渝黔鐵路萬家廟隧道下穿渝黔高速公路施工技術探析

■程思軍 ■中鐵二局股份有限公司，四川 成都 610032

新建渝黔高速鐵路西起重慶市，東止貴州省遵義市，是我國高速鐵路網規劃中的一條重要的戰略要道，初步規劃為國標一級鐵路，全程347公里，時速為250公里。渝黔高速鐵路將與蘭渝線、貴廣線連接，可縮短重慶與貴陽的距離，提高鐵路網線的輸送能力，是我國西南地區又一條快速出海大通道。重慶渝黔高速是國道主干線重慶至湛江公路在重慶境內的一段，設計行車速度80公里/小時，目前行車流量密集，需制定復雜詳細的交通疏解方案。因此能否安全、快速、高效地施工完成渝黔高速鐵路萬家廟隧道下穿渝黔高速公路段將成為該項目施工的一個關鍵難點。

1 工程概況

萬家廟隧道全長2300米，里程為D2K62+940～D2K65+240，其中D2K63+100～+420下穿渝黔高速公路路塹及路堤，交叉點的公路里程為K1048+500，鐵路隧道里程為D2K63+223，鐵路線路與公路呈小角度斜交，見圖1《渝黔鐵路下穿渝黔高速公路平面布置圖》。

高速公路路塹邊坡最高18米，路堤邊坡最高9米，下穿公路路塹段隧道的拱頂開挖線至路面15m，D2K63+360高速公路既有石拱涵(跨度3m、邊墻高2．5m、拱部半徑為1．5m)處隧道開挖線的拱頂至涵洞內水溝底埋深4．5m，高速公路存在沉降或坍塌及邊坡失穩面破壞風險，見圖2《渝黔鐵路下穿渝黔高速公路段實測橫斷面圖》。

隧區覆蓋層主要為人工填土、松軟土、粉質粘土，地層主要為泥巖夾砂巖，隧道左側存在順層偏壓;巖層地質構造不發育，巖體完整性差;孔隙水和地下水均不發育，富水性弱。

該段鐵路隧道共有六種Ⅴ級特設型復合式襯砌，初期支護采用I22a型鋼鋼架，鋼架間距60cm、φ75超前中管棚和φ127超前大管棚注漿加強支護。

圖1 渝黔鐵路下穿渝黔高速公路平面布置圖

圖2 渝黔鐵路下穿渝黔高速公路段實測橫斷面圖

2 主要施工方案

2．1 總體施工方案

根據隧道與高速公路的空間關系以及地質報告上描述的地質情況來判斷，下穿高速公路的主要風險點是隧道坍塌、公路路面沉降。因此隧道采用CRD法進行開挖，超前支護采用φ75和φ127超前管棚注漿加強支護，開挖采用人工手持風鉆眼、周邊眼采取光面爆破。采用非電毫秒雷管、電雷管擊發的爆破網絡。初期支護采用I22a型鋼鋼架、間距0．6米、拱部采用φ25中空注漿錨桿、邊墻采用Φ22砂漿錨桿。出碴采用小型裝載機裝碴，5t自卸汽車出碴，噴射砼采用濕噴機濕噴施工。在涵洞內及入口端搭設棧橋，防止地面坍塌時影響行人通行;涵洞采用I14型鋼鋼架和5cm厚木板加固后才能開挖涵洞下方的隧道。

2．1．1 隧道內超前中、大管棚施工

(1)管棚工作室的施工

①工作室設計與施工。工作室設置于每輪導向段前地段，根據鉆機作業及管棚安裝需要，工作室設計長度為8m，工作室斷面較待開挖斷面的設計輪廓線擴大45cm。當施工工作室段時，用1．2m的過渡段將拱頂提高45cm，采用I22a的工字鋼進行支撐。

②導向架制作及導向管定位。為了保證導向管的安裝精度，導向架由兩榀型鋼拱架組成，導向架沿線路方向的長為1．2m，用徑向錨桿和縱向連接筋固定，然后在導向架上焊接固定大管棚導向管(φ150鋼管)。

(2)中、大管棚施工工藝流程

圖3 萬家廟隧道中、大管棚施工工藝流程圖

(3)鉆機定位與鉆孔

管棚鉆孔采用管棚鉆機鉆孔。移動鉆機至鉆孔部位，調整鉆機高度，鉆桿方向和角度滿足要求后即可開鉆，鉆孔采用偏心鉆頭，鉆孔過程中密切注意鉆桿角度的變化，并保證鉆機不移位，在鉆進過程中根據巖層的軟硬程度控制鉆進速度;鉆孔到設計深度時退出鉆桿，裝管后注漿。

(4)管棚加工與安裝

管棚連接采用絲扣連接，絲扣長度10cm，管棚加工前首先將管棚編號，偶數號的全部采用6m的鋼管加工，奇數號的第一根采用3m鋼管加工，其余全部采用6m鋼管加工，保證安裝后同截面接頭不超出50%，管壁上鉆8～16mm注漿孔。管棚孔成孔后，立即清孔，下φ127或φ75管棚，將管子送到孔底。

(5)管棚內注漿

注漿前對孔口外側間隙采用錨固劑進行密封處理，防止漿液倒流和管棚在注漿壓力作用下退出。注漿時采用注漿機進行注漿，漿液為1∶1的水泥漿。注漿要求;注漿采用壓力控制，終壓在1．3～2．0MPa，壓力穩定時間1～5分鐘。

2．1．2 隧道開挖

㈠ 開挖步序見圖4《萬家廟隧道下穿渝黔高速公路段開挖施工工序圖》。

圖4 萬家廟隧道下穿渝黔高速公路段開挖施工工序圖

2．2 隧道開挖方案

2．2．1 爆破設計總體方案

本爆破設計是按最不利情況，隧道圍巖全為砂巖進行爆破設計。為了確保高速公路的安全，開挖采取光面爆破，減少爆破對圍巖的破壞、擾動。

2．2．2 爆破設計

(1)爆破設計參數選擇

①最大單響藥量的計算:V=K×K/(Q1/3/R)α

式中:V—保護對象的安全振速，cm/s;本工點的保護對象是高速公路，設計要求振動限值V=2．5cm/s。

Q—最大單響藥量，kg;R—爆源至保護對象距離，m;開挖線拱頂至高速公路路面R=15m。

K、α—與地形地質有關的場地系數和衰減指數，K=100，α=1．6;K/—控爆系數，取 K/=0．5。

場地系數和衰減指數要經過爆破振動監測，數據分析后得出，最大單響藥量要隨著爆破點與路面的距離減小而減小。

②炮孔深度L:本爆破設計的炮孔深度根據爆破部位不同進行調整，一般為0．7 ～1．9m。

③炮孔數目N:本爆破設計炮孔直徑采用φ42mm，每次開挖面積約為33～53m2，單位面積鉆眼數為2．5～1．5個/m2(未包括光面爆破炮孔)。

④炮孔布置:本設計為隔孔裝藥，保留空孔作為光面爆破導向孔和減震孔。炮孔間距為33cm，炮孔直徑為42mm，能滿足E值要求。設計裝藥集中度取最小值(q=0．15kg/m)。

⑤單孔裝藥量的計算。周邊眼裝藥參數在上面已確定，其它炮孔的裝藥量均可按下列公式計算:q=k×a×w×L×λ(kg)

式中:q—單眼裝藥量(kg);k—炸藥單耗(kg/m3);a—炮孔間距(m);w—炮孔爆破方向的抵抗線(m);

⑥炮孔堵塞。堵塞材料采用炮泥(砂∶粘土∶水=3∶1∶1)，堵塞長度不小于20cm，要求堵塞密實，不能有空隙或間斷。

⑦爆破器材的選擇。采用乳化炸藥，周邊炮孔采用φ25mm小藥卷，其它炮孔采用φ32mm標準藥卷;采用非電毫秒雷管;周邊炮孔間隔裝藥，采用導爆索傳爆。

⑧裝藥結構。使用導爆索傳爆，掏槽眼和底板眼采用反向起爆，周邊眼采用間斷不偶合裝藥形式。

(2)爆破設計附圖

由于先開挖側的爆破設計難度相對較大，后跟進部分的開挖方法與先開挖側類似，故只以先開挖側壁導坑作為示例進行爆破設計，見圖5《萬家廟隧道下穿渝黔高速公路段Ⅴ級圍巖側壁導坑上部、下部炮孔布置圖》。

圖5 萬家廟隧道下穿渝黔高速公路段Ⅴ級圍巖側壁導坑上部、下部炮孔布置圖

下穿段圍巖全為Ⅴ級，襯砌采用復合襯砌。型鋼鋼架采用I22a，間距為60cm;除D2K63+330～+380段使用φ127超前大管棚外，其余段落的超前支護均使用φ75超前中管棚;拱部使用φ25、長400cm中空注漿錨桿，邊墻采用Φ22、長400cm的砂漿錨桿。錨桿呈梅花型布置，布設間距120(環向)×100cm(縱向);導坑側壁型鋼鋼架用I18加工，間距60cm。超前支護采用Φ22、長350cm的水平錨桿。鋼架的定位錨桿為Φ22、長200cm。鎖腳錨桿采用Φ22、長400cm的砂漿錨桿。

①型鋼鋼架制作與安裝。型鋼鋼架按1∶1比例進行實地放樣。設置型鋼鋼架加工平臺，根據設計線形制作加工模具，現場冷彎加工。加工好的各個單元放在樣臺上試拼;隧道各導坑每循環開挖后，首先檢查開挖斷面凈空，合格后對新開挖面進行初噴砼，其后再安裝型鋼鋼架。型鋼鋼架與隧道中心線垂直，連接要做到上、下端螺栓孔對齊。各分部型鋼鋼架拼裝完并檢查無誤后，焊接縱向連接鋼筋。

②錨桿。a．中空注漿壓力根據設計參數和注漿機性能確定，水灰比參考值為0．45～0．5。當注漿達到強度后進行噴射砼施工。b．導坑臨時支護側鋼架范圍打設Ф22，長200cm的定位錨桿。

③鋼筋網片。鋼筋網片為φ8，孔眼間距為20×20cm。鋼筋網片在加工場地內統一焊接成合適大小尺寸成片半成品，現場安裝保證其足夠搭接寬度，尾端焊接在錨桿外露頭上。

④噴射砼。噴砼施工采用濕噴工藝，工藝流程為先送風，后打開速凝劑，然后開始進料。根據受噴面部位和巖面光滑潮濕情況，適當調節風壓和速凝劑摻量，以盡量減少回彈量。噴射砼材料要求、拌制要求、作業要求等均應滿足設計及驗標要求。

2．3 公路涵洞預加固

由于公路涵洞是漿砌塊石，基礎沉降容易破壞涵洞，從而致公路路堤垮塌，在隧道開挖至涵洞下方前，按涵洞的內凈空尺寸用工字鋼冷彎成型鋼鋼架，間距50cm。鋼架的縱向連接用 Φ22鋼筋。型鋼鋼架與涵洞內弧之間用木楔和木板楔緊，橫撐上滿鋪木板成棧橋作為人員通行的道路，加固方式見圖6《萬家廟隧道下穿渝黔高速公路涵洞預加固方式圖》。

圖6 萬家廟隧道下穿渝黔高速公路涵洞預加固方式圖

2．4 監控量測

隧道下穿渝黔高速公路，渝黔高速公路的交通量非常大，公路路面處埋深為15米。埋深最淺位于D2K63+360處，只有4．5米，對應渝黔高速公路的里程為YQK0+218．388。此處有一座1-3米的石拱涵，兼作排水及公路左側居民的交通涵，特別要注意公路路面及涵洞處的地表沉降監測。

2．4．1 監控量測項目

監控量測項目包括洞內觀測和洞外觀測:(1)洞內觀測:水平相對凈空變化值的量測;拱頂下沉量測。(2)洞外觀測:地表下沉量測、在公路的填方邊坡、路肩、路面及中間隔離帶立緣石作沉降、位移觀測。

2．4．2 量測斷面的間距和量測頻率

(1)每個工作面都應進行監控量測，必要時還要進行地質描述。對初期支護要進行噴射混凝土、錨桿、鋼架等的狀況描述。

(2)凈空變形量測斷面的間距要根據圍巖級別進行確定。各級圍巖:Ⅴ、Ⅳ級圍巖的量測斷面間距分別為:5m、10m。拱頂下沉量測與凈空水平收斂量測應在同一斷面內進行，見表2《頂下沉及周邊收斂量測頻率表》。

表2 拱頂下沉及周邊收斂量測頻率表

(3)地表下沉量測的測點與凈空水平收斂及拱頂下沉量測的測點布置在同一斷面內，沿隧道中線，地表下沉量測斷面的間距按表3《地表下沉量測斷面間距表》采用:

表3 地表下沉量測斷面間距表

進行橫斷面方向地表下沉量測測點的間距取2～5m，在同一量測斷面內取7～11個測點。地表下沉的量測頻率和拱頂下沉及凈空水平收斂的量測頻率相同。

2．4．3 測點設置及量測工具

周邊位移量測以水平相對凈空變化值的量測為主，水平凈空變化量測線的布置根據施工方法、地質條件、量測斷面所在位置，隧道埋置深度等條件確定。拱頂下沉量的位置在每一斷面布1～3點。測點的安裝能保證在開挖后12小時內和在下一循環開挖前測到初次讀數。坑道周邊收斂計選球鉸彈簧式或重錘式，拱頂下沉量測采用水平儀、水準尺和掛鉤鋼尺等，或者采用激光隧道斷面監測儀進行量測。

2．4．4 量測數據的處理與應用

(1)根據現場量測數據繪制水平相對凈空變化，拱頂下沉時態曲線，凈空水平收斂、拱頂下沉與距開挖工作面的關系圖等。

(2)根據量測結果及《鐵路隧道監控量測技術規程》的規定，按表4《變形管理等級》指導施工。

表4 變形管理等級

注:其中U為實測值，U0為最大允許位移值，即控制值。

對監測數據進行分析，當監測數據有不斷增大的趨勢、支護結構變形過大或出現明顯的受力裂縫且不斷發展或時態曲線長時間沒有變緩趨勢時，應立即報告，暫停施工，并采取措施進行處理后方可復工。

2．4．5 控制爆破振動監測

本隧道進行隧道微振動爆破時，在公路上合適的位置設置振動觀測點，并進行施工全過程的爆破振動監測。爆破振動監測測點布置在高速公路的路肩上，爆破振動速度控制值為2．5cm/s，共布置2對測點。

2．5 渝黔高速公路的交通組織方案

2．5．1 公路破壞的情況分析

由于鐵路隧道開挖及支護是循序漸進的，如果發現高速公路地表沉降及洞內觀測數據異常，立即停止開挖并分析監測數據，找準原因后及時加固初期支護或經業主、設計、監理審批后加強初期護。最不利的情況下，由于鐵路隧道開挖對高速公路的破壞有兩種形式:一是路面少量下陷;二是部分路面坍塌。

項目部必須嚴格遵循管超前、先加固、后開挖、弱爆破、強支護、快成環、嚴防水、勤測量、二襯緊跟的原則進行施工，才不會造成高速公路雙向四車道全部坍塌斷道的結果。

2．5．2 高速公路的交通組織

高速公路在施工期間的交通組織分為四個階段:

第一階段:2014年4月10日至6月25日(76天)，取消K1048+350～+650段重慶到貴陽方向的應急車道，將然后將車道劃分為兩個車道，封閉行車道，超車道正常通行;第二階段:2014年6月26日至9月9日(76天)，封閉K1048+350～+650段重慶到貴陽方向超車道，行車道正常通行;第三階段:2014年9月10日至11月24日(76天)，取消K1048+350～+650段上行線貴陽到重慶方向的應急車道，將然后將車道劃分為兩個車道，封閉超車道，行車道正常通行;第四階段:2014年11月25日至2015年2月8日(76天)，封閉K1048+350～+650段是占用貴陽到重慶方向的行車道，超車道正常通行。

2．5．3 施工前期的準備工作

(1)在進入占道施工段前2km、1km、500m設置“前方占道施工、道路變窄”等警示標志。(2)為了確保高速公路上行車的安全，在與下穿段對應的高速公路上設置強制減速帶、限速標志、警示標志，將開挖面前后250m范圍內的車輛行駛速度限制在40km/h以下。(3)在開挖影響范圍以的重慶和貴陽兩端將中間隔離帶拆除40米并用混凝土硬化，然后安裝可拆卸的鋼管隔離柵欄。(4)用彈性立柱作為能行區和封閉區域隔離，做好各種施工標志牌的維護，按照批準后的方案作好應急物資準備。

3 專項應急預案

3．1 安全分析

萬家廟隧道下穿渝黔高速公路開挖范圍主要地層為Ⅴ級泥巖夾砂層，穩定性較差，且該段埋深淺，很容易引起小范圍的坍塌，若不及時加以控制將造成大的坍塌事故，從而導致高速公路的路面下陷甚至是坍塌。且埋深較淺，爆破振動影響較大，在爆破的振動影響下，造成高速公路的路面損壞、邊溝破裂等。在施工過程中必須嚴格按照施工方案施工，加強洞內、外監控量測，及時反饋，保證高速公路運營安全和施工安全。

3．2 發生緊急情況時的交通疏導方案

一旦發現路面被損壞，立即啟動應急預案。按照預案通知高速公路的管理單位，并安裝各種警示標志。按公路的損壞情況作出相應的處置，處置措施見表5《公路路面破壞分類及應對措施》。

表5 公路路面破壞分類及應對措施

序號 破壞種類 應對措施images/BZ_193_206_2472_289_2554.png拆除中間隔離帶柵欄，封閉損壞的車道，改路，待隧道穩定后再恢復路面。路面塌陷images/BZ_193_206_2554_289_2672.png封閉貴陽方向和重慶方向images/BZ_193_206_2672_289_2755.png貴陽方向的車道全部的超車道均被破壞重慶方向的車道全部封閉5路堤邊坡失穩重慶方向車道封閉 拆除中間隔離帶柵欄，封閉損壞的車道，改路，盡快恢復車道。

4 結束語

該段隧道開挖嚴格按照施工方案實施并嚴密監測，目前施工進展順利，已于2014年11月20日提前完成了下穿段的開挖及支護;由于開挖時采用控制爆破，合理用藥，控制爆破規模，保證了爆破時路面質點振動速率不大于2．5cm/s，未對對洞內圍巖和高速公路運營造成任何影響，成功消除了該項目管理的一個重大風險源，成為重慶地區第一個高速鐵路成功下穿既有運營高速公路的一個樣板試驗工點，為今后類似工程施工提供了較好借鑒。

［1］D2K64+090萬家廟隧道設計圖及相應的參考圖冊．

［2］渝黔鐵路YQZQ-4標段施工組織設計．

［3］《鐵路隧道工程施工安全技術規程》TB10304-2009/J947-2009．

［4］《鐵路隧道監控量測技術規程》TB10121-2007．

［5］《鐵路隧道超前地質預報技術指南》鐵建設［2008］105號．

［6］《鐵路隧道工程施工技術指南》TZ204-2008．

［7］《高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準》TB10417-2003/J287-2004．