新建鐵路隧道下穿公路隧道時的沉降控制技術研究

郭巖

（中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400000）

0 引言

隨著我國交通建設的快速發展，各地公路工程和軌道環線工程的建設規模逐漸加大，這也造成了公路隧道與鐵路隧道交叉建設的情況，且這種情況在逐漸增多。地下隧道“下穿上跨”建設的相互影響成為目前巖土工程中需要解決的問題之一。因此，研究針對新建鐵路隧道下穿公路隧道時的沉降控制技術，對提升我國隧道施工水平有重要意義。

1 工程概述

1.1 新建鐵路隧道概況

新建重慶鐵路東環線回龍灣隧道起訖里程為DK19+460—DK23+810，全長為4350m，設進口、斜井、出口三個工區。全隧多處淺埋，最小埋深為25m，最大埋深約為196m。洞身DK23+480—DK23+580 段下穿龍洲灣2 號公路隧道，軌面與路面高差約為17m，與線路反向交角為82°，拱頂與上方公路隧道仰拱凈巖層厚約為5m。龍洲灣2 號隧道與新建回龍灣隧道上下構造關系如圖1 所示。

圖1 龍洲灣2 號隧道與新建回龍灣隧道上下構造關系圖

1.2 在建公路隧道概況

龍洲灣2 號公路隧道與新建回龍灣隧道交叉地段二襯、路面及附屬工程已施工完畢，下穿施工斷面采用弧形導坑爆破式開挖，對仰拱底圍巖的整體性有一定的影響。采用加強型襯砌，擬預留鐵路隧道施工沉降空間5cm（實際未預留），交叉段內襯砌每模預留變形縫，變形縫處二襯縱向鋼筋斷開。各結構封閉成環，初支為I20b 工字鋼，間距0.8m/榀；鋪設φ8mm鋼筋網，網格間距為20cm×20cm；施工φ22 藥卷錨桿，長度為3.5m，呈梅花形布置，后噴C25 混凝土，厚度為26cm；初支面預留12cm 沉降變形量，并鋪設無紡布及自黏式防水卷材，最后進行二次襯砌施工，厚度為55cm 的C30 鋼筋混凝土，并采用φ22 鋼筋加強。

2 下穿隧道沉降控制技術

根據掌子面揭示及超前地質預報結果，該段圍巖完整性、穩定性較好，基本上為砂巖，節理裂隙不發育，隧道軸線與地層走向大致平行，巖層較陡，隧道出水形式以滴水為主，為IV 級圍巖。同樣位置的龍洲灣2 號隧道資料顯示與該段圍巖情況一致。新建鐵路隧道下穿既有公路隧道，原地質條件穩定，但上下方隧道凈距僅為5m，且上方隧道開挖時采用爆破施工，擾動較大，實際地質條件相對較差，該節點的沉降控制是整個區間施工的重難點之一。

根據現場實際施工情況及對監控量測數據的分析，除嚴格按設計方案執行外，仍須對隧道沉降影響最大的超前支護、臨時支撐、初期支護等工藝進行優化管控[1]。

2.1 優化超前支護工藝

新建鐵路隧道與上方隧道凈距離太短，最短處僅為5m，如采用傳統管棚施工方式，則要先開工作室、鉆孔，再頂管施工，對圍巖擾動很大，不利于圍巖穩定，故選用不需要管棚工作室的T76S 自進式超前支護，在掌子面開挖輪廓線起向后6m 范圍，拱部調高40cm 即可。更重要的是T76S 自進式超前支護采用鉆進、注漿、支護一體化設計，安裝高剛性、大慣性力矩的連續螺紋厚壁鋼管，同步注漿一次完成，可達到小擾動下超前預加固圍巖的目的，再通過二次注漿，使螺紋桿體同圍巖有效黏結，可防止隧道施工拱頂坍塌，控制下沉量，保證掘進安全。

2.1.1 工藝流程

通過使用高強度自鉆式螺旋管棚帶合金鉆頭和C6 鉆機配置的旋轉注漿頭，在新建鐵路隧道施工中實現了鉆進、安裝和注漿一次完成。完成鉆孔后，進行二次高壓注漿以確保施工質量。具體工藝流程如圖2 所示。

圖2 T76S 自進式超前支護施工工藝流程

2.1.2 工藝要點

（1）施作鉆機工作室

拱頂挑高，掌子面開挖輪廓線起向后6m 區域，拱部管棚施作區域調高40cm，噴加筋混凝土（鋼筋網片100cm×100cm，φ12mm），厚度為10cm，掌子面素噴厚度為10cm 的混凝土進行保護。

（2）施作簡易護拱

在開挖輪廓線以外拱部150°范圍內架設I22a 工字鋼，工字鋼上開孔，孔徑為150mm，間距為40cm，并在每個孔上安裝鋼管（φ150mm，長度為1m）作為孔口導向鋼管。相鄰孔口導向鋼管用鋼筋焊接固定，定位后再與工字鋼牢固焊接，孔口導向鋼管同隧道壁的間隙噴混凝土充填。孔口導向鋼管安裝的平面位置、傾角和外插角的施工精度一定程度上影響管棚的質量。因此，基于坐標法，采用經緯儀在工字鋼架上明確孔口導向鋼管的平面位置；采用水準尺和坡度板確定孔口導向鋼管的傾角；用前后差距法確定孔口導向鋼管的外插角[2]。

（3）鉆機定位

鉆機作業平臺建于水平、穩定、牢固的地基上，并加裝枕木增加強度；鉆機應與孔口導向鋼管方向保持平行，鉆機位置采用經緯儀、掛線、鉆桿導向等方法相結合精準核算確定，以保證鉆桿軸線與孔口導向鋼管軸線一致。鉆進時，優先進行高孔位作業。

（4）注漿

M400NT 型注漿機應緊鄰鉆機作業平臺，便于配合鉆進施工。現場配備高壓水管以備清洗鉆孔，準備好注漿泵與鉆機連接的接頭及T76S 快速注漿接頭。注漿采用32.5 水泥，調好注漿泵水流量，水灰比應嚴格控制為0.5（對應流量表為570mL/h）。M400NT 型注漿機配MP4L 泵單元，流量為800L/h(0.8m3/h)；水灰比最低可達到0.33；注漿壓力正?？蛇_到4MPa；最長輸送距離可達到60m。

（5）鉆孔

采用φ130mm 鉆頭，在鉆機上安裝好T76S 管棚鋼管，先用水潤滑注漿管和C6 鉆機注漿通路，直到孔口導向鋼管內有水流出。然后啟動注漿泵直到孔口導向鋼管內有水泥漿流出。鉆機施工作業開始時，應保持低速低壓，當成孔尺寸大于1m 時，可根據現場施工情況和地質狀況提高鉆孔速度和壓力。鉆機轉速應保持在100 轉/min 左右，鉆進過程中需保持鉆孔中始終有水泥漿。一根鋼管鉆進到位后，應立即停泵，并迅速安裝接頭接長管棚，在管棚鋼管從鉆機上卸下之前，應觀察注漿泵壓力表，如有壓力應先卸壓再拆卸。

此外，在鉆孔施工過程中，應先測量鉆孔的平面位置和外插角（1～3°），并對孔進行依次編號，施工時應著重關注鉆機下沉量、左右偏移量以及孔的斜度，出現偏移和誤差應立即修正。

（6）終孔注漿

采用M400NT 型注漿機在管棚區域開展注漿工作，機組系統最大工作壓力可達到8MPa，符合設計要求。采用奇偶數螺紋管進行由下到上、由左到右的間隔注漿，注漿順序為先奇后偶。注漿壓力的初壓為2～3MPa，終壓為5MPa。施工人員應認真填寫注漿記錄，以便于進行施工復盤。注漿工作收尾后，應立即清管并采用錨固劑填充注漿端頭。

2.2 優化臨時支撐工藝

通常斷面采用臨時型鋼鋼架橫向支撐，方便施工；根據圍巖觀測數據，當變形量加大時，橫向對應初支拱架設置Ⅰ20 型鋼臨時仰拱，臨時仰拱之間采用C10 槽鋼縱向連接并噴射厚度為15cm 的混凝土進行封閉。增設I22b 臨時豎撐及其監控量測點，增加對臨時豎撐的應力監測，密切關注圍巖應力變化。

2.3 優化初期支護工藝

第一，按設計方案快速進行初期支護封閉，盡量縮短圍巖暴露時間。第二，為避免下穿既有公路松散堆積壓力所造成的初期支護開裂下沉、鋼架扭曲變形、噴射混凝土掉塊等嚴重的安全質量隱患，保障施工安全，在設計要求的基礎上進行以下加強處理[3]。

2.3.1 型鋼鋼架增強

對比Ⅰ22b 及Ⅰ20b 型鋼力學性能，每延米Ⅰ22b 型鋼較Ⅰ20b 型鋼重5.4kg，通過Ⅰ20b（Ⅰ22b-Ⅰ20b）/Ⅰ20b計算可知重量增加了17%，但鋼截面慣性力矩增加了1070，即增加了42.8%，可花較少費用換來支護安全系數的大幅提升。因此，施工到龍洲灣隧道正下方區段時，將原設計方案的Ⅰ20b 型鋼加強為Ⅰ22b 型鋼。全環采用Ⅰ22b 工字鋼，間距為0.6m，并增設Ⅰ22b 臨時豎撐。

2.3.2 開挖基底兩側縱向敷設Ⅰ20 型鋼下墊梁

開挖后，在開挖基底兩側縱向敷設Ⅰ20 型鋼下墊梁，下墊梁單節長度根據掌子面循環進尺確定（分為0.6m、1.2m 兩種），兩節之間采用螺栓連接，為便于下道工序拆除，只在靠內側連接板上下各安裝1 組螺栓，且在噴射混凝土前將螺栓擰緊，并用土工布或其他編織物將該處包裹。

2.3.3 上導坑型鋼鋼架底腳加強

增設Ⅰ20 型鋼縱向下墊梁，拱墻腳在設計基礎上再增加一組鎖腳錨管。

2.3.4 初支鋼拱架之間縱向采用短Ⅰ20 型鋼加強

為加強型鋼鋼架縱向連接，在拱頂設置初支鋼拱架3 榀（環向間距為0.6m），拱腳處左右各3 榀（環向間距為0.6m），縱向均采用Ⅰ20 型鋼加強，其余部分仍采用原設計方案的φ22 螺紋鋼筋進行連接。

3 現場監控量測數據分析

回龍灣隧道DK23+480—DK23+580 段洞內監控量測斷面每5m 布設一個監測斷面。龍洲灣隧道按回龍灣隧道中線左右側各50m 范圍設置布置點，并在龍洲灣隧道成形的襯砌上每5m 布置一環監測點。在鐵路隧道開挖施工全過程中，除對洞內監測點進行量測分析外，還對公路隧道左洞和右洞的拱頂及道路兩側進行豎向位移監測，對公路隧道左洞和右洞的拱肩及邊墻兩側進行水平位移監測[4]。

從現場實際監測所得數據可知，在實際工程中，各斷面在新建隧道開挖過程中，由于監測存在系統誤差等，導致位移量存在起伏波動。但從整體過程上看，隨著施工的推進，各監測點無論是沉降量還是周邊收斂量都在不斷地增加，最后隨著新建隧道開挖遠離既有隧道，各部位的位移變化逐漸穩定，新建隧道開挖對上部隧道的穩定性影響逐漸減小。其中既有隧道最大拱頂沉降量為2.2mm，最大周邊收斂量為1.6mm，現場各斷面最大下沉量及收斂量如表1 所示。當鐵路隧道建設經過公路隧道時，襯砌位移變化量較小，基于后位移值收斂，該變化量符合規范值區間要求。說明鐵路隧道選用規范恰當的開挖支護形式，且匹配合適的沉降控制策略時，能夠保證公路隧道的穩定性。

表1 現場各斷面最大下沉量及收斂值統計表

4 結語

案例工程已通過專家評審，通過優化超前支護、初期支護等關鍵工序中的工藝工法及沉降技術措施，以監測數據反饋指導施工，該工程施工難點取得突破。現場最終實際監測數據也反映出方案可行，措施得力，有效控制了新建隧道施工對上方構筑物的影響，該案例工程所采取的沉降控制技術有一定的參考價值。