水性弱。

该段铁路隧道共有六种Ⅴ级特设型复合式衬砌，初期支护采用I22a型钢钢架，钢架间距60cm、φ75超前中管棚和φ127超前大管棚注浆加强支护。

图1 渝黔铁路下穿渝黔高速公路平面布置图

图2 渝黔铁路下穿渝黔高速公路段实测横断面图

2 主要施工方案

2．1 总体施工方案

根据隧道与高速公路的空间关系以及地质报告上描述的地质情况来判断，下穿高速公路的主要风险点是隧道坍塌、公路路面沉降。因此隧道采用CRD法进行开挖，超前支护采用φ75和φ127超前管棚注浆加强支护，开挖采用人工手持风钻眼、周边眼采取光面爆破。采用非电毫秒雷管、电雷管击发的爆破网络。初期支护采用I22a型钢钢架、间距0．6米、拱部采用φ25中空注浆锚杆、边墙采用Φ22砂浆锚杆。出碴采用小型装载机装碴，5t自卸汽车出碴，喷射砼采用湿喷机湿喷施工。在涵洞内及入口端搭设栈桥，防止地面坍塌时影响行人通行;涵洞采用I14型钢钢架和5cm厚木板加固后才能开挖涵洞下方的隧道。

2．1．1 隧道内超前中、大管棚施工

(1)管棚工作室的施工

①工作室设计与施工。工作室设置于每轮导向段前地段，根据钻机作业及管棚安装需要，工作室设计长度为8m，工作室断面较待开挖断面的设计轮廓线扩大45cm。当施工工作室段时，用1．2m的过渡段将拱顶提高45cm，采用I22a的工字钢进行支撑。

②导向架制作及导向管定位。为了保证导向管的安装精度，导向架由两榀型钢拱架组成，导向架沿线路方向的长为1．2m，用径向锚杆和纵向连接筋固定，然后在导向架上焊接固定大管棚导向管(φ150钢管)。

(2)中、大管棚施工工艺流程

图3 万家庙隧道中、大管棚施工工艺流程图

(3)钻机定位与钻孔

管棚钻孔采用管棚钻机钻孔。移动钻机至钻孔部位，调整钻机高度，钻杆方向和角度满足要求后即可开钻，钻孔采用偏心钻头，钻孔过程中密切注意钻杆角度的变化，并保证钻机不移位，在钻进过程中根据岩层的软硬程度控制钻进速度;钻孔到设计深度时退出钻杆，装管后注浆。

(4)管棚加工与安装

管棚连接采用丝扣连接，丝扣长度10cm，管棚加工前首先将管棚编号，偶数号的全部采用6m的钢管加工，奇数号的第一根采用3m钢管加工，其余全部采用6m钢管加工，保证安装后同截面接头不超出50%，管壁上钻8～16mm注浆孔。管棚孔成孔后，立即清孔，下φ127或φ75管棚，将管子送到孔底。

(5)管棚内注浆

注浆前对孔口外侧间隙采用锚固剂进行密封处理，防止浆液倒流和管棚在注浆压力作用下退出。注浆时采用注浆机进行注浆，浆液为1∶1的水泥浆。注浆要求;注浆采用压力控制，终压在1．3～2．0MPa，压力稳定时间1～5分钟。

2．1．2 隧道开挖

㈠ 开挖步序见图4《万家庙隧道下穿渝黔高速公路段开挖施工工序图》。

图4 万家庙隧道下穿渝黔高速公路段开挖施工工序图

2．2 隧道开挖方案

2．2．1 爆破设计总体方案

本爆破设计是按最不利情况，隧道围岩全为砂岩进行爆破设计。为了确保高速公路的安全，开挖采取光面爆破，减少爆破对围岩的破坏、扰动。

2．2．2 爆破设计

(1)爆破设计参数选择

①最大单响药量的计算:V=K×K/(Q1/3/R)α

式中:V—保护对象的安全振速，cm/s;本工点的保护对象是高速公路，设计要求振动限值V=2．5cm/s。

Q—最大单响药量，kg;R—爆源至保护对象距离，m;开挖线拱顶至高速公路路面R=15m。

K、α—与地形地质有关的场地系数和衰减指数，K=100，α=1．6;K/—控爆系数，取 K/=0．5。

场地系数和衰减指数要经过爆破振动监测，数据分析后得出，最大单响药量要随着爆破点与路面的距离减小而减小。

②炮孔深度L:本爆破设计的炮孔深度根据爆破部位不同进行调整，一般为0．7 ～1．9m。

③炮孔数目N:本爆破设计炮孔直径采用φ42mm，每次开挖面积约为33～53m2，单位面积钻眼数为2．5～1．5个/m2(未包括光面爆破炮孔)。

④炮孔布置:本设计为隔孔装药，保留空孔作为光面爆破导向孔和减震孔。炮孔间距为33cm，炮孔直径为42mm，能满足E值要求。设计装药集中度取最小值(q=0．15kg/m)。

⑤单孔装药量的计算。周边眼装药参数在上面已确定，其它炮孔的装药量均可按下列公式计算:q=k×a×w×L×λ(kg)

式中:q—单眼装药量(kg);k—炸药单耗(kg/m3);a—炮孔间距(m);w—炮孔爆破方向的抵抗线(m);

⑥炮孔堵塞。堵塞材料采用炮泥(砂∶粘土∶水=3∶1∶1)，堵塞长度不小于20cm，要求堵塞密实，不能有空隙或间断。

⑦爆破器材的选择。采用乳化炸药，周边炮孔采用φ25mm小药卷，其它炮孔采用φ32mm标准药卷;采用非电毫秒雷管;周边炮孔间隔装药，采用导爆索传爆。

⑧装药结构。使用导爆索传爆，掏槽眼和底板眼采用反向起爆，周边眼采用间断不偶合装药形式。

(2)爆破设计附图

由于先开挖侧的爆破设计难度相对较大，后跟进部分的开挖方法与先开挖侧类似，故只以先开挖侧壁导坑作为示例进行爆破设计，见图5《万家庙隧道下穿渝黔高速公路段Ⅴ级围岩侧壁导坑上部、下部炮孔布置图》。

图5 万家庙隧道下穿渝黔高速公路段Ⅴ级围岩侧壁导坑上部、下部炮孔布置图

下穿段围岩全为Ⅴ级，衬砌采用复合衬砌。型钢钢架采用I22a，间距为60cm;除D2K63+330～+380段使用φ127超前大管棚外，其余段落的超前支护均使用φ75超前中管棚;拱部使用φ25、长400cm中空注浆锚杆，边墙采用Φ22、长400cm的砂浆锚杆。锚杆呈梅花型布置，布设间距120(环向)×100cm(纵向);导坑侧壁型钢钢架用I18加工，间距60cm。超前支护采用Φ22、长350cm的水平锚杆。钢架的定位锚杆为Φ22、长200cm。锁脚锚杆采用Φ22、长400cm的砂浆锚杆。

①型钢钢架制作与安装。型钢钢架按1∶1比例进行实地放样。设置型钢钢架加工平台，根据设计线形制作加工模具，现场冷弯加工。加工好的各个单元放在样台上试拼;隧道各导坑每循环开挖后，首先检查开挖断面净空，合格后对新开挖面进行初喷砼，其后再安装型钢钢架。型钢钢架与隧道中心线垂直，连接要做到上、下端螺栓孔对齐。各分部型钢钢架拼装完并检查无误后，焊接纵向连接钢筋。

②锚杆。a．中空注浆压力根据设计参数和注浆机性能确定，水灰比参考值为0．45～0．5。当注浆达到强度后进行喷射砼施工。b．导坑临时支护侧钢架范围打设Ф22，长200cm的定位锚杆。

③钢筋网片。钢筋网片为φ8，孔眼间距为20×20cm。钢筋网片在加工场地内统一焊接成合适大小尺寸成片半成品，现场安装保证其足够搭接宽度，尾端焊接在锚杆外露头上。

④喷射砼。喷砼施工采用湿喷工艺，工艺流程为先送风，后打开速凝剂，然后开始进料。根据受喷面部位和岩面光滑潮湿情况，适当调节风压和速凝剂掺量，以尽量减少回弹量。喷射砼材料要求、拌制要求、作业要求等均应满足设计及验标要求。

2．3 公路涵洞预加固

由于公路涵洞是浆砌块石，基础沉降容易破坏涵洞，从而致公路路堤垮塌，在隧道开挖至涵洞下方前，按涵洞的内净空尺寸用工字钢冷弯成型钢钢架，间距50cm。钢架的纵向连接用 Φ22钢筋。型钢钢架与涵洞内弧之间用木楔和木板楔紧，横撑上满铺木板成栈桥作为人员通行的道路，加固方式见图6《万家庙隧道下穿渝黔高速公路涵洞预加固方式图》。

图6 万家庙隧道下穿渝黔高速公路涵洞预加固方式图

2．4 监控量测

隧道下穿渝黔高速公路，渝黔高速公路的交通量非常大，公路路面处埋深为15米。埋深最浅位于D2K63+360处，只有4．5米，对应渝黔高速公路的里程为YQK0+218．388。此处有一座1-3米的石拱涵，兼作排水及公路左侧居民的交通涵，特别要注意公路路面及涵洞处的地表沉降监测。

2．4．1 监控量测项目

监控量测项目包括洞内观测和洞外观测:(1)洞内观测:水平相对净空变化值的量测;拱顶下沉量测。(2)洞外观测:地表下沉量测、在公路的填方边坡、路肩、路面及中间隔离带立缘石作沉降、位移观测。

2．4．2 量测断面的间距和量测频率

(1)每个工作面都应进行监控量测，必要时还要进行地质描述。对初期支护要进行喷射混凝土、锚杆、钢架等的状况描述。

(2)净空变形量测断面的间距要根据围岩级别进行确定。各级围岩:Ⅴ、Ⅳ级围岩的量测断面间距分别为:5m、10m。拱顶下沉量测与净空水平收敛量测应在同一断面内进行，见表2《顶下沉及周边收敛量测频率表》。

表2 拱顶下沉及周边收敛量测频率表

(3)地表下沉量测的测点与净空水平收敛及拱顶下沉量测的测点布置在同一断面内，沿隧道中线，地表下沉量测断面的间距按表3《地表下沉量测断面间距表》采用:

表3 地表下沉量测断面间距表

进行横断面方向地表下沉量测测点的间距取2～5m，在同一量测断面内取7～11个测点。地表下沉的量测频率和拱顶下沉及净空水平收敛的量测频率相同。

2．4．3 测点设置及量测工具

周边位移量测以水平相对净空变化值的量测为主，水平净空变化量测线的布置根据施工方法、地质条件、量测断面所在位置，隧道埋置深度等条件确定。拱顶下沉量的位置在每一断面布1～3点。测点的安装能保证在开挖后12小时内和在下一循环开挖前测到初次读数。坑道周边收敛计选球铰弹簧式或重锤式，拱顶下沉量测采用水平仪、水准尺和挂钩钢尺等，或者采用激光隧道断面监测仪进行量测。

2．4．4 量测数据的处理与应用

(1)根据现场量测数据绘制水平相对净空变化，拱顶下沉时态曲线，净空水平收敛、拱顶下沉与距开挖工作面的关系图等。

(2)根据量测结果及《铁路隧道监控量测技术规程》的规定，按表4《变形管理等级》指导施工。

表4 变形管理等级

注:其中U为实测值，U0为最大允许位移值，即控制值。

对监测数据进行分析，当监测数据有不断增大的趋势、支护结构变形过大或出现明显的受力裂缝且不断发展或时态曲线长时间没有变缓趋势时，应立即报告，暂停施工，并采取措施进行处理后方可复工。

2．4．5 控制爆破振动监测

本隧道进行隧道微振动爆破时，在公路上合适的位置设置振动观测点，并进行施工全过程的爆破振动监测。爆破振动监测测点布置在高速公路的路肩上，爆破振动速度控制值为2．5cm/s，共布置2对测点。

2．5 渝黔高速公路的交通组织方案

2．5．1 公路破坏的情况分析

由于铁路隧道开挖及支护是循序渐进的，如果发现高速公路地表沉降及洞内观测数据异常，立即停止开挖并分析监测数据，找准原因后及时加固初期支护或经业主、设计、监理审批后加强初期护。最不利的情况下，由于铁路隧道开挖对高速公路的破坏有两种形式:一是路面少量下陷;二是部分路面坍塌。

项目部必须严格遵循管超前、先加固、后开挖、弱爆破、强支护、快成环、严防水、勤测量、二衬紧跟的原则进行施工，才不会造成高速公路双向四车道全部坍塌断道的结果。

2．5．2 高速公路的交通组织

高速公路在施工期间的交通组织分为四个阶段:

第一阶段:2014年4月10日至6月25日(76天)，取消K1048+350～+650段重庆到贵阳方向的应急车道，将然后将车道划分为两个车道，封闭行车道，超车道正常通行;第二阶段:2014年6月26日至9月9日(76天)，封闭K1048+350～+650段重庆到贵阳方向超车道，行车道正常通行;第三阶段:2014年9月10日至11月24日(76天)，取消K1048+350～+650段上行线贵阳到重庆方向的应急车道，将然后将车道划分为两个车道，封闭超车道，行车道正常通行;第四阶段:2014年11月25日至2015年2月8日(76天)，封闭K1048+350～+650段是占用贵阳到重庆方向的行车道，超车道正常通行。

2．5．3 施工前期的准备工作

(1)在进入占道施工段前2km、1km、500m设置“前方占道施工、道路变窄”等警示标志。(2)为了确保高速公路上行车的安全，在与下穿段对应的高速公路上设置强制减速带、限速标志、警示标志，将开挖面前后250m范围内的车辆行驶速度限制在40km/h以下。(3)在开挖影响范围以的重庆和贵阳两端将中间隔离带拆除40米并用混凝土硬化，然后安装可拆卸的钢管隔离栅栏。(4)用弹性立柱作为能行区和封闭区域隔离，做好各种施工标志牌的维护，按照批准后的方案作好应急物资准备。

3 专项应急预案

3．1 安全分析

万家庙隧道下穿渝黔高速公路开挖范围主要地层为Ⅴ级泥岩夹砂层，稳定性较差，且该段埋深浅，很容易引起小范围的坍塌，若不及时加以控制将造成大的坍塌事故，从而导致高速公路的路面下陷甚至是坍塌。且埋深较浅，爆破振动影响较大，在爆破的振动影响下，造成高速公路的路面损坏、边沟破裂等。在施工过程中必须严格按照施工方案施工，加强洞内、外监控量测，及时反馈，保证高速公路运营安全和施工安全。

3．2 发生紧急情况时的交通疏导方案

一旦发现路面被损坏，立即启动应急预案。按照预案通知高速公路的管理单位，并安装各种警示标志。按公路的损坏情况作出相应的处置，处置措施见表5《公路路面破坏分类及应对措施》。

表5 公路路面破坏分类及应对措施

序号 破坏种类 应对措施images/BZ_193_206_2472_289_2554.png拆除中间隔离带栅栏，封闭损坏的车道，改路，待隧道稳定后再恢复路面。路面塌陷images/BZ_193_206_2554_289_2672.png封闭贵阳方向和重庆方向images/BZ_193_206_2672_289_2755.png贵阳方向的车道全部的超车道均被破坏重庆方向的车道全部封闭5路堤边坡失稳重庆方向车道封闭 拆除中间隔离带栅栏，封闭损坏的车道，改路，尽快恢复车道。

4 结束语

该段隧道开挖严格按照施工方案实施并严密监测，目前施工进展顺利，已于2014年11月20日提前完成了下穿段的开挖及支护;由于开挖时采用控制爆破，合理用药，控制爆破规模，保证了爆破时路面质点振动速率不大于2．5cm/s，未对对洞内围岩和高速公路运营造成任何影响，成功消除了该项目管理的一个重大风险源，成为重庆地区第一个高速铁路成功下穿既有运营高速公路的一个样板试验工点，为今后类似工程施工提供了较好借鉴。

［1］D2K64+090万家庙隧道设计图及相应的参考图册．

［2］渝黔铁路YQZQ-4标段施工组织设计．

［3］《铁路隧道工程施工安全技术规程》TB10304-2009/J947-2009．

［4］《铁路隧道监控量测技术规程》TB10121-2007．

［5］《铁路隧道超前地质预报技术指南》铁建设［2008］105号．

［6］《铁路隧道工程施工技术指南》TZ204-2008．

［7］《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10417-2003/J287-2004．