浅谈地铁矿山法暗挖隧道下穿既有铁路保护技术措施

陈 昊（上海地铁咨询监理科技有限公司， 上海 200032）

0 引 言

近年来，随着国内轨道交通建设的快速发展，越来越多的工程常常因下穿或跨越铁路（与产权单位沟通协调、方案评审、成本控制等）而造成工期较大延误，也有较多工程在穿越施工过程中出现安全事故，既造成现场人员伤亡和财产损失，又对铁路及城市交通产生严重影响。从目前来看，在保证工期、节约投资、确保安全的前提下，最大限度地加快推进下穿铁路的各方面工作，无疑给各参建方尤其是建设单位带来了巨大的挑战。为此，笔者通过以下案例介绍，抛砖引玉，为其他地铁参建方提供一些参考和借鉴。

1 工程概况

贵州省贵阳市轨道交通 1 号线长江路站—清水江路站区间矿山法暗挖隧道全长 769.3 m，位于贵阳市小河区，线路出长江路站后，先后下穿居民民房片区、居民楼房、浦江路后，下穿南西联络铁路线浦江路框架桥，后沿浦江路下前行，接明挖区间隧道。

矿山法暗挖隧道线路由北向南下穿南西联络铁路线，区间隧道与铁路平面交角约 43°。该段区间隧道为双洞单线隧道，下穿南西联络铁路线段涉及右线计 50 m、左线计 50 m，其中右线下穿铁路路基、左线下穿铁路框架桥。区间隧道下穿铁路段地层均为中风化泥岩。所下穿的南西联络线浦江路框架桥结构为矩形两箱涵洞形式，基于中风化泥岩层之上，路基为填方路堤结构。

2 水文地质情况

下穿铁路段隧道穿越地层为中风化泥岩，隧顶主要为强风化泥岩，厚 5 m～7 m。隧道内地下水类型主要为基岩裂隙水和第四系松散含水层孔隙水两大类。基岩裂隙水赋存于碎屑岩组的风化、构造裂隙中，以强风化层的风化裂隙为相对主要的贮存空间；含水层为侏罗系自流井群 J1-2Z 的泥岩，属潜水～上层滞水，主要来源于大气降雨补给，水量小，季节性特征明显，径流范围小，就近排泄于附近的低洼地带。第四系松散含水层孔隙水主要分布于第四系覆盖层的孔隙、裂隙中，属上层滞水，水位、水量具明显的季节性特征，丰枯季差异大，分布范围小，富水性弱，一般埋深 0.5 m～7.0 m。

3 施工总体思路

下穿铁路区间采用大拱脚＋核心土＋台阶法组织人工机械开挖施工。隧道采用复合式衬砌，超前支护采用 L50 mФ159 大管棚＋L3.5 mФ42 跟踪超前支护，大管棚环向间距 0.35 m，超前小导管环纵向间距 0.35 m×2.4 m。穿越范围内采用钢架＋喷射混凝土支护形式。初期支护采用 I20b 型钢钢拱架，间距 0.4 m，喷射 28 cm 厚 C25 早强混凝土，拱墙采用 Ф25 中空注浆锚杆，环纵向 1.0 m× 1.0 m 梅花形布置。初支封闭成环 2 m 后对封闭掌子面进行回填注浆。初支施工完成后，进行二次衬砌施工。二次衬砌采用 50 cm 厚 C35 防水混凝土，其抗渗等级为 P10，采用液压模板台车进行施工。二衬施工完成后，采用强度高、流动性好的微膨水泥砂浆进行回填注浆，保证初期支护与二衬之间密实。区间隧道左线和右线初期支护不能同时施工，错开距离不小于 50 m，先施工右线隧道。施工过程中做好沉降监测，制定应急预案并快速反应。右线下穿段施工完成，监控量测数据稳定后方可进行区间左线初支施工，务必将施工对铁路运营的影响降至最低。

4 下穿工程施工重难点

4.1 无水施工

根据地勘结果，下穿区段地下水分布不连续，未形成稳定水位，不考虑地面采取降水处理。同时，地勘资料显示，在地质岩层交接发生变化的底层，有可能形成水囊或溶洞，故在考虑掌子面疏干排水的情况下，如何保证原有强风化、中风化围岩既有应力的不改变，掌子面无水作业，是本区间施工控制的重难点。

4.2 既有铁路及框架桥结构沉降不超标

确保穿越引起的既有铁路及框架桥结构沉降不超标难度大。一方面，区间隧道与既有铁路相距近，拱顶距框架桥基底净距为 8.5 m，左右线净距 3 m；另一方面，框架桥平顶直墙结构本身的受力特点不利于施工期间控制结构本身的沉降变形，且地铁线路斜穿框架桥及填方路基结构，同时穿越刚性结构和柔性结构，极易引起铁路线的不均匀沉降、轨道变形和位移。此外，变形控制要求高，要求将轨面沉降控制在 6 mm 之内，相邻两股钢轨水平高差不得超过 6 mm，相邻两股钢轨三角坑不得超过 6 mm，前后高低（纵向水平）在 6 mm 以内。受地质条件的限制，无法实施洞外加固措施，设计按照加强洞内加固、少扰动的控制思路，更增加了施工控制的难度。

4.3 防水质量

防水效果的好坏关系到工程的成败，但本工程的防水质量控制难度较大。下穿段隧道采用马蹄形断面形式，二次衬砌分幅进行，仰拱与矮边墙两侧均设有纵向水平施工缝。此外，小断面隧道内防水层操作环境条件差、作业空间狭窄、施工干扰较大。

4.4 超前管棚支护及初支背后密实度

下穿段设计方案为 L50 mФ159×10＋L3.5 mФ42×4 跟踪小导管、水泥浆注浆超前支护形式，以及 I20b 型钢钢架 28 cm 厚 C25 早强喷射混凝土初期支护。施工过程中确保超前支护有效，初期支护与周边围岩有效密贴，是下穿工程的关键，也是施工管控重点。

5 施工措施及监理控制

5.1 洞内措施

5.1.1 超前支护

采用 Φ159×10 大管棚注浆＋Φ42 的跟踪注浆小导管，大管棚长度为 50 m，大管棚施作采用跟管钻进技术，以防止因管棚钻孔引起变形。大管棚在下穿铁路前施作，在管棚的防护下进行隧道开挖。管棚导管上钻注浆孔，孔径为 10 mm～16 mm，注浆孔纵向间距 20 cm，呈梅花形布置，尾部留不小于 150 cm 的不钻孔的止浆段。大管棚注浆采用注浆压力和注浆量双控标准（浆液的扩散半径一般为 0.6 m～0.8 m），注浆浆液采用水泥浆，水灰比 W∶C=0.38∶1，当地下水较发育或浆液扩散范围较大时，注浆浆液应改为水泥-水玻璃双液浆，注浆压力为 0.5 MPa～1.0 MPa。为提高导管的抗弯能力，导管内设置钢筋笼，钢筋笼由四根主筋和固定环组成，主筋直径为 18 mm，钢筋笼内采用砂浆填充，固定环采用短管节，将其与主筋焊接，按照 1 m 间距设置。

超前大管棚施工完成后，对大管棚进行密实度施工质量检测验收，密实度达到 97% 以上后方可进行下道工序施工，如不满足要求，该部位大管棚支护重新加固处理，直到达到要求方可。初期支护工字钢后易形成空洞，为此，每榀工字钢后全环安装 Ф50 软管，在喷射混凝土完成后进行回填注浆，确保初期支护后方密实。确保超前管棚支护及初支背后密实度达到要求，注浆过程中监理全程旁站。

跟踪超前小导管采用 Ф42 直径无缝热轧钢管制成，壁厚 4.0 mm，长 3.5 m，在前部钻注浆孔，孔径为 6 mm～ 8 mm，孔间距 20 cm，呈梅花形布置，前段加工成锥形，尾部长度不小于 100 cm，作为不钻孔的止浆段，环向间距 0.35 mm，纵向间距 2.4 mm，拱部小导管外插角 5°～7°、边墙小导管外插角 10°～20°；注浆浆液采用水泥浆，水灰比 W∶C=0.38∶1，注浆压力为 0.5 MPa～1.0 MPa。监理严格控制浆液配比及质量情况。

5.1.2 初支喷混凝土

采用 28 cm 厚 C25 早强湿喷混凝土，全环设置；掌子面采用 Ф22 纤维锚杆，长度 6 m，间距 1.0 m×1.0 m，梅花形布置。

5.1.3 系统锚杆

在拱部采用 Ф25 中空注浆锚杆径向支护，管长 3.0 m；边墙采用 Ф22 砂浆锚杆，管长 3.0 m；锚杆间距 1.0 m×1.0 m，梅花形布置，尾部紧贴钢架并同钢架牢固连接。

5.1.4 钢筋网

采用 Ф6 钢筋，构成 10 cm×10 cm 网格，双层全环双层设置；钢筋网应与钢架及锚杆尾端连接牢固。

5.1.5 加强支护

采用 I20b 型钢钢架，全环设置，纵向间距 0.4 m/榀。

5.1.6 二次衬砌

采用 50 cm 厚 C35 防水钢筋混凝土，其抗渗等级为 P10，环向主筋配筋为 Φ20@200，纵向分布钢筋为 Φ12@250，箍筋为 Φ8@200，仰供填充采用 C20 混凝土。

5.1.7 正洞防水

隧道外侧布置土工布，封闭满铺树脂类高分子防水板；施工缝涂刷水泥基结晶渗透型防水涂料。

5.1.8 补偿注浆

初期支护施工时在拱墙范围内预埋 Ф42 钢花管作注浆管，壁厚 4.0 mm，长 0.8 m，注浆管间距 1.0 m×1.0 m，梅花形布置，初支封闭成环 1～2 榀后，立即对初支背后压注水泥砂浆，避免背后有孔洞，封闭成环 2 m 后再次对初支背后二次注浆填充，初支背后注浆后需对注浆密实度进行检测，密实度应达到 85% 以上，确保初支背后无空隙方可进一步施工，有效控制工后沉降；开挖后地下水出漏较多地段、初支及回填注浆后仍有渗漏水地段向衬砌背后更深层围岩进行注浆，以确保初支表面干燥、无渗漏水，达到施作防水及二衬自防水混凝土浇筑的无水条件。二次衬砌在拱顶每隔 3 m～5 m 预留注浆孔，待衬砌混凝土达到设计强度后及时压浆，确保衬砌密实，水泥砂浆强度不低于二衬混凝土强度等级。

5.1.9 施工工法

下穿铁路段及影响段采用大拱脚台阶法，人工、机械开挖施工，按照“一步一回头、初期支护及时封闭成环”分上下两台阶；上台阶开挖长度为 5 m，上台阶开挖后及时施作初期支护及临时横撑，下台阶（含拱底）开挖后，应及时闭合初期支护，下台阶跟进所有初期支护全环封闭后再施工上台阶的原则，严格按照设计图纸上台阶每循环开挖支护进尺按照 1 榀钢架间距，边墙每循环开挖支护进尺不大于 2 榀钢架间距，仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆，每循环开挖支护进尺不得大于 3 m；隧道开挖后初期支护应及时施作并封闭成环，钢架成环 2～3 榀后，立即进行初支背后注浆。

洞身开挖、初期支护、二衬衬砌采用交替进行，逐段推进的施工工序。当初期支护达到一个二衬循环长度时，须停止掌子面开挖，及时浇筑二次衬砌且待混凝土达到设计强度的 80%后，方可进行下衬砌循环开挖，在此期间开挖掌子面喷射混凝土锚杆封闭掌子面。二次衬砌循环长度 控制在 6.0 m （台车长度 6 m），以确保既有铁路基础安全。

严格控制施工工序为：上台阶（大拱脚）开挖支护→下台阶开挖支护→仰拱开挖支护（初期支护封闭成环）→二衬仰拱施工→隧道正洞二衬施工→下一循环至下穿完成。

5.2 洞外措施

（1）在穿越南西铁路结构施工中，保证铁路的正常运营，对既有铁路结构的路基坡脚沉降、位移监测，轨道水平间距监测，轨道沉降、位移观测，线路沉降、位移观测以及框架涵洞基础沉降、位移监测，接触网立柱（2 根）沉降倾斜监测；监理要求施工单位编制专项监测方案并编制相应监理实施细则，专业监理工程师每天巡视 2～3 次并结合每日监测数据分析判断施工是否安全可控。

（2）要求施工单位聘请铁路局工务段专家及地铁行业专家亲临现场，进行安全技术指导。

（3）委托铁路部门认可的监测单位，执行第三方监测并制定专项监测方案，铁路部门批准后实施；加强对下穿影响段既有铁路的监测。

6 效果分析

由于该下穿铁路保护安全风险较大，业主、监理、施工单位及监测单位都高度重视，各项措施都落实到位，历时 241 天完成该段左右双线隧道大管棚施工、土方开挖、初支、防水及二衬主体结构施工（左右线各约 50 m）。整个施工过程中，轨面累计沉降量 4 mm（标准不得超过 6 mm）；相邻两股钢轨水平高差累计 3 mm（标准不得超过 6 mm）；相邻两股钢轨三角坑累计 3 mm（标准不得超过 6 mm；前后高低（纵向水平）累计 4 mm（标准不得超过 6 mm）；无任何安全、质量事故发生，得到业主、铁路产权单位及当地行政监管部门的一致好评。

7 结 语

针对需要保护的既有运营中铁路路基及框架桥涵，根据中风化泥岩地层中矿山法暗挖隧道施工工艺特点，形成洞内重点控制措施和洞外监控结合的综合管理手段，得到良好的控制结果，以期为后续类似项目提供参考与借鉴。