鐵路隧道下穿高速公路施工技術

朱胥仁

摘? 要：根據新奧法理論，隧道支護體系分為3個部分，即圍巖、初期支護、二次襯砌，各分部起到的具體作用各不相同。文章以下坂隧道下穿沈海高速公路淺埋段的設計支護參數為基礎，結合施工過程實踐經驗，探討分析了支護體系各部分作用，從而為后續類似工程的設計、施工提供借鑒。

關鍵詞：下穿淺埋段;支護體系;圍巖;初期支護;二次襯砌

中圖分類號：U455? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）29-0141-04

Abstract： According to the New Austrian Tunneling Method （NATM） theory， the tunnel support system is divided into three parts， namely， surrounding rock， initial support and secondary lining， each of which plays a different role. Based on the design support parameters of the shallow buried section of Shenhai Expressway under the Osaka Tunnel， and from the practical experience in the construction process， this paper discusses and analyzes the functions of each part of the support system， so as to provide reference for the design and construction of similar projects in the future.

Keywords： underpass shallow buried section; support system; surrounding rock; initial support; secondary lining

1 工程概況

1.1 概況

下坂隧道位于福建省寧德市蕉城區漳灣鎮下坂村附近。設置為單線隧道，建筑長度2149m，隧道長度2144m，在SDK388+375～SDK388+413段下穿沈海復線高速公路共38m，交叉點高速公路設計樁號為DK10+273.442，道路寬度33.5m，隧道拱頂距離路面垂直距離約15m。交叉段采用地表注漿加固處理，作業平臺采用C30鋼筋混凝土厚60cm，頂面在高速公路路面以下77cm處。

隧道通過為剝蝕丘陵區，地形呈波狀起伏，地勢平緩～較陡峭，自然坡度約為10～45°，相對高差最大約為30～100m，植被發育，局部極發育，多辟果樹、灌木、蕨類、高禾雜草等，交通不便。隧址區出露的地層巖性主要為第四系殘坡積土層（Qel+dl）、碎石土（Qel+dl）、燕山早期第二次侵入（ηrb5（2）3）中粗粒二長花崗巖。

1.2 下穿高速公路段情況簡述

隧道距在建沈海高速2*40米分離式橋橋臺距離29.8米。施工工法為三臺階臨時仰拱法，隧道洞身采用Ⅴc復合型襯砌，全段超前支護采用φ89mm長管棚，環向間距40cm;初期支護為單層噴射混凝土，厚25cm，采用I18工字鋼架加強支護，鋼架間距60cm/榀;二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，厚度50cm。沈海高速計劃2016年10月1日通車，需確保通車前完成下穿段二次襯砌，時間緊、任務重。隧道下穿沈海高速公路的位置關系見圖1、圖2。

另外，與其他隧道下穿高速公路實例不同的是，本隧道是與在建高速公路交叉，為確保施工過程順利進行，在下穿高速公路40m范圍內采用地表注漿，橫向加固范圍為隧道中線兩側各15m，豎向加固范圍為深入基巖弱風化層以下1m。采取φ42小導管進行注漿，間距1.0m×1.0m。注漿加固前，先于高速公路路面下開挖工作平臺，并施作60cm厚C30鋼筋混凝土板作為止漿盤。圖3為隧道與高速公路路面及地表注漿的關系立面圖。

洞身開挖上部分為全風化花崗巖，中間部分為強風化花崗巖，下部為中風化花崗巖。隧道掘進至下穿段前應提前完成地表注漿，確保淺埋段洞頂圍巖的穩定。

2 施工風險分析

隧道下穿高速公路處埋深較淺，隧道結構頂至高速公路路面的距離僅有15m，且地質條件較差，該處為第四系殘坡積粉質黏土及二長花崗巖，全風化，節理裂隙發育。而且根據施工時間要求，下穿在建高速公路時，重型施工車輛會產生不均勻荷載。另外，隧道下穿高速公路段平行既有溫福鐵路只有90m，爆破作業需采用微震控制爆破技術，爆破振動速度不得超過5cm/s，施工進度慢，隧道施工時不確定因素多，因此施工風險極大。

3 參數的擬定

3.1 影響因素

本隧道在SDK388+375～+413處下穿沈海高速公路，隧道距在建沈海高速2*40米分離式橋橋臺距離29.8米，且平行既有溫福鐵路下坂隧道，施工環境極為復雜。隧道爆破施工考慮到既有溫福鐵路下坂隧道已通車，且既有鐵路年代久遠、距離又近，屬于臨近既有線施工。根據《爆破安全規程》（GB6722-2011），為避免爆破施工對既有溫福鐵路下坂隧道結構及行車造成影響，以及沈海高速路面施工的影響，必須執行“短進尺、弱爆破、強支護、襯砌緊跟”的施工原則，加強超前支護及初期支護，其中弱爆破是指采用微振控制爆破。

3.2 設計參數

下坂隧道SDK388+375～SDK388+413段主要設計參數如表1。

下穿沈海復線高速公路，長度38米。該段為Ⅴc復合型襯砌。全段超前支護采用φ89mm長管棚，環向間距40cm。初期支護采用25cm厚C25噴射混凝土，使用I18工字鋼架加強支護，鋼架每榀間距為60cm。二次襯砌采用50cm厚 C35鋼筋混凝土。

4 支護體系受力分析

4.1 施工概述

根據支護體系不同作用，施工順序安排為：高速公路路基基層地表注漿→高速公路路面下設置60cm厚的鋼筋砼板進行加強→長管棚施工→洞身開挖→施工初支→拆除臨時仰拱→二次襯砌。

初期支護在實際施工過程中存在一些不可控的情況，例如，由于二襯砌臺車或材料沒有及時施工到位，導致二次襯砌澆注滯后;由于春節放假、勞資矛盾、村民阻工導致工地停工等，實際施工過程中，初期支護在一些情況下需要長時間承擔所有荷載。

4.2 支護體系的作用分析

4.2.1 圍巖加強分析

（1）設計地質為丘坡表層為第四系殘坡積Qel+dl粉質黏土，黃褐色，硬塑，厚約2～6m;下面為花崗巖，黃褐色～灰褐色，淺肉紅色，全～弱風化，其中全風化揭示層厚13～35m不等，局部球狀風化顯著，弱風化巖體巖質堅硬，地下水較發育，主要為賦存于全～弱風化花崗巖中孔隙潛水，基巖裂隙水。根據設計及地質預報結果顯示，該段圍巖較破碎，穩定性差。

為確保下穿時隧道上方圍巖的穩定，采用地表注漿，并施做30m×40m（橫向×縱向）60cm厚鋼筋砼板進行加強。

（2）通過實踐證明，圍巖作為支護體系的客觀存在部分，是可以通過人工干預改變的，能夠使得地表車載附加力由原先的局部荷載轉變為均勻荷載，有效改善隧道受力環境，降低安全風險，如圖4。

4.2.2 隧道支護分析

（1）隧道超前長管棚支護

a.超前長管棚支護對于地質條件較差、淺埋偏壓、地表附加荷載段施工，工藝技術成熟可靠，且技術經濟性能非常好。

b.隧道超前長管棚作用包括四個方面：第一，在隧道內部形成圍繞隧洞輪廓的殼狀結構，稱之為梁拱效應;第二，施工管棚后會進行注漿作業，漿液能夠改善軟弱圍巖的力學性能，提高隧道圍巖的承受能力;第三，管棚的孔槽能夠吸收爆破造成的沖擊波及氣體，緩解爆破作業對圍巖造成的破壞;第四，大管棚的支護剛度較大，因此如果發生塌方時，管棚能夠對塌渣起到緩沖支撐作用。

c.隧道原設計采用10mφ8

9管棚，環向間距40cm，每環長度6m，且環與環之間的搭接不能小于3m。為充分發揮上述第一、第四項作用，經設計變更為φ108洞身長管棚，鋼管長度45m橫跨整個38m下穿高速公路段。變更后增加洞內管棚洞室，調整管棚外插角，并調整了注漿量，一次性完成管棚施工，節約了施工時間。管棚超前支護作用也發揮的更加充分，施工掘進過程也更加安全。

（2）初期支護

初期支護是隧道進洞后的一道最關鍵的工序，初期支護對隧道的后期施工作業安全質量起到決定性的作用，也是決定隧道施工進度快慢的關鍵因素。在施工過程中，初期支護的工序往往都占有較大的時間比重，從而有效的提高掘進的工作效率，提高隧道整體施工進度。

a.下坂隧道SDK388+375～SDK388+413段襯砌為Ⅴc復合型襯砌類型，初期支護為單層噴射混凝土，厚25cm，采用I18工字鋼架加強支護，鋼架間距60cm/榀。臨時仰拱采用I18工字鋼進行支護，噴射混凝土厚度為18cm。支護斷面如圖5所示。

根據洞內以及地表監控量測沉降數據分析，進入下穿段初期沉降速率較大，為確保掘進安全，φ50鎖腳鋼管由原設計每處2根，增加為每處4根（雙排鎖腳），鋼管長度及直徑不變。鎖腳鋼管增加后量測數據，特別是拱頂沉降速率顯著變緩，并趨于穩定，累計沉降值明顯減小。

b.根據工程設計及實踐得出以下幾點結論：第一，原設計支護參數及施工工法是可行的，為充分發揮各支護體系作用，對超前支護、鎖腳鋼管進行了調整。調整后更能使用于工程實例中的全風化淺埋下穿段，是成功的。第二，從實踐中監控量測數據分析，設計無系統錨桿是可行的，增加了鎖腳鋼管，初期支護的結構變形在允許范圍內。實踐證明用鋼架+噴射混凝土+鋼筋網+鎖腳鋼管+縱向連接筋組成的初期支護結構是合理可行的。第三，隧道在全風化層掘進鎖腳鋼管受力較大，鎖腳鋼管+鋼架受力效果明顯。

（3）二襯襯砌

二次襯砌作為安全儲備。在施工過程中未承擔來自圍巖的壓力，也未承擔來自高速公路路面的動荷載。而確定二次襯砌的荷載分擔量，可以假定年長日久初期支護失效或變相增加部分荷載，那么二次襯砌的設計應不小于100%的外荷載。所以設計采用50cm厚C35鋼筋混凝土，是安全可靠的。

5 結束語

鐵路下穿高速公路的工程實例較多，但像下坂隧道這種公路未開通，地表周圍有結構物的情況較少，根據現場施工情況來看，高速公路的地表沉降控制較好，洞內未出現塌方、掉塊;微振控制爆破時不影響高速路面施工，且臨近既有線隧道內爆破振動速度控制在5cm/s以內。目前高速公路已開通兩年，未出現地表沉降、開裂等，說明變更設計后的施工方案及設計參數是成功的。

體會及經驗歸納如下：（1）新奧法施工理論中，把隧道支護體系分為圍巖、初期支護、二次襯砌三部分，是合理的，也符合各部分受力結構、受力體系的安全計算需要。（2）圍巖作為第一道防衛支護體系，應根據地質情況，進行加強，把松散的圍巖通過注漿，固結形成整體結構，可起到支撐荷載的作用。（3）初期支護作為進洞后最重要的一道工序，應根據不同的圍巖地質特性進行調整，以便更有效的與圍巖形成整體防衛體系。

參考文獻：

[1]TZ 204-2008.鐵路隧道工程施工技術指南[S].

[2]陳志廣.鐵路隧道下穿高速公路設計方案分析[J].山西建筑，2012，38（18）：161-163.

[3]王志，杜守繼，張文波，等.淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工沉降分析[J].地下空間與工程學報，2009，5（03）：531-535+572.

[4]李之達，吳延貞，趙剛，等.隧道圍巖與支護結構間的相互作用[J].湘潭大學自然科學學報，2010，32（04）：40-45.

[5]楊昌賢，崔光耀，王樂明.基于監控量測的公路隧道二次襯砌受力分擔比例[J].世界地質，2012，31（01）：193-198.