小角度、长距离、浅埋铁路隧道下穿高速公路施工工法

魏明健

中铁二十二局集团第四工程有限公司

1 工程概括

新建金华至台州铁路工程简称金台铁路，上岙隧道设计桩号DK125+680～DK125+840段下穿现状S28（台金）高速路基。上岙隧道与台金高速公路交叉角度为18°，隧道结构与高速公路路面垂直净距为11.32m，隧道上部围岩厚度为9.82m。上岙隧道下穿高速公路位置围岩级别为Ⅳ～Ⅴ级围岩。

2 工艺原理

上岙隧道下穿高速段主要采取高速路面及边坡监控量测，洞内施工采用超前支护及控制爆破，开挖方法采用两台阶临时仰拱法，加强初期支护，洞内加强超前地质预报及监控量测等措施保证高速公路通行及施工安全，具体采取以下措施：

（1）洞内超前支护采用φ108超前管棚注浆加固地层，环向间距加密至30cm。

（2）洞身开挖采用两台阶临时仰拱法，根据现场实际工程地质、水文地质条件选取爆破参数采用控制爆破方案：根据设计文件，隧道下穿段属断层破碎带及影响带，流纹斑岩，块状构造，岩体极破碎，呈角砾碎石状松散结构，易塌方掉块。为保证隧道上方高速公路运营安全，进入下穿段后如现场实际围岩破碎，尽量采用机械凿除的方式进行开挖，减小振动对高速公路的影响；如围岩状况不具备机械凿除的条件，则考虑采用控制爆破方案。

（3）爆破采用控制爆破并加强超前地质预报。

（4）初支全环采用I20a型钢钢架，钢架间距0.6m/榀。

（5）加密地表监控量测控制点，监测人员及时反馈监测信息，调整施工参数，保证安全施工。

（6）二衬紧跟，采用50cm厚钢筋混凝土。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 超前管棚施工

（1）注浆加固范围及管棚布设。在DK125+680～DK125+840段隧道的拱部120°范围内设置超前管棚。管棚直径为Φ108mm，环向间距0.3m，每根长43m，搭接长度为3m，管棚有效长度40m，每环33根。单线隧道洞内管棚施工，有条件的项目可以考虑将管棚材料升级采用地质管，施工工效会更高。

（2）安装导向钢管。类似于一般的洞口超前管棚施工，但此处要考虑洞内施工条件，主要是考虑钻孔机具的操作空间，在管棚3m工作室掌子面洞身开挖轮廓线处架设三榀拱架，拱架根据洞室轮廓提前加工，拱架必要时用锚杆多处锁定，将管棚导向钢管焊在拱架顶部，形成洞内套拱。导向管要加大外插角1°～3°安装。

（3）钻孔。根据地质条件及洞内场地条件选用合适的钻机，钻机要适于单线隧道洞内作业。钻孔施工顺序由两边向中间间隔依次进行。

（4）安装管棚钢管。由于该段设计为Ⅴ级加强围岩，地质条件复杂多变，因此成孔后要及时顶进，顶进时第一根钢管前端要加工成锥形。管棚钢管利用钻机动力头顶进，钢管间为内套管焊接连接。为了增强管棚的整体结构性能，相邻两孔钢管接头错开至少1m，同一断面钢管接头数≤50%。

（5）注浆。为了避免围岩内孔隙水通过钻孔流出而引起地面沉降，必须及时注浆。注浆压力通常为0.5MPa～1.0MPa或根据施工需要另行调整。注浆时严格控制注浆压力，安排专人在高速路面进行检查，防止注浆时对高速路面造成影响。

（6）超前小导管。为了确保隧道上方公路的运营安全，根据现场实际开挖后地质情况，围岩较差时采用超前管棚相邻钢管间增设小导管的辅助措施。

3.2 洞身开挖

上岙隧道下穿段施工两台阶法临时仰拱，施工工序纵断面见图1。此段开挖支护方式原设计为三台阶临时仰拱，但是结合现场实操和安全步距的双重因素，大胆采用两台阶临时仰拱开挖工法。因此，施工顺序与三台阶临时仰拱大同小异。

图1 两台阶临时仰拱法施工工序纵断面

（1）在上一循环的超前支护防护下，弱爆破开挖①部→施作①部周边的初期支护：初喷混凝土，铺钢筋网，架立钢架（设锁脚锚杆），钻设径向锚杆，复喷混凝土至设计厚度。施作临时仰拱A，导坑底部铺设Ⅰ20临时仰拱并喷20cm厚混凝土。

（2）弱爆破开挖②—1部→施作②—1部初期支护：初喷混凝土，铺钢筋网，架立钢架（设锁脚锚杆），钻设径向锚杆，复喷混凝土至设计厚度。

（3）弱爆破开挖②—2部→施作②—2部初期支护：初喷混凝土，铺钢筋网，架立钢架（设锁脚锚杆），钻设径向锚杆，复喷混凝土至设计厚度。

（4）弱爆破开挖③部→施作③部初期支护：即初喷混凝土，架设钢架，复喷混凝土至设计厚度。

（5）灌筑（IV）部仰拱与边墙基础；待仰拱混凝土初凝后，灌筑仰拱填充（V）部至设计高度。

（6）根据监控量测分析，确定二次衬砌施作时机，拆除临时仰拱A→铺设环+纵向透水盲沟、防水板+土工布→利用衬砌模板台车一次性灌筑（VI）部（拱墙）衬砌。

3.3 爆破设计

上岙隧道下穿台金高速公路段最浅埋深9.82m（隧道开挖顶至路基底）。单线隧道断面开挖总面积73.79m2：上台阶开挖高度6.89m、面积46.45m2；下台阶开挖高度3.40m、面积27.34m2。为保证隧道施工安全步距，采用二台阶临时仰拱法施工的加密超前管棚注浆支护下的超短台阶爆破施工方案。

3.3.1 下穿段隧道掘进爆破参数设计

（1）炮孔深度L。爆破设计的炮眼深度主要受隧道断面大小、周边环境安全要求的控制[1]，由于本区域隧道属浅埋且其顶部有运营中的高速公路，掘进循环进尺控制在1m以内，所以主炮眼深度取L=0.8m。

（2）掏槽眼布置。为了加大掏槽深度，上岙隧道下穿段爆破采用楔形掏槽孔，每对掏槽眼呈近似对称形。掏槽孔孔距a取0.5m～0.6m，本段取0.5m。

（3）周边孔和辅助孔布置。周边眼布置在距开挖断而边缘0.07m～0.15m位置，周边眼之间的距离约为0.4m～0.5m，隧道的开挖轮廓拱形转角处，炮眼要密一些，眼间距取小值，辅助孔间距a取0.5m～0.7m。辅助眼均匀地布置在掏槽眼与周边眼之间的范围内，钻眼方向则垂直于隧道开挖面，本段取0.5m～0.6m。

（4）单位炸药消耗量q。根据围岩级别不同及循环进尺而选取，本段Ⅳ、Ⅴ级围岩取q=0.8～1.0kg/m3。

（5）炮孔布置与参数设计。炮孔间距a与炮孔排距b，分别取a=0.5m～0.6m、b=0.5m～0.6m。

（6）炮孔数量N。按下式计算：

式中：

q——每立方米炸药消耗量kg/m3，q=0.8～1.0kg/m3（Ⅳ、Ⅴ级围岩）；

S——开挖面积，m2；

N——炮眼装药系数（装药深度与炮眼深度的比值），n=0.65；

r——每米长度炸药的重量，kg，取1.0。

本设计为两台阶仰拱法：循环进尺暂取L=0.8m，采用二层共四排楔形掏槽孔掏槽，炸药单耗取q=0.9kg/m3；设计总断面面积73.79m2，其中上/下台阶开挖面积为46.45/27.34m2。炮眼装药系数（装药深度与炮眼深度的比值）n取0.28；计算得全断面炮眼数237个，设计约取N=279个（含周边眼）。

（7）炮孔装药量计算。按下式计算：

（8）药结构与填塞。采用连续不耦合装药结构：装药前应计算好单孔装药量，装药时轻轻将炸药放入炮孔中，孔口采用石粉或黏土（黏土含水量为10%～30%）堵塞，因周边孔较浅，其装药不分层。

3.3.2 爆破起爆网路设计

起爆网路连接应由有经验的爆破员或爆破工程技术人员进行，并经现场爆破技术负责人检查验收。隧道洞身开挖爆破的一次起爆顺序为：掏槽眼→辅助眼→周边眼→底板眼，爆破网路采用簇联形式。

3.4 监测方案

（1）洞内监控量测。根据设计及规范要求，在隧道拱顶、拱腰及边墙位置设置变形监测点。严格按照规范要求进行日常监测。

（2）路面沉降监测。上岙隧道DK125+680～DK126+840段，变形监测总长度为160m。在高速公路两侧路肩间隔10m布置监测点，考虑到传感器设备安装、更换方便且不影响后期运营维护、检查，将观测点浅埋于路面。在路肩位置沿公路方向开挖30cm的方形沟槽，在沟槽底部每个10m固定安装一块沉降板，将静力水准仪、传输总线及联通管平行于高速公路线路方向通过M8螺栓固定在沉降板之上并覆土浅埋。仪器安装调试完成后测定初始数据，后续施工过程中路面沉降变形数据通过监控系统传输至后台，根据需要实时读取变形数据，监测过程中无须人工干预。

（3）边坡变形监测。根据现场实际情况，高速公路两侧路堑边坡植被茂密，不具备人工监测的条件，故采用一体化GNSS监测站对边坡稳定状况进行监测。

（4）爆破振速监测。监测点布置在下穿隧道爆破对应的地面上，监测仪器采用三分量速度传感器。

（5）系统特点。变形智能监测的关键技术在于采用测试精度高、响应速度快、长期稳定性好的传感测试技术。本系统拟采用静力水准仪为核心的监测方法，搭建变形智能监测系统。

该智能监测系统的优势在于：①全生命周期覆盖。该系统不仅可以满足铁路建设期高标准要求，更可满足运营期使用需要；②观测精度高。系统采用自适应卡尔曼滤波算法，可对施工干扰、人为触碰、列车通行等常见干扰引起的异常沉降进行智能识别与修正，同时配合高精度的静力水准仪可满足变形监测精度要求；③实时性强。系统可全天候开展监测，其监测时间和监测频次可根据监测情况自适应调节，可最大程度确保监测的时效性；④功能全面。系统具有动态评估功能，可实时对当前是否具备铺轨条件与沉降变化趋势进行评估分析，确保监测数据的针对性与有效性。

（6）监测预警系统。施工过程中路面沉降等要求须满足《公路路基设计规范》（JTGD30—2004）及其他相关公路规范规定，根据设计要求及参考国内外类似标准，预警值如下：①地表累计沉降量允许值≤20mm，预警值设置为15mm；日均沉降速率≤2mm/天，预警值设置为2mm/天；②边坡变形预警值：水平位移、垂直位移累计值≤35mm，预警值设置为30mm；日均位移速率≤2mm/天，预警值设置为2mm/天；③隧道开挖采用控制爆破，爆破振速≤2.5cm/s。同时系统可根据相关单位要求，灵活定制预警结果发送方式、发送对象，并根据预警等级结果启动相关应急预案。

4 结束语

在铁路隧道工程建设中，近距离上跨、下穿既有建筑物的情况无法避免。该工法成功应用于金台铁路上岙隧道下穿台金高速公路段落，缩短了施工工期，降低了施工安全风险，目前上岙隧道已安全顺利贯通。