鐵路隧道超近距離下穿輸水渠施工安全控制技術研究

王 瑤（中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京101400）

?

鐵路隧道超近距離下穿輸水渠施工安全控制技術研究

王 瑤
（中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京101400）

摘 要：蒙華重載鐵路城煙隧道在進口下穿輸水渠，最小距離僅為2．67m，且由于地形條件的限制只能采用反向施工。針對超近距離下穿施工難點，提出了洞外采用多道防護、小導洞出洞、超前大管棚預支護、輸水渠加固、控制爆破等綜合安全控制技術。現場變形監測結果表明：拱頂沉降和水平收斂穩定速度均較快，且量值較小；地表沉降最大值為10．59mm，紅線渠沒有發生任何開裂和滲漏現象，表明安全控制措施合適。

關鍵詞：鐵路隧道；下穿輸水渠；反向開挖；邊坡防護；安全監測

隨著鐵路建設的高速發展，出現了很多近接施工工程。由于隧道開挖過程中改變了圍巖的初始應力狀態，致使隧道周圍巖體擾動進而引起圍巖的變形與破壞。當隧道與既有建（構）筑物距離較小時，隧道開挖可能會引起既有建（構）筑物破壞，使其喪失使用功能。目前已經有很多學者對于下穿施工引起地面建筑物、路面和鐵路軌道變形及其控制進行了研究，但是由于輸水渠特殊的使用性質，對下穿輸水渠施工的研究很少。

本文結合蒙華重載鐵路城煙隧道進口下穿輸水渠的工程實例，探討下穿施工控制措施，論證其安全性。

1　工程概況

蒙華重載鐵路城煙隧道為燕尾式隧道，進口段為單洞雙線，出口段為兩個單洞。隧道進口里程為DK691＋361．1，采用倒切式洞門，位于209國道東側山坡，山坡陡峭，洞口前方為灞底河特大橋，洞口橋隧相連，隧道洞口里程同臺尾里程，洞口下方橋下為209國道，高差約40m，地形陡峭，坡腳距國道約25m，隧道洞口無施工場地，設置一座橫洞，通過橫洞從洞內向洞外施工。

隧道洞口上方為紅線渠，渠道中心里程DK691＋378，渠底標高584．5m，隧道軌道面標高573．19m，該處結構高度8．83m，渠底至隧道洞頂凈高2．52m（開挖頂至混凝土渠底）。山體坡度約60°。紅線渠修建于1958年，渠寬2．5m，深2．0m，渠體為素片石砼結構，厚0．3m；紅線渠為三門峽市引水渠，最大引水量為平均約40萬m3／d，是三門峽市的生命線，保證紅線渠安全是施工的重中之重。

下穿紅線渠段圍巖級別為IV級；襯砌類型為Vgdc雙線型襯砌。支護參數為：噴射混凝土厚度30cm，鋼筋網?8mm，網格間距20cm×20cm，拱部采用?25mm組合中空錨桿，邊墻采用?22mm砂漿錨桿，長度2．5m，間距（環×縱）1．0m×0．8 m，鋼架采用I22，間距0．6m，拱墻模筑混凝土厚45 cm，仰拱模筑混凝土厚50cm。超前支護為?89 mm長管棚。隧道斷面見圖1，隧道與紅線渠位置關系見圖2。

圖1 鐵路隧道斷面圖（單位：cm）

圖2 隧道與紅線渠位置關系示意圖（單位：m）

2　初步建議安全施工措施

在工程開工前期，通過對工程地質及周圍環境的綜合分析，下穿紅線渠施工總體方案采用橫洞進洞后反向施工，具體措施如下：

（1）在洞口下方不超過15m處設置30m長被動攔石網，攔石網中心與隧道中線對齊。

（2）隧道邊仰坡采取地表主動攔石網加噴錨網防護，范圍為隧道洞口以上至紅線渠段（DK691＋361．1 ～DK691＋380）隧道兩側結構邊緣外側各10m，主動防護網采用?22mm地表砂漿錨桿錨固，錨桿長度8 m，洞頂施工注意避開結構物，隧道兩側30m范圍內紅線渠頂鋪設雨布，洞口開挖出洞前應灑水，做好防塵工作，防止隧道施工期間塵灰污染紅線渠水體。

（3）檢查橋梁施工G209國道棚架是否完成，在坡腳設置瞭望哨，與公路交通部門密切配合，必要時設置交通管制，確保施工安全。

（4）以上步驟施工完成后方可施工該段暗洞，出洞前應先施作洞身?89mm長管棚超前支護，施工范圍DK691＋370．1～DK691＋391．6，長度21m。

（5）水渠上布設測點進行沉降觀測，測點橫向間距2m，量測范圍左右各25m，量測頻率按照《鐵路隧道監控量測規程》實施，棚架施工時加密監測頻率。

（6）下穿時與紅線渠管理部門溝通，確保在無水時下穿該段施工。下穿從洞內向洞外反向開挖，隧道下穿紅線渠渠底段采用弱爆破結合機械開挖，爆破控制頻率按毛石建筑物控制。首先采用機械掏槽施工隧道周邊0．5m寬度，并安裝鋼架，隨后弱爆破開挖中部土體并施工襯砌，開挖完成后立即進行支護和襯砌等措施防止紅線渠渠身下沉，施工襯砌前可采用型鋼作為臨時支撐。

（7）出洞施工時應灑水，做好防塵工作。

（8）施工完成后與紅線渠管理部門溝通，共同檢查渠底是否存在開裂、結構脫離，邊坡是否存在圍巖落石和不穩定等現場，根據檢查結果采取渠底注漿、渠體結構加強、邊坡加固等處理措施，并對隧道兩側20m范圍水渠和山體間裂隙灌注水泥砂漿進行填充。

（9）施工期間定期進行巡查，下穿施工時應加大巡查范圍和頻率，發現問題及時處理。

3　施工方案確定

3．1紅線渠危巖落石防護及渠體加固

3．1．1邊坡防護

紅線渠上方按照地路專業設計圖紙（蒙華三荊城煙施（隧）－I）設置主動防護網，在洞口下方不超過15m設置30m長被動攔石網，攔石網中心與隧道中線對齊，防止隧道施工時引發落石危及209國道行人及車輛安全。主、被動防護網結構見圖3、圖4。

圖3　主動防護網施工示意圖

圖4　被動防護網施工示意圖

3．1．2坡腳攔砟擋護

因橋梁施工未開始，G209國道棚架還未搭設，且隧道洞口邊坡陡峭，高差較大，坡腳緊鄰國道，國道另一側為變電站住宅區。僅靠隧道下方5m高的被動攔石網，恐難以確保施工時引發的孤石墜落等安全因素危及車輛行人和住宅區。故考慮在坡腳與國道間設置漿砌片石擋墻（M7．5）或圍欄網，高度控制在6～10m，在坡腳國道另側設置瞭望臺。

與當地交通管理部門溝通，在洞口段爆破施工或洞口邊坡開挖時實行暫時的交通管制，確保安全。3．1．3紅線渠渠體加固及防滲處理

因紅線渠修建年限較長，渠體構筑材料強度較低，為確保紅線渠結構穩定及防止渠內流水下滲影響地基強度，經與紅線渠管理單位溝通，在隧道中線兩側各25m范圍內，在原紅線渠渠體內側增設一層防水板，然后增加20cm厚的C25混凝土內襯。同時，在隧道中線兩側各25m范圍內布設地表注漿鋼花管，地表鋼花管按照梅花形布置，間距1．2m× 1．2m，鋼花管長3．5～6m，壓1∶1水泥漿加固地層，提高其自身結構強度，并起到自防水的作用。紅線渠加固如圖5所示。

圖5　紅線渠加固示意圖（單位：cm）

3．2隧道施工方案

原設計采用弱爆破結合機械開挖，超前大管棚直接出洞，由于超前大管棚支護在小里程方向，由洞內向洞口方向施作，且洞內沒有設置導向墻，而洞口小里程端為淺埋段（除去紅線渠基礎厚度，覆蓋層厚度僅2．2m左右），超前管棚支護角度難以控制；且機械掏槽圍巖須經受多次擾動，圍巖受擾動后極易失穩出現坍塌，導致紅線渠水體倒灌。因此，經多次現場踏勘及綜合分析各方因素，必須嚴格控制開挖斷面，防止出現失穩塌方。采用超前小導洞先出洞后，做好邊仰坡防護，在明暗交界位置施作導向墻，然后施作超前支護，在超前大管棚及超前小導管保護下再反向擴挖成洞，同時在施工過程中加強監控量測，以數據指導施工，最大限度的控制安全風險。具體施工順序：超前小導洞出洞→進口邊仰坡開挖支護→導向墻施作→超前大管棚及小導管施作→反向擴挖成洞→及時施作正洞襯砌支護。

反向開挖方案：交叉段～DK691＋391．6按照設計施工方案開挖支護，在DK691＋391．6形成全斷面，DK691＋391．6～洞口里程DK691＋361．6段采用小導洞出洞。

3．2．1超前小導洞出洞

DK691＋391．6～DK691＋361．6段采用小導洞由橫洞方向貫通至DK691＋361．6，根據現場圍巖情況并考慮貫通后機械設備及風水管直接設置于進口段，小導洞斷面尺寸擬定為4．0m×4．0m。為有利于結構穩定導洞頂部采用半徑2．5m圓弧設計，同時考慮后期擴挖操作空間及增大超前小導洞覆蓋層厚度，導洞頂距正洞拱頂預留6m覆蓋層。

考慮到進口段圍巖覆蓋層較薄，自穩時間較短，紅線渠修建年限較長，渠體結構強度較低，為了抑制圍巖過大的變形，導洞在超前小導管預支護條件下開挖，開挖后采用I16型鋼、錨桿、鋼筋網聯合噴射混凝土初期支護。支護參數為：錨桿采用?22mm砂漿錨桿，L＝3m、間距1．5m×1．5m梅花形布置，噴射混凝土為C25，厚20cm；?8mm鋼筋網，網格尺寸25cm×25cm；I16型鋼鋼架支護，鋼架間距1．2m，兩榀鋼架之間設置?22mm縱向連接鋼筋，環向距離1m，采用螺栓連接［1］。

導洞拱頂超前支護采用?42mm超前小導管，小導管長4m，間距40cm，縱向間距搭接不小于1m。3．2．2正洞超前預支護

考慮到隧道洞口淺埋段的實際情況，該隧道到洞口段超前支護采用設計的?89mm長超前管棚支護，施工范圍K691＋368．1～DK691＋391．6，長度23m。超前管棚與鋼架組合的棚架作用可以避免隧道拱部坍塌。由于隧道覆蓋層較薄，在管棚施工時嚴格控制鉆孔外插角，一般控制在1～3°，防止穿頂。

為保證施工安全，在大管棚的兩個鋼管之間加設?42mm超前小導管加強支護，并進行注漿加固地層，小導管每2m一環，采用?42mm鋼管（L＝3．5m），環向間距40cm，外插角5～8°，漿液采用1∶1水泥漿。

超前支護施工過程中要盡量少擾動地層，避免紅線渠沉降過大而引起坍塌，確保施工安全。

3．2．3反向開挖成洞

待進口邊仰坡施工完畢后再由DK691＋370．6施作導向墻，導向墻寬度2m，反向施作超前大管棚及超前小導管后，按三臺階法擴挖施工至設計斷面。擴挖過程中應嚴格遵守短進尺、強支護、弱爆破、勤測量原則。因超前小導洞增加臨空面，擴挖時開挖進尺控制在1．0～1．5m。采用預裂爆破，盡量減少對圍巖擾動。周邊眼間距控制在30cm，輔助眼控制在45 cm左右，嚴格控制裝藥量。對爆破后少量欠挖采用人工風鎬鑿除。開挖后及時按設計做好Vgdc雙線型襯砌支護，確保洞身穩定。在二次襯砌施工前采用型鋼作為臨時支撐，防止紅線渠渠身下沉。

在紅線渠于隧道正洞交叉樁號DK691＋378左右各5m范圍內進行擴挖成洞施工時，須與紅線渠管理部門及時溝通，必要時短暫停水，確保施工及紅線渠安全。

3．3監控量測

為驗證所選方案的合理性，進行了洞內外變形監測，主要監測項目有水平收斂、拱頂下沉和地表沉降。

由監測結果可知，水平收斂和拱頂下沉大約10 d左右達到基本穩定，最終值均較小；地表沉降大約15d左右趨于穩定，最大沉降值為10．59mm。

4　結束語

（1）針對超近距離下穿施工難點，提出了洞外采用多道防護、小導洞出洞、超前大管棚預支護、輸水渠加固、控制爆破等綜合安全控制技術。

（2）現場變形監測結果表明：拱頂沉降和水平收斂穩定速度均較快，且量值較小；地表沉降最大值為10．59mm，紅線渠沒有發生任何開裂和滲漏現象，表明安全控制措施合適。

參考文獻

［1］史鐵力．巨口隧道單向掘進小導洞出洞施工技術［J］．科技向導，2012（14）：339，436

A Study of the Construction and Safety Control Techniques for a Railway Tunnel Under－Crossing the Water－Delivering Ditch at a Short Distance

Wang Yao
（4th Engineering Co．Ltd．of the 16th Bureau Group of China Railway，Beijing 101400，China）

Abstract：The Chengyan Tunnel of the Menghua heavy－duty railway has to under－cross a water－delivering canal at the inlet，with the closest distance between them only 2．67m．Only the reverse－construction method can be adopted here due to the limitations of the terrain conditions．With the great difficulty in performing the super－short－distance construction taken into consideration，put forward in the paper are some comprehensive safety control techniques，such as the adoption of multi－course protection outside the cave，the small heading method at the move－out stage，the advanced large－tube－shed supporting，consolidating the water－delivering canal，the controlled blasting，etc．The monitored site deformation results show that：both the stabilizing rate of the crown settlement and the horizontal convergence are quick and their quantity is small；the maximum of the ground settlement is 10．59mm；no cracking and no leakage are observed in the water－delivering canal，which proves that the adopted safety control techniques are appropriate．

Key words：railway tunnel；under－cross a water－delivering canal；reverse－construction method；protection of the side－slope；safety monitoring

作者簡介：王 瑤（1982—），男，工程師，主要從事土木工程技術管理工作

收稿日期：2015－11－06

中圖分類號：U459．5；U459．1

文獻標識碼：B

文章編號：1672－3953（2016）01－0067－04

DOI：10．13219／j．gjgyat．2016．01．018