新建鐵路隧道小凈距上跨既有隧道施工方案研究

莫靖宇

（中鐵十二局集團第二工程有限公司，太原 030032）

1 引言

近年來，我國鐵路事業迅猛發展，高鐵建設如火如荼，取得了巨大成就，截至2021年年底，我國鐵路營業總里程超1.5×106km，其中高鐵運營里程突破40 000 km，穩居世界第一，八縱八橫的高速鐵路網將我國帶進了高鐵時代的快車道，極大地提高了人們的出行效率，為我國經濟社會的可持續發展發揮了不可替代的重要作用。

高鐵建設的成就令人欣喜，但是隨著高鐵建設里程的不斷增長，建設過程中也出現了一些不可忽視的問題，比如，新建鐵路與既有運營線路交叉的問題，無論上跨還是下穿既有線，施工過程中都存在極大的安全隱患。

2 工程概況

新建張吉懷鐵路鄧家坡隧道位于湖南省湘西自治州永順縣永茂鎮境內，全長5 737.3 m，共設輔助坑道2座：1#和平橫洞和2#鄭家橫洞。隧道上跨既有焦柳鐵路黃土崗隧道，交叉點里程為DK42+961（位于2#鄭家橫洞工區），軌面標高為433.18 m，對應焦柳鐵路里程K998+550（=竣工里程593+331.05），軌面標高為411.66 m，結構凈距僅11.72 m，如果施工控制不好，會對既有隧道的穩定運營產生破壞性影響。

原焦柳鐵路為20世紀六七十年代建設的客貨共線鐵路，受限于當時的施工技術水平，隧道支護結構相對薄弱，多處有開裂滲水等現象。雖經過多次修補處理，整體狀況仍然比較脆弱，且經過幾十年時間的運營，更容易受到新建隧道施工的破壞性影響，稍有不慎將影響既有焦柳鐵路的正常運行安全，隧道施工安全風險極大。

3 施工方案

3.1 原施工方案

據圖紙地質資料顯示交叉影響段圍巖以頁巖及灰巖為主，節理裂隙發育，弱富水，設計圍巖等級為Ⅴ級，采用Ⅴ級加強復合型襯砌支護形式。項目部根據圍巖情況及既有隧道的支護情況編制了上跨既有線施工的專項施工方案，在交叉點前后100～50 m范圍采用三臺階七步法鉆爆開挖，并在既有線黃土崗隧道內交叉處安裝爆破振速監測儀（見圖1）進行振速監測，嚴格控制爆破振速在2.5 cm/s[1-2]范圍內，實時評估爆破作業對既有隧道的影響，確保既有線安全穩定運營；進入交叉點前后50 m范圍內采用機械開挖，即只使用挖掘機及銑刨機等機械設備配合人工開挖，以消除爆破振動對既有隧道的影響。

圖1 爆破測振儀

3.2 優化施工方案

在實際施工中發現掌子面無水且圍巖整體強度較高，使得機械開挖效率極低且故障頻出，一天開挖進尺不到0.5 m，不僅嚴重影響施工進度，而且出現了大量的人員窩工，對施工隊伍的穩定也造成了不利影響，仔細權衡利弊后決定仍然采用鉆爆法進行交叉段的開挖施工。鉆爆法施工必然會產生爆破振動，對周邊圍巖的影響比機械開挖要大。為最大限度減小爆破作業產生的振動對既有隧道運營安全產生的不利影響，必須制訂安全可靠的爆破施工方案，順利穿過交叉段。

在進入交叉點前100～50 m段按原有爆破方案取得了50 m爆破振速數據，通過數據分析發現，施工中偶爾會出現爆破振速超標情況，通過縮短循環進尺、減少炸藥量能夠很好地控制振速，在進入交叉點50 m范圍后，既有隧道內監測到的振動越來越大，為更好地掌握掌子面施工情況及既有隧道的運營情況，項目部及時與當地鐵路部門溝通取得了列車運行時刻表，同時在隧道掌子面、橫洞與正洞的交叉口、橫洞口、洞外值班室、既有黃土崗隧道洞口及洞內交叉點都安排專人值班，通過對講機實時通話聯系，隨時掌握列車運行情況，確定無列車通行或列車安全通過后進行起爆作業，爆破結束后立即記錄爆破振速，觀察既有隧道變化情況，以便及時調整施工方案。

隨著施工掌子面離交叉點越來越近，既有隧道內能感受到的爆破振動也越來越強烈，而且隧道爆破振動圍巖受到影響的部位主要集中在邊墻及拱底部位[3]，所以之前的單一調整循環進尺和炸藥量已起不到控制振速的作用了。經過仔細研究，決定通過加密炮孔，減少裝藥量，縮短循環進尺，改變起爆順序，優化炮眼布置等多措并舉，將爆破振速控制在允許范圍內。

在優化爆破方案方面采取了以下措施。

1）縮短循環進尺：每循環進尺縮短為0.5～0.6 m。

2）加密周邊眼：周邊眼間距由原來的45 cm縮小為30 cm，采用隔孔裝藥的形式。

3）減少裝藥量，以微震松動爆破為主。炸藥單位消耗量控制在0.3 kg/m3左右，單次起爆總藥量控制在16 kg[4]以內，使用毫秒雷管微差爆破單響用藥量控制在4 kg以內，周邊眼裝藥量由0.2 kg/孔減少到0.1 kg/孔。

4）取消底板眼，改變爆破臨空面使抵抗線方向轉移到側面，減少對隧道底部的振動傳遞。

5）采用分部多次爆破形式，既上臺階、中臺階、下臺階分開爆破，交叉點附近10 m范圍每個臺階再分兩次爆破，同時為減小掏槽眼爆破產生的振動過大，采用增加空孔直眼掏槽爆破[5-6]的方式降低掏槽爆破振動強度。

6）爆破前臨空面的堆渣清理干凈，創造良好的臨空面。

3.3 優化爆破方案的優缺點分析

優點：經調整后爆破產生的振動影響大大減小，有效控制了振速，避免了對既有隧道運營可能產生的破壞性影響；相比單純的機械開挖方式，爆破作業大大提高了開挖效率，保證了施工進度，也避免了人員窩工。

缺點：一次掌子面開挖需要經過多次小爆破作業，延長了循環作業時間，同時由于多次小爆破時間間隔很短，爆破產生的濃煙等有害氣體不能及時排出，施工環境比較惡劣。爆破后應及時通風排煙，保證每個人每分鐘有3 m3新鮮空氣[7]，并用灑水降塵的方法保證人員安全。

原爆破方案與優化后的爆破方案見圖2。

圖2 爆破方案對比圖

實踐證明，按照調整后的爆破方案施工達到了預期的效果，順利通過了交叉影響段，爆破后觀察既有線黃土崗隧道交叉段沒有出現掉塊和開裂等現象，沒有對既有線正常運營造成不良影響，張吉懷鐵路已于2021年12月順利通車。

4 超前地質預報

為準確掌握掌子面前方圍巖地質情況，超前地質預報工作緊跟施工進行，采用地質調查與勘探相結合、物探與鉆探相結合、長距離與短距離相結合的方法全面掌握圍巖情況，為制訂施工方案提供實時準確的地質資料支撐。具體超前地質預報措施[8]有以下幾項。

1）地質素描：每施工循環一次。

2）長距離彈性波反射法探測貫通：每100 m一次，搭接長度10 m。

3）地質雷達或單點反射波法探測：每25 m一次，搭接長度5 m。

4）中距離超前水平鉆1孔，30 m一循環，搭接長度5 m。

5）加深炮孔3孔貫通，2 m一循環。

施工過程中，根據隧道的地質復雜程度分級，不同級別的地段采取不同的預報方法，抓住重點，增強針對性，提高預報準確性。

5 監控量測

監控量測方面，除振速監測外，還在黃土崗隧道內交叉段前后100 m范圍內布設了5組圍巖監控量測點及沉降觀測點，對隧道進行實時監測，隨時掌握隧道變化情況以便于出現特殊情況及時做出應對之策。

監控量測是保證隧道施工安全的關鍵環節，始終將監控量測納入施工工序，配備監控量測專業人員，施工中及時布設測點，建立最大日變形量和累計變形風險預警機制，及時觀測數據、及時分析數據、及時反饋結果、及時采取措施。

6 加強支護措施

為防止隧道施工可能出現大變形對既有隧道產生擠壓影響，施工中采取以下工程處理措施。

1）巖變我變，結合地層情況采用不同的開挖支護方法來控制圍巖變形。

2）采用超前注漿加固技術，以提高圍巖的物理力學參數及應力分布的均勻性。

3）現場測試圍巖松動的范圍，根據圍巖應力特征，采用中長錨桿（管）圍巖加固技術，以控制變形。

4）通過加大隧道的預留變形量（部分段落最大預留變形量達到了50 cm），加強隧道的初期支護參數，如噴射混凝土的厚度、鋼架的間距、型鋼的型號、錨桿的長度等來控制變形。

5）仰拱、二次襯砌緊跟掌子面施工，仰拱安全步距控制在30 m以內，二次襯砌安全步距控制在50 m以內，并加強二次襯砌的結構厚度和鋼筋布置。

7 結語

1）通過采取加密炮孔，減少裝藥量，縮短循環進尺、改變起爆順序、優化炮眼布置等措施，有效降低了爆破振動對既有隧道的影響。

2）需要采取及時通風及噴淋灑水等有效措施消除多次連續爆破產生的有害氣體及粉塵等對作業人員的影響。

3）必須有及時準確的超前地質預報和監控量測數據給施工提供保障，再加上各種加強支護措施，才能有效減小施工安全風險。