铁路隧道下穿高速公路施工技术

朱胥仁

摘  要：根据新奥法理论，隧道支护体系分为3个部分，即围岩、初期支护、二次衬砌，各分部起到的具体作用各不相同。文章以下坂隧道下穿沈海高速公路浅埋段的设计支护参数为基础，结合施工过程实践经验，探讨分析了支护体系各部分作用，从而为后续类似工程的设计、施工提供借鉴。

关键词：下穿浅埋段;支护体系;围岩;初期支护;二次衬砌

中图分类号：U455        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）29-0141-04

Abstract： According to the New Austrian Tunneling Method （NATM） theory， the tunnel support system is divided into three parts， namely， surrounding rock， initial support and secondary lining， each of which plays a different role. Based on the design support parameters of the shallow buried section of Shenhai Expressway under the Osaka Tunnel， and from the practical experience in the construction process， this paper discusses and analyzes the functions of each part of the support system， so as to provide reference for the design and construction of similar projects in the future.

Keywords： underpass shallow buried section; support system; surrounding rock; initial support; secondary lining

1 工程概況

1.1 概况

下坂隧道位于福建省宁德市蕉城区漳湾镇下坂村附近。设置为单线隧道，建筑长度2149m，隧道长度2144m，在SDK388+375～SDK388+413段下穿沈海复线高速公路共38m，交叉点高速公路设计桩号为DK10+273.442，道路宽度33.5m，隧道拱顶距离路面垂直距离约15m。交叉段采用地表注浆加固处理，作业平台采用C30钢筋混凝土厚60cm，顶面在高速公路路面以下77cm处。

隧道通过为剥蚀丘陵区，地形呈波状起伏，地势平缓～较陡峭，自然坡度约为10～45°，相对高差最大约为30～100m，植被发育，局部极发育，多辟果树、灌木、蕨类、高禾杂草等，交通不便。隧址区出露的地层岩性主要为第四系残坡积土层（Qel+dl）、碎石土（Qel+dl）、燕山早期第二次侵入（ηrb5（2）3）中粗粒二长花岗岩。

1.2 下穿高速公路段情况简述

隧道距在建沈海高速2*40米分离式桥桥台距离29.8米。施工工法为三台阶临时仰拱法，隧道洞身采用Ⅴc复合型衬砌，全段超前支护采用φ89mm长管棚，环向间距40cm;初期支护为单层喷射混凝土，厚25cm，采用I18工字钢架加强支护，钢架间距60cm/榀;二次衬砌采用C35钢筋混凝土，厚度50cm。沈海高速计划2016年10月1日通车，需确保通车前完成下穿段二次衬砌，时间紧、任务重。隧道下穿沈海高速公路的位置关系见图1、图2。

另外，与其他隧道下穿高速公路实例不同的是，本隧道是与在建高速公路交叉，为确保施工过程顺利进行，在下穿高速公路40m范围内采用地表注浆，横向加固范围为隧道中线两侧各15m，竖向加固范围为深入基岩弱风化层以下1m。采取φ42小导管进行注浆，间距1.0m×1.0m。注浆加固前，先于高速公路路面下开挖工作平台，并施作60cm厚C30钢筋混凝土板作为止浆盘。图3为隧道与高速公路路面及地表注浆的关系立面图。

洞身开挖上部分为全风化花岗岩，中间部分为强风化花岗岩，下部为中风化花岗岩。隧道掘进至下穿段前应提前完成地表注浆，确保浅埋段洞顶围岩的稳定。

2 施工风险分析

隧道下穿高速公路处埋深较浅，隧道结构顶至高速公路路面的距离仅有15m，且地质条件较差，该处为第四系残坡积粉质黏土及二长花岗岩，全风化，节理裂隙发育。而且根据施工时间要求，下穿在建高速公路时，重型施工车辆会产生不均匀荷载。另外，隧道下穿高速公路段平行既有温福铁路只有90m，爆破作业需采用微震控制爆破技术，爆破振动速度不得超过5cm/s，施工进度慢，隧道施工时不确定因素多，因此施工风险极大。

3 参数的拟定

3.1 影响因素

本隧道在SDK388+375～+413处下穿沈海高速公路，隧道距在建沈海高速2*40米分离式桥桥台距离29.8米，且平行既有温福铁路下坂隧道，施工环境极为复杂。隧道爆破施工考虑到既有温福铁路下坂隧道已通车，且既有铁路年代久远、距离又近，属于临近既有线施工。根据《爆破安全规程》（GB6722-2011），为避免爆破施工对既有温福铁路下坂隧道结构及行车造成影响，以及沈海高速路面施工的影响，必须执行“短进尺、弱爆破、强支护、衬砌紧跟”的施工原则，加强超前支护及初期支护，其中弱爆破是指采用微振控制爆破。

3.2 设计参数

下坂隧道SDK388+375～SDK388+413段主要设计参数如表1。

下穿沈海复线高速公路，长度38米。该段为Ⅴc复合型衬砌。全段超前支护采用φ89mm长管棚，环向间距40cm。初期支护采用25cm厚C25喷射混凝土，使用I18工字钢架加强支护，钢架每榀间距为60cm。二次衬砌采用50cm厚 C35钢筋混凝土。

4 支护体系受力分析

4.1 施工概述

根据支护体系不同作用，施工顺序安排为：高速公路路基基层地表注浆→高速公路路面下设置60cm厚的钢筋砼板进行加强→长管棚施工→洞身开挖→施工初支→拆除临时仰拱→二次衬砌。

初期支护在实际施工过程中存在一些不可控的情况，例如，由于二衬砌台车或材料没有及时施工到位，导致二次衬砌浇注滞后;由于春节放假、劳资矛盾、村民阻工导致工地停工等，实际施工过程中，初期支护在一些情况下需要长时间承担所有荷载。

4.2 支護体系的作用分析

4.2.1 围岩加强分析

（1）设计地质为丘坡表层为第四系残坡积Qel+dl粉质黏土，黄褐色，硬塑，厚约2～6m;下面为花岗岩，黄褐色～灰褐色，浅肉红色，全～弱风化，其中全风化揭示层厚13～35m不等，局部球状风化显著，弱风化岩体岩质坚硬，地下水较发育，主要为赋存于全～弱风化花岗岩中孔隙潜水，基岩裂隙水。根据设计及地质预报结果显示，该段围岩较破碎，稳定性差。

为确保下穿时隧道上方围岩的稳定，采用地表注浆，并施做30m×40m（横向×纵向）60cm厚钢筋砼板进行加强。

（2）通过实践证明，围岩作为支护体系的客观存在部分，是可以通过人工干预改变的，能够使得地表车载附加力由原先的局部荷载转变为均匀荷载，有效改善隧道受力环境，降低安全风险，如图4。

4.2.2 隧道支护分析

（1）隧道超前长管棚支护

a.超前长管棚支护对于地质条件较差、浅埋偏压、地表附加荷载段施工，工艺技术成熟可靠，且技术经济性能非常好。

b.隧道超前长管棚作用包括四个方面：第一，在隧道内部形成围绕隧洞轮廓的壳状结构，称之为梁拱效应;第二，施工管棚后会进行注浆作业，浆液能够改善软弱围岩的力学性能，提高隧道围岩的承受能力;第三，管棚的孔槽能够吸收爆破造成的冲击波及气体，缓解爆破作业对围岩造成的破坏;第四，大管棚的支护刚度较大，因此如果发生塌方时，管棚能够对塌渣起到缓冲支撑作用。

c.隧道原设计采用10mφ8

9管棚，环向间距40cm，每环长度6m，且环与环之间的搭接不能小于3m。为充分发挥上述第一、第四项作用，经设计变更为φ108洞身长管棚，钢管长度45m横跨整个38m下穿高速公路段。变更后增加洞内管棚洞室，调整管棚外插角，并调整了注浆量，一次性完成管棚施工，节约了施工时间。管棚超前支护作用也发挥的更加充分，施工掘进过程也更加安全。

（2）初期支护

初期支护是隧道进洞后的一道最关键的工序，初期支护对隧道的后期施工作业安全质量起到决定性的作用，也是决定隧道施工进度快慢的关键因素。在施工过程中，初期支护的工序往往都占有较大的时间比重，从而有效的提高掘进的工作效率，提高隧道整体施工进度。

a.下坂隧道SDK388+375～SDK388+413段衬砌为Ⅴc复合型衬砌类型，初期支护为单层喷射混凝土，厚25cm，采用I18工字钢架加强支护，钢架间距60cm/榀。临时仰拱采用I18工字钢进行支护，喷射混凝土厚度为18cm。支护断面如图5所示。

根据洞内以及地表监控量测沉降数据分析，进入下穿段初期沉降速率较大，为确保掘进安全，φ50锁脚钢管由原设计每处2根，增加为每处4根（双排锁脚），钢管长度及直径不变。锁脚钢管增加后量测数据，特别是拱顶沉降速率显著变缓，并趋于稳定，累计沉降值明显减小。

b.根据工程设计及实践得出以下几点结论：第一，原设计支护参数及施工工法是可行的，为充分发挥各支护体系作用，对超前支护、锁脚钢管进行了调整。调整后更能使用于工程实例中的全风化浅埋下穿段，是成功的。第二，从实践中监控量测数据分析，设计无系统锚杆是可行的，增加了锁脚钢管，初期支护的结构变形在允许范围内。实践证明用钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚钢管+纵向连接筋组成的初期支护结构是合理可行的。第三，隧道在全风化层掘进锁脚钢管受力较大，锁脚钢管+钢架受力效果明显。

（3）二衬衬砌

二次衬砌作为安全储备。在施工过程中未承担来自围岩的压力，也未承担来自高速公路路面的动荷载。而确定二次衬砌的荷载分担量，可以假定年长日久初期支护失效或变相增加部分荷载，那么二次衬砌的设计应不小于100%的外荷载。所以设计采用50cm厚C35钢筋混凝土，是安全可靠的。

5 结束语

铁路下穿高速公路的工程实例较多，但像下坂隧道这种公路未开通，地表周围有结构物的情况较少，根据现场施工情况来看，高速公路的地表沉降控制较好，洞内未出现塌方、掉块;微振控制爆破时不影响高速路面施工，且临近既有线隧道内爆破振动速度控制在5cm/s以内。目前高速公路已开通两年，未出现地表沉降、开裂等，说明变更设计后的施工方案及设计参数是成功的。

体会及经验归纳如下：（1）新奥法施工理论中，把隧道支护体系分为围岩、初期支护、二次衬砌三部分，是合理的，也符合各部分受力结构、受力体系的安全计算需要。（2）围岩作为第一道防卫支护体系，应根据地质情况，进行加强，把松散的围岩通过注浆，固结形成整体结构，可起到支撑荷载的作用。（3）初期支护作为进洞后最重要的一道工序，应根据不同的围岩地质特性进行调整，以便更有效的与围岩形成整体防卫体系。

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