铁路隧道近距离下穿在建公路隧道的施工控制技术

李胜义

(中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016)

1 引言

随着我国土木工程建设的快速发展，不可避免地会遇到近距离下穿既有或在建隧道情况。如果后建隧道工程施工方法不当，对已建成的隧道将会产生较大影响，甚至诱发不可估量的重大损失。正在修建的回龙湾隧道位于重庆市巴南区一品镇与界石镇内，正洞起讫里程DK19+460～DK23+810，全长4 350 m，为客货共线双线隧道；其中，隧道洞身DK23+480～DK23+580段下穿在建龙洲湾2号公路隧道，轨面与路面高差约17 m，下方拱顶与上方公路隧道仰拱净岩层厚约8 m。结合以往工程经验，下方隧道施工对上方隧道会有较大影响。基于上述状况，需对下穿在建隧道施工技术进行探索，如王建功等[1]使用Midas-GTS软件模拟隧道下穿车站，提出了洞内150 mm超前大管棚加固、洞外地表垂直袖阀管注浆加固的综合整治方案；朱永全等[2]提出在分析下穿问题时，应考虑流固耦合；李术才等[3]提出应对爆破方法进行改良，以降低对上方在建隧道的影响。综上，目前对于下穿隧道的研究多注重于地层加固、爆破降振等方面，在施工工法上介绍较少。

因此近距离下穿隧道的隧道必须对预加固、开挖和支护方法与参数等技术进行深入研究，以保证工程顺利完工。

2 两座隧道工程条件分析

2.1 回龙湾隧道地质条件分析

隧道最大埋深约196 m，一般埋深50～100 m。隧道洞身穿越地层为侏罗系中下统自流井组(J1-2Z)、珍珠冲组(J1Z)的泥岩、砂岩和三叠系上统须家河组(T3xj)砂岩夹页岩；根据钻孔及声波测井揭示:隧道区岩层整体较完整、局部泥岩、页岩段较破碎；围岩级别以Ⅲ、Ⅳ级为主，局部为Ⅴ级。洞身围岩左侧偏压，隧道出水形式以滴水、小股状出水为主，局部可能呈片状、股状涌出。

基于地质条件分析，认为在局部裂隙水发育地带，软化的围岩可能出现明显的围岩变形，特别是下穿在建公路隧道时，安全风险极大。

2.2 两座隧道空间结构展布及安全影响分析

(1)两座隧道空间结构展布

为充分了解上下两座隧道的空间关系，进一步探测相互影响程度，先分析两座隧道空间结构展布关系，回龙湾隧道洞身DK23+480～DK23+580段下穿在建龙洲湾2号公路隧道，轨面与路面高差约17 m，下方拱顶与上方公路隧道仰拱净岩层厚约8 m。具体见图1，下方为回龙湾隧道，上方为龙洲湾2号隧道，平面夹角为71°。

(2)安全影响分析

由于下穿在建龙洲湾2#隧道的拱顶与上方公路仰拱底净岩层厚度仅约8 m，加上地下水发育、砂岩节理发育以及洞身左侧顺层偏压，隧道具有突泥突水和坍塌的高度风险，从而对上方公路隧道造成极大安全隐患。

图1 空间结构展布

3 穿越施工总体方案与风险控制原则确定

结合以往经验[4-7]，穿越施工总体方案与风险控制原则主要包括以下几个方面:

(1)开挖方法的选择

根据软岩地层的地质岩性、风化程度、隧道埋深、断面等特征，开挖工法可选择采用台阶法加临时横撑、台阶法加临时仰拱工法，并根据监控量测可适当调整预留变形量。

(2)超前支护、初期支护及二衬措施

①通过软岩地层、偏压段时，根据围岩自稳能力、岩体结构及风化程度选择超前支护措施，可采用超前大管棚、超前中管棚以及超前小导管等超前预支护措施。

②初期支护措施。初期支护必须紧跟掌子面，并严格确保喷射混凝土厚度及总体强度达标。同时结合监控量测结果，及时调整锚杆长度及打设位置、钢架间距等支护参数，以确保支护结构安全和围岩稳定。

③仰拱、二次衬砌适度紧跟。除严格遵照铁总“十条红线”规定外，还应尽可能缩短台阶长度，确保仰拱、二衬紧跟，及时封闭成环；其中，二衬施工时机应结合围岩变形及监控量测情况综合分析。

4 下穿洞段施工方法与步序

结合两座隧道工程条件分析，参考前述的施工总体方案与风险控制原则，基于隧道工程理论[8-11]，确定下穿洞段的施工方法与步序。

4.1 超前加固方法

超前加固方法有超前小导管、大管棚和T76S自进式超前支护管棚等三种方法，但须根据工程实际选用，在此仅对后两种较为特殊的支护形式进行说明。

(1)大管棚布设及结构

在DK23+480～DK23+580段隧道的拱部161°范围内设置φ159 mm的大管棚，壁厚8 mm，每根长50 m，环向间距0.4 m，每25 m一环，搭接长度为5 m，每环46根，共计施工2环。159 mm大管棚结构见图2。

图2 大管棚结构

图2中的159 mm大管棚主要施工参数为:梅花形布置注浆孔，其直径10～16 mm左右，各注浆孔之间距离约15～20 cm。注浆即将完成时，孔口部位留止浆段约1 m。另外，钢筋笼每1 m间距用5 cm长的42 mm钢管作为固定环并连接，钢管壁厚3.5 mm。

(2)T76S自进式超前支护技术

T76S超前支护为自进式超前支护，由高强度全螺纹厚壁钢管、高传能连接套、钻头三部分组成。其中:高强度全螺纹厚壁钢管壁厚15 mm，连接套为97×220 mm规格，与厚壁钢管等强度；钻头为T76/D115/EXX。

在二衬外侧部位采用T76S自进式超前钻进、注浆支护，在复杂地层可采用水泥浆护壁钻进，高效率完成施工。

此外，施作钻机工作室必须拱顶挑高要适当，掌子面开挖轮廓线起向后6 m范围，拱部管棚施作范围调高40 cm，环向锚喷钢筋混凝土(钢筋网片100 cm×100 cm，φ12 mm)厚度10 cm、掌子面素喷10 cm厚的混凝土保护，具体见图3。

图3 T76S管棚工作空间

4.2 下穿洞段开挖方法及工序

铁路隧道下穿上方公路隧道交叉段的开挖方法见图4和图5。

图4 三台阶法开挖工法断面

图5 三台阶法施工工序(单位：m)

第一步:首先采用超前管棚和小导管进行预加固，待达到强度要求后再开挖①部分。

第二步:开挖①部后施作该部分的初期支护。具体顺序为:喷4 cm厚混凝土、挂网、立钢架并锁脚锚杆，最后施作钢板支撑。

第三步:进行初期支护I施工。步序为:打径向锚杆、复喷混凝土到设计厚度，视具体情况施作20临时钢架III。根据监测反馈喷射15 cm混凝土并封闭、设置临时横撑或适当补充注浆。

第四步:人工配合机械开挖②部。要注意，进尺为1～2榀钢架间距并滞后①部3～5 m距离。

第五步:开挖②部后，对其进行及时初期支护。具体为:初喷4 cm厚混凝土、挂网、采用20型钢立钢架、施作锚杆并补喷，最后施作临时仰拱。

第六步:完成②部开挖与初期支护后，滞后4～6 m距离并按每循环进尺1.5 m开挖③部。为方便施作钢架，在滞后4～6 m开挖两侧边墙(④部)。

第七步:④部其余仰拱部分施工。按每循环进尺小于3 m进行开挖，快速完成初期支护并封闭，距离工作面应小于35 m。

第八步:在围岩稳定及待初期支护收敛安全后，再进行②部临时仰拱拆除。

第九步:剩余Ⅳ和Ⅴ部仰拱施作，完成后须及时用混凝土填充。

第十步:Ⅵ部二次衬砌施作，距离工作面须小于90 m。

4.3 初期支护具体参数与施作方法

初期支护主要包括锚杆、钢筋网和钢架，其具体参数要求较为严格，其施工标准也较高。

(1)锚杆

锚杆施作包括拱部和非拱部两个部分，其中拱部160°范围采用φ22组合中空锚杆，边墙采用φ22砂浆锚杆，两种类型锚杆参数均为长3.5 m且间距1.2 m×1.0 m(环×纵)，锚杆钻进、安装后进行注浆。

(2)钢筋网

用HPB300级钢筋除锈、去油污加工成钢筋网，网格规格0.2 m×0.2 m，网片大小为0.8 m×1.2 m。紧随混凝土初喷面敷设，搭接长度必须大于1～2个网格。

(3)钢架

为抑制拱顶下沉，将初期支护20b型钢钢架增强替换为22b型钢钢架，施工间距0.8 m；并在钢架接头位置设置纵向工字钢代替连接筋。现场钢架连接见图6。

图6 钢架现场连接

5 施工效果分析

为充分了解隧道下穿高速公路洞段的施工安全情况，在洞内每5 m布设一个监测断面。开挖阶段监测频率1次/d，变形速率加大时，则加密监测频次(日变形速率安全值为5 mm/d)。以里程DK22+945的监测数据为例分析施工措施效果，其拱顶及拱腰的位移监测数据及趋势见图7。

图7 拱顶及拱腰位移监测数据

根据上述位移变化曲线可以看出，在里程为DK22+945处的拱顶位移稳定在5.9 mm左右，回归方程为y＝2.25log(x+1)-1.98，相关系数r＝0.88，预测7 d后的位移累计值为y＝6.86 mm，数据属于正常范围，说明施工措施合理有效。

在里程为DK22+945处的拱腰位移稳定在5.8 mm左右，回归方程为:y＝2.11 log(x+1)-1.80，相关系数r＝0.9，预测7 d后的累计值为y＝6.79 mm，数据属于正常范围，说明施工措施合理有效。

6 结束语

(1)近距离下穿隧道特别是下穿在建隧道时，不可避免地会对上方隧道造成较大影响，因此必须对下方隧道预加固、开挖和支护方法等技术进行深入研究，才能保证工程安全。

(2)监测结果表明，依据对两座隧道工程条件特别是空间展布分析确定的穿越施工总体方案、大管棚和T76S自进式超前支护管棚参数、开挖方法与步序、初期支护方法，能够较好地控制围岩变形，可以保证铁路隧道和近距离的上方公路隧道围岩稳定和结构安全。

(3)由于地质条件和空间条件较为复杂，提出的开挖方法、支护方法等还需在后续施工中进一步修正。