浅埋暗挖隧道下穿既有重载铁路安全技术研究

温志成，付建聪，马占亚

(1. 北京铁路局计划统计处，北京100860；2. 北京铁路局石家庄工务段，河北 石家庄050000)

职业健康与安全

浅埋暗挖隧道下穿既有重载铁路安全技术研究

温志成1，付建聪2，马占亚1

(1. 北京铁路局计划统计处，北京100860；2. 北京铁路局石家庄工务段，河北 石家庄050000)

山区重载铁路在地形受限、地质条件复杂等不利条件下实施铁路平交道口改立交工程，浅埋暗挖隧道不失为一种可行的方式。本文就石太线下安道口改立交工程的实践，着重阐述山区重载铁路复杂条件下实施浅埋暗挖隧道，确保行车和施工安全所采取的方法及技术措施，对其他类似工程具有一定的借鉴和指导意义。

铁路工程；浅埋暗挖隧道；复杂条件；安全技术

1 工程概况

井陉县下安村位于石太上行线的北侧，村南紧邻石太上行正线。下安道口位于石太线头泉站-上安站间K27+688处(为跨越石太上下行正线的无人看守道口，与平交道口连接的道路均利用既有石太铁路路基)，石太线自下安道口往石家庄方向因避让山体而上、下行线路分置，进入小半径曲线(曲线半径R=500m，坡度i=0.6‰)。在石太上行正线有1处孔径1.5m泄洪拱涵，其上游侧位于两线与山体围成的三角形狭窄地块中间，下游侧紧邻下安村，并与下安村的主要道路相连。

结合现场地形地貌，本工程决定选址在石太上行线既有泄洪涵洞处，采用浅埋暗挖隧道方式通过石太上行正线[1]，在实现平交道口改立交功能的同时，拆除石太上行侧既有泄洪拱涵，新建隧道兼具泄洪和通行两大功能。石太下行线相对位置的左侧局部地势平坦低洼，具备预制框架桥条件，因此设计为顶进1-4.0m下穿石太下行线的闭合框架桥。下安道口改立交现场平面布置图见图1。

图1 下安道口改立交现场平面布置图

2 工程设计情况

隧道设计中心位置位于石太上行线K27+172处，隧道中心线与既有泄洪拱涵中心线重合，与铁路中心线交角为60.6°。暗挖隧道长35.5m，穿越石太上行线位置的拱部埋深约为4.6m，施工场地设于铁路线路南侧的两线之间的狭窄空地上。隧道平面布置图见图2，单位cm。

新建隧道设计采用复合式衬砌结构形式，初期支护位C25喷射混凝土、格栅钢架及钢筋网组成的综合防护体系[2]，隧道二衬混凝土采用C40防水钢筋混凝土，抗渗指数不小于P8。隧道初期支护和二衬之间设400g/m2无纺布和1.5mm厚EVA防水板。初期支护厚度0.3cm，二次衬砌拱墙厚度均为0.45m，底板设置为带仰拱的结构形式，底板中心处厚度为0.89m。暗挖段及明挖段隧道间各设置一道变形缝，变形缝防水构造为：背贴式橡胶止水带+中埋式橡胶止水带+嵌缝胶，变形缝空隙采用填缝料填塞密实。

图2 隧道总平面布置图

3 工程特点和施工难点

本工程除具有一般隧道施作应有的特点[3]外，还具有以下特点：

3.1 石太铁路自身特点

石太线为国家Ⅰ级干线电气化铁路，是晋煤外运的重要通道，也是我局运输收入的主要来源，因此，保证施工期间的运输生产安全至关重要。

3.2 工程地质特点

受石太线修建当时条件的限制，既有拱涵两侧填方路基均为开挖山体移挖作填形成，填料为不规则石块，粉质粘土作为填充，路基结构较为松散。

3.3 工程地形地貌特点和施工难点

工程选址在石太上行侧既有泄洪拱涵处，施工所需材料设备、隧道开挖后弃渣的临时存放、大管棚施作的工作井等均集中在两线与山体围成的三角形狭窄地块中间，且材料设备等进出场均需跨线运输，无论是场地的长度还是宽度，都制约着工程实施的安全和进度。

4 安全和技术措施

针对本工程特点和难点，经认真分析比选，决定采取如下安全和技术措施，以保证施工安全和行车安全。

4.1 “四电”的迁改防护

路基高填方地段，通信及信号光(电)缆一般位于铁路两侧的路肩部位。为防止路基下沉影响光(电)缆正常使用，在隧道施作前，先行将光(电)缆从路肩上的电缆沟临时挑出吊挂防护，挑出长度应满足光(电)缆吊挂要求。光(电)缆吊挂体系各处高度：支架及钢丝承力索高度应控制在行车线钢轨面以下；需要吊挂的光(电)缆，其高度以不影响线路加固为宜。

位于施工影响范围内(可能受路基下沉影响的范围)的接触网支柱、通信漏缆电杆等，通过调整(或适当加密)支柱或电杆的档距等方式迁移至施工影响范围之外。光(电)缆吊挂防护示意图见图3。

4.2 路基注浆加固

地质勘察资料揭示，新建隧道处路基为修建石太上行线时开挖山体移挖作填形成，填料为不规则石块，粉质粘土作为填充。为确保隧道施工时铁路路基的稳定，隧道施工前，需对隧道开挖轮廓范围内的路基本体进行注浆加固处理[4]。

图3 光(电)缆吊挂防护示意图

路基注浆加固范围为隧道边墙外各10m范围，铁路线路中心两侧路基宽度范围，注浆深度宜控制在路基顶面2.0m以下。注浆采用直径Φ42mm普通无缝钢花管，采用垂直、辐射状(外插角控制在8～10°)钻孔注浆方式。各排导管沿线路方向梅花形布置，间距1.5m。注浆浆液为水泥-水玻璃双浆液，其体积比为：1∶0.6 ～ 1∶0.8，注浆压力宜控制在0.5～1.0MPa(可根据现场情况做适当调整)。注浆结束标准：注浆压力稳步提升至设计压力(保压10min)且注浆量达到设计值得80%以上时，可结束注浆。路基注浆加固范围示意图见图4，单位cm。

图4 路基注浆加固范围示意图

4.3 路基边坡防护

本处路基属于高填方，路基填高约为7.5m，填料为开挖山体后移挖作填的不规则石块，粉质粘土作为填充，这种路基填筑模式导致路基自稳性较差。其中隧道明挖段和出入口的施工，基坑开挖造成局部路基形成临空面，一旦坍塌，势必危及行车安全。

根据设计的隧道明挖段及出入口侵入路基的形状，结合隧道位置的地质和地形条件，在其外围靠路基一侧设置直径1.25m的人工挖孔桩(按嵌岩桩设计，嵌岩深度不小于2.0m)，间距1.6m，桩顶设置1.0m厚冠梁以增加整体性，进行路基防护和基坑围护。其布置图详见图1。

4.4 纵挑横抬法加固线路

为了防止隧道施作过程中线路下沉影响行车安全，在浅埋暗挖隧道正式开挖前，对位于隧道上方的线路应进行线路加固。

线路加固采用3-5-3扣轨+纵挑横抬的工字钢组成。扣轨用钢轨采用50kg/m的旧钢轨；纵挑梁采用双置的I45b工字钢；横抬梁采用I40b工字钢，平均间距0.9m；线路加固总长度为30m。纵梁两端各设置2根直径1.25m的人工挖孔桩(单根桩长设计为12.0m，按嵌岩桩设计；桩顶设置冠梁以增加整体性)作为硬支点(图5中枕木垛所示位置)，考虑到运输行车对施工安全的影响，挖孔桩中心距离石太上行线中心设定为4.0m。纵挑横抬法线路加固示意图见图5，单位cm。

挖孔桩施作前，应先进行路基注浆，挖孔桩开挖应利用维修“天窗点”进行，桩孔每次开挖进尺控制在1.0m以内，并及时施作钢筋混凝土护壁。

4.5 施作超前大管棚

大管棚超前支护是进行浅埋暗挖隧道施工常用的一种预支护形式。结合隧道处的地质情况，本工程设计超前大管棚作为隧道施作过程中确保行车安全的措施。

超前大管棚呈拱门状布设，单根长35.5m，其中定位管3根，为直径Φ426mm、壁厚14mm钢管；其他管打设46根，为直径Φ325mm、壁厚14mm钢管，共计打设49根，各管之间采用互锁相联。施作完毕应及时进行管道注浆，使钢管与混凝土形成钢管混凝土梁，以改善隧道开挖时临空面管棚钢管的受力状况。超前大管棚布置图见图6。

图5 纵挑横抬法线路加固示意图

图6 超前大管棚布置图

大管棚施做优选气动潜孔锤水平钻进跟管工法，其优点为：气动潜孔锤钻进过程中，对周围土体有一定挤密作用；钻头钻进的同时大管棚钢管及时跟进，能有效防止钻孔坍塌引起的卡钻、路基下沉等质量事故；螺旋钻杆回转出渣能显著提高作业效率。

气动潜孔锤水平钻进跟管工法原理是：压缩空气通过钻杆进入潜孔锤，使潜孔锤内活塞产生往复运动，对钻头产生冲击作用，实现冲击钻进，同时回转钻杆出渣。在钻进的同时顶进工作站顶进管道，实现跟管钻进。潜孔锤在孔中实现冲击并破碎岩体，破碎下来的岩屑通过螺旋钻杆排出。气动潜孔锤水平钻进跟管工法工作流程图见图7。

图7 气动潜孔锤水平钻进跟管工法工作流程图

所有管棚钢管施作完成后，应及时在出露端焊接混凝土灌注管，同时在对侧安设排气管。使用专用压浆机向钢管内压入微膨胀的细石混凝土，直到排气孔有稳定的浆液流出，封堵排气孔并稳压10min后结束注浆。

4.6 既有泄洪拱涵拆除

石太上行线K27+172处既有孔径1.5m泄洪拱涵，该涵拱部为厚度0.5m的混凝土拱圈，边墙及基础为厚度0.5～1.5m不等的浆砌料石。本次设计浅埋暗挖隧道中线与涵洞中线重合，隧道开挖必须同时拆除既有拱涵。

因既有拱涵有较小的孔径，开挖断面较大(总宽6.0m，总高7.34m)，上台阶开挖施工时，保留既有泄洪拱涵作为上台阶初期支护时的预留核心土使用。下台阶开挖时，再利用带破碎锤的小型挖掘机械予以分段拆除。上台阶预留核心土示意图见图8。

图8 上台阶预留核心土示意图

4.7 既有线施工防护

落实既有线施工安全措施，首先必须做好既有线施工安全防护工作。

对于跨线运送施工机具、物料等作业，应在距离作业地点两端500～1 000m处列车运行方向左侧路肩设置作业标。施工前必须在临近车站的行车室设置驻站联络员，以便办理施工登记手续，向施工负责人传达调度命令；及时掌握列车运行信息，将信息及时传递给现场防护员。施工现场防护员在接到车站传来的信息后，应及时通知施工负责人组织现场作业人员停止作业、下道避车。

对于路基注浆、线路加固等需要列车慢行(速度45km/h以下)的施工，除按上述方式设置驻站联络员外，还应按下图所示设置现场防护。其中，施工地点两侧各20m设置现场防护员，距离施工地点两侧各800m设置显示停车手信号的防护人员(白天红旗、晚上红灯，以便出现紧急情况时及时拦停列车)。单线区间施工防护设立示意图见图 9，单位m。图中A根据线路速度等级，石太线按1400m设置。

图9 单线区间施工防护设立示意图

无论采用何种防护形式，驻站联络员、现场防护员和显示停车手信号的防护人员之间必须有可靠的通讯联系(一般为大功率手持机等通讯设备)。一旦联系中断，应立即通知施工负责人停止施工，恢复铁路线路到准许放行列车的条件[5]。

4.8 监控量测

监控量测是浅埋暗挖隧道施作中一个重要的环节。本工程除了一般隧道开挖时必须量测的常规项目，如隧道净空收敛、拱顶下沉、地面下沉、隧道底部隆起等项目外，监控重点为路基及轨道结构的状态变化。

测点在路基两侧与轨道上、下股钢轨轨底处均匀布置，监测范围为隧道两侧各15m。现场通过精密水准仪进行测量，测量频率为每开挖一次安排一次测量。测点布置示意图见图10。

图10 测点布置示意图

本工程采取了路基注浆加固、隧道开挖前大管棚支护、3-5-3扣轨+带硬支点的纵挑横抬加固线路等诸多确保行车安全的措施，行车安全得到了有效保证。现场监测结果显示，各项指标均满足设计要求和现行《铁路线路修理规则》[6]相关要求。

5 结语

目前，石太线下安平交道口改立交工程已按计划实施完成，顺利实现了立交通行的功能，工程取得了预期效果。

纵观整个工程实施全过程，设计方案阶段就应该做好安全超前预想，树立“安全第一”的理念，并把这个理念贯穿于整个设计、施工的方方面面，环环相扣，不留死角。在本工程中，路基注浆解决了路基结构物填料松散的问题；超前大管棚解决了暗挖隧道开挖时的超前支护问题；3-5-3扣轨+纵挑横抬加固线路(加硬支点)解决了铁路线路局部不均匀下沉的问题；监控量测又对以上三项措施的实施效果进行了充分验证。在此基础上，“四电”的迁改防护措施及既有涵拆除均按既定方案执行，施工安全防护为确保施工期间的人身安全提供了有力的支持。

在地形受限、地质条件复杂的山区重载铁路复杂条件下，实施平交道口改立交的工程，在充分考虑行车安全的前提下，浅埋暗挖隧道是比较好的实现立交方式之一，但由于其对行车安全的要求较高，一定程度上推高了工程造价。目前，未实施平交道口改立交通行的处所大多集中在条件非常复杂的区域，如何选择既能保证行车安全又能降低工程造价的立交实现方式，如何权衡安全和造价，是下一步需要重点研究的方向。

[1] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社,2004.

[2] 崔玖江.隧道与地下工程修建技术[M].北京：科学出版社.2005.

[3] 刘永浩.谈浅埋暗挖隧道施工技术[J].山西建筑，2013，39(2):192-195.

[4] 周刘刚,王海祥.浅埋暗挖地铁车站管棚加交叉小导管超前注浆预加固施工技术[J].铁道勘察，2007，4:94-96.

[5] 中国铁路总公司.铁路技术管理规程(普速铁路部分)[S].北京:中国铁道出版社.2014.

[6] 铁道部.铁路线路修理规则[S].北京:中国铁道出版社.2010.

Safety Technique Research on Shallow Excavation Tunnel Beneath the Existing Heavy Duty Railway

WEN Zhicheng1，FU Jiancong2， MA Zhanya1

(1.PlanningandStatisticsDepartmentofBeijingRailwayBureau,Beijing100860,China；2.ShijiazhuangPublicWorksSectionofBeijingRailwayBureau,Shijiazhuang050000,China)

Shallow tunnel excavation is a feasible way for heavy duty railway construction in mountain area with limited topography and complex geological conditions.Taking the XiaAn level of Shijiazhuang-Taiyuan railway project as a case, the shallow tunnel excavation method in mountain area is clarified in this article. Several measures are proposed to ensure traffic safety and construction safety.It has certain reference and guiding significance for other similar projects.

railway engineering； shallow tunnel excavation； complex conditions； safety technology

2016-09-21；

2016-09-26

温志成(1971—)，男，山西寿阳人，高级工程师，长期从事铁路建设项目更新改造工程及其相关的安全工作。

2095-1671(2016)05-0245-06

U215.8

B