鐵路隧道單循環超長管棚工作間下穿高速公路技術

裴強PEI Qiang

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

隨著我國交通運輸網絡不斷完善，鐵路建設規模不斷擴大，鐵路建設水平也在不斷提高，在基礎設施建設過程中出現了越來越多的立體交通，諸多的“鐵跨公”或“公跨鐵”等下穿與上跨工程給建設者提出了更高的建設要求，如何在立體交通建設過程中確保安全跨越或下穿是建設者值得研究的關鍵環節。本文以成昆鐵路擴能改造工程中旺牛村雙線鐵路隧道下穿京昆高速公路為研究對象，通過優化設計、強化施工組織、信息化監控量測等方式確保隧道順利穿越繁忙公路，為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

改建成昆鐵路米易至攀枝花段旺牛村隧道起訖里程為DK607+965 至DK610+897，全長2932m，最大埋深245m。雙線鐵路隧道，左、右線間距為4.200～4.616m，設計為12‰單面上坡。隧道按速度目標值160km/h 鐵路雙線隧道設計。開挖斷面127.3m2，開挖最大寬度為13.16m。旺牛村隧道在DK608+005～DK608+080 段下穿京昆高速公路，本隧道線路與京昆高速公路基本垂直相交，高速公路路面至本隧道結構頂部約17m，為Ⅴ級圍巖，屬淺埋地段，地質構成為全風化球狀花崗巖。

本隧道下穿高速公路段掌子面圍巖為全風化球狀花崗巖，暴露后短時間內形成粗粒砂，整體較為密實，但自穩性差。超前大管棚環向間距0.4m，每根長50m，角度1°～3°，共52 根；雙層超前小導管環向間距0.3m，每根長4.5m，小外插角10°，大外插角20°，每環65 根。初期支護鋼架采用I20b 型鋼，鋼架間距為0.5m，鋼架在開挖面初噴砼約4cm 后架設，再復噴至設計厚度27cm；網片采用Ф8圓鋼，網格間距為20×20cm；初噴混凝土強度為C25；二襯采用50cm 厚C35 鋼筋混凝土。

2 施工方案的優化

2.1 超前地質預報及圍巖特性

根據信息化施工及設計圖紙要求，在下穿段施工前必須一次性完成下穿段地質預報，探明掌子面前方氣質情況，具體采取超前鉆孔（2 孔1 孔取芯）+TSP 物探+紅外探水三種方式相結合，探明DK608+000～+080 段均為全風化花崗閃長巖，芯樣長度最長為8cm，輕敲擊易破碎呈球狀顆粒，自穩性差，有少許滲水。

2.2 單循環管棚工作間的優越性

原設計DK608+005～DK608+080 段的下穿施工管棚方案為：多循環管棚工作間，拱部?76mm 中管棚，環向間距0.4m，每7m 一環，每環52 根，每根長10m，共7 個循環，經計算管棚施工時間共計28 天，且需要間隔施工即管棚成環一段開挖一段，依次循環，在洞內打設管棚期間出現長時間停留，加大安全風險。本工程因下穿批復工期時間短，圍巖為全風化花崗巖，長期暴露易形成砂狀顆粒，為了在更短的時間內完成下穿施工，縮短圍巖暴露時間，降低安全風險，經過論證決定將原設計的下穿方案優化為50m 超長管棚一次性完成，形成單循環管棚工作間，大大縮短管棚施工時間，減少在洞內同一里程段長時間停留，降低安全風險。

3 總體施工方法

施工順序：施工準備→測量放樣→超前支護施工→隧道開挖及支護。本隧道下穿京昆高速公路段采取三臺階臨時仰拱法施工。（圖1）

圖1 縱斷面示意圖

三臺階臨時仰拱法施工步驟如圖2。

①施工超前支護，開挖上臺階；施作上臺階的初期支護和臨時仰拱。②上臺階施工約3 至5m 后，開挖中臺階，施作中臺階的初期支護和臨時支護。③中臺階施工約3 至5m 后，開挖下臺階，施作下臺階的初期支護和臨時支護。中臺階施工約5m 后，開挖拱底；施作拱底初期支護。④根據監控量測結果，待數據穩定后，澆筑仰拱砼，澆筑仰拱填充砼。⑤利用二襯臺車一次性灌筑隧道二次襯砌砼。

4 超前支護

經過詳細現場踏勘和方案優化研討后，超前支護將原設計的中管棚變更為50m 長大管棚一次性穿過，在DK608+000～+005 段進行斷面擴挖為洞內施工長管棚創造空間，形成管棚工作室，在“室內”開挖過程中輔以雙層小導管注漿。超前支護參數為：大管棚里程DK608+005-055，Φ108 鋼管環向間距0.4m，每根長50m，角度1°～3°，共52 根；雙層超前小導管環向間距0.3m，每根長4.5m，小外插角10°，大外插角20°，每環65 根，注漿飽滿。大管棚施工過程中采取成孔一個、送管一次、注漿一次的方式，確保了管棚質量，長管棚施工周期共計9 天。

4.1 超前長管棚施工

①管棚工作間設置。將洞內DK608+000～DK608+005段作為管棚工作間，根據鉆機工作需要將斷面擴挖60cm并按照V 級圍巖參數加以支護。

②導向管安裝。施工管棚前，在管棚工作間掌子面開挖輪廓線上方安裝一榀拱架，用錨桿將其鎖定，在拱架背部將管棚導向鋼管（?127mm×1m）焊接固定。隨后掛網噴砼將掌子面封閉，封閉時將導向管端頭露出。考慮到鉆具下垂等因素，導向管設2°～5°外插角。

③鉆孔施工。根據現場場地條件及地質情況，選用履帶式液壓鉆機（JK358H 型），該機操作靈活、扭矩大、行動方便，適合在隧道內進行作業。鉆孔采用翼片式硬質合金鉆進工藝進行鉆孔，從下到上、從兩邊到中間依次進行。搭建穩固的鉆機平臺，鉆機固定牢靠；鉆孔時要精確對孔，鉆具上安裝扶正器；在鉆進過程中使用全站儀、羅盤測斜儀進行測量，及時糾偏。

④鋼管頂進安裝。該段地質較差,成孔后須將鋼管及時頂進。利用鉆機動力頭對管棚鋼管進行頂進。

⑤注漿作業。采用雙液注漿泵,前進式注漿。每根鋼管送管完成后及時注漿。注漿壓力1.0MPa 至1.5MPa 或根據現場情況適當調整。

4.2 雙層小導管補強

如在施工過程中發現監控量測數據變化大，或開挖后拱頂圍巖掉塊等情況，根據實際情況對超前支護進行補強，補強采用雙層小導管的形式。

5 微差控制爆破

本隧道下穿高速公路段開挖，須嚴格控制炮眼裝藥量，嚴格按照爆破設計進行控制爆破，并監測高速公路路面爆破震動速度，根據監測情況分析，如有必要則采用微震爆破輔以機械開挖法進行施工。

5.1 控制爆破技術及設計原則

采用微差震動控制爆破，掌子面炮眼按照淺密布置原則，保持一次性進尺不超過1m（V 級圍巖鋼架間距0.6m），炸藥盡可能均勻的分布在炮孔中，裝藥不得過于集中。周邊眼按光面爆破設計，間隔裝藥起到減振效果，裝藥采用小直徑藥卷不耦合結構。爆破設計原則如下：

①保證隧道上方圍巖的穩定，采用光面爆破技術。②嚴控爆破振動對高速公路的影響。采取微差起爆網路，質點振動速度Vmax≤2cm/s。③炮孔參數及施工工藝必須科學合理，確保爆破效果達到現場要求。④裝藥結構合理，保證炮孔堵塞質量，確保炮泥長度，保證爆破效果。

5.2 爆破器材選擇

隧道施工各種考慮施工風鉆用水和少量的地下滲水，炸藥采用乳化炸藥，具體良好的防水性。藥卷直徑?=32mm，長度L=200mm，單根重200g，炮孔內選用延時非電導爆管雷管，雷管段數為1、3、5、7、9、11、13、15 段，雷管腳線長5m；起爆雷管采用電雷管。

5.3 選定爆破參數

通過多次現場爆破試驗，選定爆破參數見表1。

表1 光面爆破參數

掌子面為V 級圍巖，各鉆孔深度為：周邊眼深1.0m，輔助眼深1.2m，掏槽眼深1.5m，底板眼深1.2m。單孔裝藥量為：掏槽眼0.75kg/孔，周邊眼0.15kg/孔，底板眼0.48kg/孔，輔助眼0.36kg/孔。

完成裝藥后，采用粘土將炮孔扣除堵塞，堵塞長度≥20cm。

5.4 起爆

采用非電微差復式起爆網路，具有爆破成功率高、等間隔微差起爆、成本低等優點，起爆段數與炮眼數不受雷管段別限制，能有效降低爆破振動，確保了高速公路安全運行。導爆引線連接線必須采用同種段數的導爆管，尾線≥5m。非電毫秒雷管插入炸藥內，正向裝入炮孔中，導爆管引線采取一把抓連接形式，雷管采用低秒段，同組連接線必須采用同種秒段導爆管。

5.5 爆破震動監測

為了掌握隧道爆破對高速公路的影響，隧道爆破作業時采用震動波探測儀監測并記錄數據，比較放炮時監測到的震動波與設計允許值，如果不滿足設計要求，則須調整爆破參數，采取加密炮眼數量、減少炸藥量等措施，確保現場探測到的震動波數據滿足設計要求。在爆破過程中，嚴格按照短進尺、弱爆破的原則，采取多打眼、少裝藥的方法以達到控制爆破的目的。

6 初期支護

初期支護參數為：鋼架采用I20b 型鋼，鋼架間距為0.5m，鋼架在開挖面初噴砼約4cm 后架設，再復噴至設計厚度27cm；鋼筋網片采用Ф8 圓鋼，網格間距為20×20cm，網片搭接長度1-2 個網格；初噴混凝土強度為C25，采用濕噴工藝；本隧道分界以拱部161°劃分，拱部采用Ф25 組合中空錨桿，長度為3.5m，每延米根數為16.03 根，間距1.2×1m，邊墻采用Ф22 砂漿錨桿，長度為3.5m，每延米根數為4.5 根，間距1.2×1m。每榀鋼架配有長度為4.5m 的鎖腳錨桿12 根；Ф22 縱向連接筋間距1m。

V 級圍巖上臺階每循環開挖進尺1 榀拱架（0.5m），采取控制爆破技術減少震動對高速公路的影響，初噴混凝土后及時支護，每天開挖3 個循環，確保鋼架順直，嚴格控制鎖腳錨管角度、長度和注漿質量。中下臺階每循環開挖2榀拱架，左右錯開4 榀拱架，嚴禁對稱開挖。

7 二次襯砌

在下穿高速段落嚴格控制仰拱距離掌子面距離不超過30m，及時施工二次襯砌。二次襯砌參數為：防水板搭接長度15cm，土工布搭接長度10cm；襯砌混凝土主筋：Ф25螺紋鋼，間距20cm；分布筋：Ф14，間距25cm；鋼筋保護層厚5.5cm，C35 鋼筋混凝土襯砌厚50cm。

8 監控量測實施方案

旺牛村隧道在DK608+005-DK608+055 段下穿京昆高速公路，長度50m，為V 級圍巖，屬淺埋地段。根據《監控量測技術規范》埋設地表沉降點及洞內拱頂沉降、收斂點。

地表點在下穿開挖前布設，地表沉降點與隧道內測點布設在同一斷面里程，形成量測信息體系，便于相互印證。地表與洞內量測頻率相同。采取信息化量測軟件，及時對埋設點進行量測并現場上傳數據，確保數據準確、圍巖變形信息及時反饋，軟件自動進行數據處理并擬合成變形曲線，便于各級終端查詢掌握。

①地表量測點布設：

監測網設置范圍為隧道中線左右兩側各25m。共埋設地表點5 排，排間距10-20m，每排8 個點。分別為DK607+991、DK608+018、DK608+030、DK608+044、DK608+064，監測頻率為每天一次，直至二襯施工完成，且曲線呈收斂趨勢，無突變及異常。在施工期間，路面沉降觀測1 次/天。當變形速率增大時，監測次數加密。

②洞內量測點布設：

下穿高速公路段洞內每5m 布設一個監測斷面，上中下三條測線，拱頂布設一個沉降點，拱頂及收斂在每次開挖后12h 內取得初讀數，開挖階段1 次/天，當出現變形速率增大時（日變形速率安全值為5mm/天），監測次數加密，直至二次襯砌施工為止。下穿高速公路監控量測觀測周期約40 天。觀測期間曲線穩定，呈收斂趨勢。

舉例：DK608+018 洞內拱頂下沉及收斂點（上中下導）。

拱頂下沉點觀測20 期，累積沉降量-6.3mm，曲線穩定。收斂點上導觀測20 期，累積沉降量-3.54mm，中導16期，累積沉降量7.79mm，下導12 期，累積沉降量17.47mm。曲線圖上分析，無突變和異常，呈收斂趨勢。（圖3）

圖3 拱頂下沉曲線圖

地表沉降點DK608+017（共觀測8 個點）。

地表沉降點觀測49 期，8 個點累積沉降量范圍4.7～-8.6mm，曲線平緩穩定。

綜上，采取單循環長管棚工作室施工技術和微差控制爆破，按照三臺階施工工藝有效地防止了地表、洞內拱頂和收斂變形，經監測高速公路路面達到了零沉降的效果。

9 結論及建議

本文著重介紹了鐵路隧道下穿高速公路時采取單循環管棚工作室一次性穿越軟弱圍巖施工技術，通過微差控制爆破和信息化監控量測手段，既縮短了下穿高速公路施工時間，也有效地控制了圍巖變形，達到了“零沉降”的效果，故在下穿高速公路等建筑物時，如果穿越距離能滿足一次性完成超前支護的條件，本文為此提供了一定的借鑒經驗。