哈大鐵路客運(yùn)專線鞍山隧道工程設(shè)計(jì)

葉少敏，馬志富

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 工程概況

鞍山隧道位于遼寧省鞍山市寧遠(yuǎn)鎮(zhèn)，是為滿足有關(guān)方要求而設(shè)的鉆入地下的隧道，全長(zhǎng)2 440 m，為雙線隧道。隧道內(nèi)線路最大埋深20.5 m(軌面至地面)，最大覆土厚度10.5 m。隧道位于沖積平原區(qū)，地形平坦、開闊。進(jìn)口段基本為耕地，有零散的房屋及溫棚;出口段分布較多的房屋，尤其在鞍騰路兩側(cè)較為密集。隧道多處通過高、低壓供電線路和油管以及其他管線。

由于地理?xiàng)l件的特殊性，本隧道施工工法采用以明挖為主，下穿鐵路專用線采用暗挖的方案。其中共1 890 m采用放坡明挖，中部基坑較深460 m段采用鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)明挖，下鉆鐵路專用線段共50 m采用暗挖法施工，隧道兩端與路基“U”形槽封閉結(jié)構(gòu)(帶雨棚)相接。見圖1。

圖1 鞍山隧道縱斷面示意

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

2.1 自然地理

隧道區(qū)域?qū)贉貛В瑵駶?rùn)～半濕潤(rùn)的季風(fēng)氣候，冬季長(zhǎng)寒冷，夏季短促溫暖，雨量集中在7～8月份，春秋多風(fēng)。按對(duì)鐵路工程影響的氣候分區(qū)，隧道區(qū)屬于寒冷地區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季酷熱少雨，屬典型的溫帶大陸性氣候。

2.2 地形地貌

本隧道進(jìn)口位于筆管堡的耕地中，地形平坦;出口位于寧遠(yuǎn)鎮(zhèn)小臺(tái)子村，周圍多為建筑物，地面情況較復(fù)雜。

2.3 工程地質(zhì)條件

隧道區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)黏性土、砂類土、碎石類土;第四系上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)黏性土、砂類土、碎石類土;寒武系石灰?guī)r。局部表覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)。隧道圍巖分為Ⅴ～Ⅵ。

2.4 水文地質(zhì)條件

鞍山地區(qū)在天然條件下，總的地下水補(bǔ)、徑、排特點(diǎn)是:在水平方向上，淺層水和深層水由北向南形成補(bǔ)給，在垂向上，下伏含水巖組接受上覆含水巖組的滲透補(bǔ)給。地下水類型主要為第四系孔隙潛水，賦存于第四系松散堆積層;基巖裂隙水賦存于碳酸鹽巖溶裂隙中。地下水位較高。根據(jù)取樣試驗(yàn)分析，該段地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)化學(xué)侵蝕性。

3 隧道建筑限界及斷面內(nèi)輪廓

隧道建筑限界采用《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)［2007］47號(hào))客運(yùn)專線鐵路建筑限界。

隧道在下穿鞍騰路段因線路高程與道路路面高程的限制，為了滿足隧道凈空面積要求，隧道內(nèi)輪廓在標(biāo)準(zhǔn)斷面基礎(chǔ)上進(jìn)行了局部修改，見圖2。

4 隧道施工方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 鞍山隧道立交明洞斷面內(nèi)輪廓(單位:cm)

本隧道位于沖積平原區(qū)，地形平坦、開闊，鑒于隧道內(nèi)線路最大埋深20.5 m，基坑最大開挖深度約22.8 m，本隧道施工工法采用以明挖為主，下穿鐵路專用線采用暗挖的方案。

開挖施工前必須進(jìn)行基坑降水，降水的目標(biāo)為地下水降到基坑底面以下0.5～1 m。降水采用管井降水，井徑采用φ705 mm管井，縱向井間距為8 m，降水井兼做降壓井，降水井的參數(shù)及降水井的深度可在施工中根據(jù)降水試驗(yàn)及實(shí)際地層進(jìn)行調(diào)整。

4.1 放坡開挖段

隧道共1 930 m采用放坡明挖。其中既有鞍騰路下方的段落和隧道結(jié)構(gòu)露出地面的段落，采用微拱直墻帶仰拱框架明洞結(jié)構(gòu)，其余明挖段落采用曲墻帶仰拱明洞結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 放坡開挖段斷面

放坡開挖段基坑深度在21.5～3.2 m，采用單級(jí)或多級(jí)放坡方式，單坡最大高度為8 m，坡間設(shè)置2 m平臺(tái)，放坡坡率為1∶1.5，基坑深度在8 m以下且能保證安全時(shí)放坡坡率可采用1∶1.25。

在平臺(tái)或坡腳位置設(shè)置降水井，當(dāng)基坑深度≤16 m時(shí)設(shè)置2排降水井，當(dāng)基坑深度＞16 m時(shí)設(shè)置4排降水井，縱向間距8 m。

4.2 鉆孔灌注樁圍護(hù)段

隧道改DK285+340～改DK285+800段共460 m為明挖順做施工，基坑開挖寬度36.9～88.3 m，深度20.6～24 m。基坑采用鉆孔灌注樁圍護(hù)支護(hù)，隧道采用邊墻內(nèi)曲外直的帶仰拱明洞結(jié)構(gòu)，見圖4。

(4)選擇適宜的鉆孔設(shè)備，按規(guī)范要求施作鋼筋混凝土灌注樁及冠梁。

(5)分層開挖基坑土方，及時(shí)架設(shè)支撐系統(tǒng)。坑內(nèi)設(shè)排水溝和集水井，及時(shí)排出基坑內(nèi)。

(6)基坑開挖至距坑底30 cm時(shí)，采用人工開挖，對(duì)坑底進(jìn)行找平。對(duì)坑壁滲水處進(jìn)行封堵處理，噴射C20早強(qiáng)混凝土并用砂漿找平樁壁。

(7)施作混凝土墊層、防水層、主體結(jié)構(gòu)。

(8)基坑回填、恢復(fù)路面。

4.3 暗挖段

隧道在改DK284+994.8下穿鐵路專用線，專用線與線路中線交角為62°，為了專用線的安全運(yùn)營(yíng)，改DK284+970～改DK285+020段共50 m采用暗挖施工，采用復(fù)合式襯砌，結(jié)構(gòu)形式為曲墻帶仰拱。

暗挖與放坡開挖銜接處采用鉆孔灌注樁圍護(hù)保護(hù)專用線路基坡腳。為了控制隧道施工期間地面尤其是鐵路專用線

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 200 mm@1 400 mm鉆孔樁+鋼支撐體系，冠梁頂設(shè)置5 m寬平臺(tái)，以上部分土體采用1∶1.5放坡開挖，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)(至冠梁頂)26.3～31 m，主筋凈保護(hù)層厚度為70 mm。鉆孔灌注樁段槽內(nèi)土體開挖采用自上而下分層開挖、分層鋼管支撐的方式，明洞結(jié)構(gòu)采用自下而上分段灌注。圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐體系由鋼圍檁+橫撐，橫撐采用φ600 mm鋼管，壁厚t=12、16 mm，水平間距為3 m(局部2 m)，鋼圍檁采用2I45b型鋼。基坑降水采用坑外降水，雙側(cè)布置降水井，縱向間距8 m，降水井埋設(shè)深度為H+4 m(H為基坑深度)。

鉆孔灌注樁圍護(hù)段與放坡明挖段的銜接處，采用鉆孔灌注樁堵頭，并采用鋼筋混凝土腰梁+預(yù)應(yīng)力錨索作為支撐體系，錨索采用3股7φ11.1、15.2 mm的鋼絞線，錨索鉆孔孔徑φ150 mm，并應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的變形、受力監(jiān)測(cè)情況調(diào)整實(shí)施，見圖5。

其中本段在改DK285+500線路中線右側(cè)約80 m處有一變電站，為確保施工期間電站的安全，在改DK285+420～改DK285+610段沿電站周圍施做雙排φ600 mm@400 mm垂直旋噴樁止水，樁長(zhǎng)20～5 m，防止因降水導(dǎo)致地面沉降，從而影響建筑物的安全。

本段主要施工步驟:

(1)調(diào)查地下管線，平整場(chǎng)地，做好施工準(zhǔn)備。

(2)施工降水井點(diǎn)，進(jìn)行降水。

圖5 放坡開挖段與圍護(hù)段銜接平面示意

(3)開挖基坑至冠梁頂高程，并按1∶1.5放坡。的沉降，隧道開挖輪廓外最大跨以上采用φ300 mm(t=10 mm)超前管幕保護(hù)，最大跨以下邊墻采用密排超前小導(dǎo)管注漿加固地層，見圖6。

為減小正面樁背土體的土壓力，最大跨以上襯砌輪廓外土體采用旋噴樁加固，縱向長(zhǎng)度10 m。

暗挖段開挖方式采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，為了控制隧道施工期間地面尤其是鐵路專用線的沉降，隧道內(nèi)開挖正面采用φ50 mm玻璃纖維注漿錨桿加固。施工期間采用洞外降水方式，降水井布設(shè)在隧道兩側(cè)距離開挖輪廓不小于2 m處，縱向間距8 m。

5 防排水設(shè)計(jì)

5.1 防排水原則

確定結(jié)構(gòu)自防水為根本，同時(shí)加強(qiáng)施工縫、變形縫等細(xì)部結(jié)構(gòu)的防水措施，以防為主，多道防線，綜合治理的原則。隧道結(jié)構(gòu)防水等級(jí)為一級(jí)，主體結(jié)構(gòu)的抗?jié)B等級(jí)為P12。

圖6 暗挖段進(jìn)洞處橫斷面(單位:mm)

5.2 主體防水措施

全隧道襯砌均采用全包式防水，明挖隧道防水層采用2 mm厚自粘式防水層，暗挖隧道采用2 mm厚防水板加400 g/m2無(wú)紡布防水。

5.3 施工縫、變形縫防水

襯砌施工縫采用橡膠止水帶防水，地層明顯變化處、結(jié)構(gòu)形式變化處和明暗分界處設(shè)置變形縫，變形縫采用中埋鋼邊橡膠止水帶加背貼式橡膠止水帶防水。為了加強(qiáng)施工縫防水措施，施工縫內(nèi)預(yù)埋可維護(hù)注漿管，以期在施工縫滲漏水時(shí)進(jìn)行襯砌內(nèi)注漿堵漏。

5.4 隧道洞身排水

洞內(nèi)設(shè)雙側(cè)水溝與中心深埋排水管排水。隧道內(nèi)為“Ⅴ”形坡，在隧道內(nèi)變坡點(diǎn)處設(shè)集水坑，采用機(jī)械方式將水排出洞外。隧道進(jìn)出口洞外路基采用雨棚防水，雨棚在隧道口環(huán)節(jié)襯砌上設(shè)堵頭板，防止雨水直接降到洞口線路上。

6 隧道保護(hù)設(shè)計(jì)

隧道施工完畢后，結(jié)構(gòu)頂?shù)陀谠孛娴囟危┕せ靥钊炕謴?fù)到原地表，隧道兩端結(jié)構(gòu)高出原地表段，結(jié)構(gòu)頂覆蓋一定厚度的土，兩側(cè)進(jìn)行坡狀回填，對(duì)回填土表面采用植草綠化。

隧道保護(hù)設(shè)計(jì)分2個(gè)區(qū)域，Ⅰ區(qū)為封閉區(qū)，Ⅱ區(qū)為開放區(qū)。Ⅰ區(qū)結(jié)構(gòu)高出地表或埋深較淺僅考慮現(xiàn)有的規(guī)劃道路及既有道路可以通過本區(qū);Ⅱ區(qū)埋深較深為恢復(fù)原地表區(qū)，可以通行、種植，但限制在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行其他土建工程建設(shè)，必須實(shí)施時(shí)須與鐵路產(chǎn)權(quán)部門溝通，并采取隧道保護(hù)措施后方可實(shí)施。保護(hù)區(qū)內(nèi)不容許在恢復(fù)的地表上增加永久的堆載。Ⅰ區(qū)保護(hù)點(diǎn)沿隧道縱向約100 m設(shè)1處，采用鐵路用地標(biāo)志牌方式，必要時(shí)設(shè)置防護(hù)網(wǎng)。保護(hù)設(shè)計(jì)平面布置見圖7。

圖7 鞍山隧道保護(hù)設(shè)計(jì)平面示意(單位:m)

7 隧道設(shè)計(jì)施工遇到的問題及思考

(1)鞍山隧道長(zhǎng)段落為明洞結(jié)構(gòu)且基底處于砂、土類地層，承載力遠(yuǎn)低于一般山嶺隧道，可以說(shuō)鞍山隧道是在類似地鐵區(qū)間修建的高鐵隧道。而高速鐵路無(wú)砟軌道鋪設(shè)對(duì)隧道基礎(chǔ)沉降要求非常高，鞍山隧道主體完成后經(jīng)過多個(gè)沉降觀測(cè)期后沉降才趨于穩(wěn)定，因此鞍山隧道的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)以后修建同類型高鐵隧道有指導(dǎo)意義。

(2)鞍山隧道采用了一些新材料、新工藝，特別是明洞部分采用的自粘性防水卷材，自粘防水卷材由于具有皮膚式防水的理念，具有很多優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用前景很廣的新型防水材料。但對(duì)施工工藝、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求較高，一開始發(fā)現(xiàn)貼好的防水板第二天便脫落，后找廠家專業(yè)隊(duì)伍鋪設(shè)情況才有所好轉(zhuǎn)。自粘式防水卷材在山嶺隧道長(zhǎng)段落明洞中應(yīng)用較少，應(yīng)用的時(shí)間也不長(zhǎng)，今后設(shè)計(jì)施工中需要結(jié)合工程類型和特點(diǎn)進(jìn)行考慮，采取一些變通措施來(lái)適應(yīng)特定的工程環(huán)境，達(dá)到理想的防水效果。

8 結(jié)語(yǔ)

鞍山隧道設(shè)計(jì)按照高標(biāo)準(zhǔn)、高起點(diǎn)進(jìn)行，積極采用了一些新技術(shù)、新材料，對(duì)多種不利地質(zhì)因素及難點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)及研究，鞍山隧道的成功建設(shè)為今后我們?cè)诔鞘袇^(qū)域修建高速鐵路隧道積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

［1］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.哈大客運(yùn)專線鞍山隧道施工圖文件［Z］.天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2007.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.