铁路隧道单循环超长管棚工作间下穿高速公路技术

裴强PEI Qiang

（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

随着我国交通运输网络不断完善，铁路建设规模不断扩大，铁路建设水平也在不断提高，在基础设施建设过程中出现了越来越多的立体交通，诸多的“铁跨公”或“公跨铁”等下穿与上跨工程给建设者提出了更高的建设要求，如何在立体交通建设过程中确保安全跨越或下穿是建设者值得研究的关键环节。本文以成昆铁路扩能改造工程中旺牛村双线铁路隧道下穿京昆高速公路为研究对象，通过优化设计、强化施工组织、信息化监控量测等方式确保隧道顺利穿越繁忙公路，为同类工程提供借鉴。

1 工程概况

改建成昆铁路米易至攀枝花段旺牛村隧道起讫里程为DK607+965 至DK610+897，全长2932m，最大埋深245m。双线铁路隧道，左、右线间距为4.200～4.616m，设计为12‰单面上坡。隧道按速度目标值160km/h 铁路双线隧道设计。开挖断面127.3m2，开挖最大宽度为13.16m。旺牛村隧道在DK608+005～DK608+080 段下穿京昆高速公路，本隧道线路与京昆高速公路基本垂直相交，高速公路路面至本隧道结构顶部约17m，为Ⅴ级围岩，属浅埋地段，地质构成为全风化球状花岗岩。

本隧道下穿高速公路段掌子面围岩为全风化球状花岗岩，暴露后短时间内形成粗粒砂，整体较为密实，但自稳性差。超前大管棚环向间距0.4m，每根长50m，角度1°～3°，共52 根；双层超前小导管环向间距0.3m，每根长4.5m，小外插角10°，大外插角20°，每环65 根。初期支护钢架采用I20b 型钢，钢架间距为0.5m，钢架在开挖面初喷砼约4cm 后架设，再复喷至设计厚度27cm；网片采用Ф8圆钢，网格间距为20×20cm；初喷混凝土强度为C25；二衬采用50cm 厚C35 钢筋混凝土。

2 施工方案的优化

2.1 超前地质预报及围岩特性

根据信息化施工及设计图纸要求，在下穿段施工前必须一次性完成下穿段地质预报，探明掌子面前方气质情况，具体采取超前钻孔（2 孔1 孔取芯）+TSP 物探+红外探水三种方式相结合，探明DK608+000～+080 段均为全风化花岗闪长岩，芯样长度最长为8cm，轻敲击易破碎呈球状颗粒，自稳性差，有少许渗水。

2.2 单循环管棚工作间的优越性

原设计DK608+005～DK608+080 段的下穿施工管棚方案为：多循环管棚工作间，拱部ϕ76mm 中管棚，环向间距0.4m，每7m 一环，每环52 根，每根长10m，共7 个循环，经计算管棚施工时间共计28 天，且需要间隔施工即管棚成环一段开挖一段，依次循环，在洞内打设管棚期间出现长时间停留，加大安全风险。本工程因下穿批复工期时间短，围岩为全风化花岗岩，长期暴露易形成砂状颗粒，为了在更短的时间内完成下穿施工，缩短围岩暴露时间，降低安全风险，经过论证决定将原设计的下穿方案优化为50m 超长管棚一次性完成，形成单循环管棚工作间，大大缩短管棚施工时间，减少在洞内同一里程段长时间停留，降低安全风险。

3 总体施工方法

施工顺序：施工准备→测量放样→超前支护施工→隧道开挖及支护。本隧道下穿京昆高速公路段采取三台阶临时仰拱法施工。（图1）

图1 纵断面示意图

三台阶临时仰拱法施工步骤如图2。

①施工超前支护，开挖上台阶；施作上台阶的初期支护和临时仰拱。②上台阶施工约3 至5m 后，开挖中台阶，施作中台阶的初期支护和临时支护。③中台阶施工约3 至5m 后，开挖下台阶，施作下台阶的初期支护和临时支护。中台阶施工约5m 后，开挖拱底；施作拱底初期支护。④根据监控量测结果，待数据稳定后，浇筑仰拱砼，浇筑仰拱填充砼。⑤利用二衬台车一次性灌筑隧道二次衬砌砼。

4 超前支护

经过详细现场踏勘和方案优化研讨后，超前支护将原设计的中管棚变更为50m 长大管棚一次性穿过，在DK608+000～+005 段进行断面扩挖为洞内施工长管棚创造空间，形成管棚工作室，在“室内”开挖过程中辅以双层小导管注浆。超前支护参数为：大管棚里程DK608+005-055，Φ108 钢管环向间距0.4m，每根长50m，角度1°～3°，共52 根；双层超前小导管环向间距0.3m，每根长4.5m，小外插角10°，大外插角20°，每环65 根，注浆饱满。大管棚施工过程中采取成孔一个、送管一次、注浆一次的方式，确保了管棚质量，长管棚施工周期共计9 天。

4.1 超前长管棚施工

①管棚工作间设置。将洞内DK608+000～DK608+005段作为管棚工作间，根据钻机工作需要将断面扩挖60cm并按照V 级围岩参数加以支护。

②导向管安装。施工管棚前，在管棚工作间掌子面开挖轮廓线上方安装一榀拱架，用锚杆将其锁定，在拱架背部将管棚导向钢管（ϕ127mm×1m）焊接固定。随后挂网喷砼将掌子面封闭，封闭时将导向管端头露出。考虑到钻具下垂等因素，导向管设2°～5°外插角。

③钻孔施工。根据现场场地条件及地质情况，选用履带式液压钻机（JK358H 型），该机操作灵活、扭矩大、行动方便，适合在隧道内进行作业。钻孔采用翼片式硬质合金钻进工艺进行钻孔，从下到上、从两边到中间依次进行。搭建稳固的钻机平台，钻机固定牢靠；钻孔时要精确对孔，钻具上安装扶正器；在钻进过程中使用全站仪、罗盘测斜仪进行测量，及时纠偏。

④钢管顶进安装。该段地质较差,成孔后须将钢管及时顶进。利用钻机动力头对管棚钢管进行顶进。

⑤注浆作业。采用双液注浆泵,前进式注浆。每根钢管送管完成后及时注浆。注浆压力1.0MPa 至1.5MPa 或根据现场情况适当调整。

4.2 双层小导管补强

如在施工过程中发现监控量测数据变化大，或开挖后拱顶围岩掉块等情况，根据实际情况对超前支护进行补强，补强采用双层小导管的形式。

5 微差控制爆破

本隧道下穿高速公路段开挖，须严格控制炮眼装药量，严格按照爆破设计进行控制爆破，并监测高速公路路面爆破震动速度，根据监测情况分析，如有必要则采用微震爆破辅以机械开挖法进行施工。

5.1 控制爆破技术及设计原则

采用微差震动控制爆破，掌子面炮眼按照浅密布置原则，保持一次性进尺不超过1m（V 级围岩钢架间距0.6m），炸药尽可能均匀的分布在炮孔中，装药不得过于集中。周边眼按光面爆破设计，间隔装药起到减振效果，装药采用小直径药卷不耦合结构。爆破设计原则如下：

①保证隧道上方围岩的稳定，采用光面爆破技术。②严控爆破振动对高速公路的影响。采取微差起爆网路，质点振动速度Vmax≤2cm/s。③炮孔参数及施工工艺必须科学合理，确保爆破效果达到现场要求。④装药结构合理，保证炮孔堵塞质量，确保炮泥长度，保证爆破效果。

5.2 爆破器材选择

隧道施工各种考虑施工风钻用水和少量的地下渗水，炸药采用乳化炸药，具体良好的防水性。药卷直径ϕ=32mm，长度L=200mm，单根重200g，炮孔内选用延时非电导爆管雷管，雷管段数为1、3、5、7、9、11、13、15 段，雷管脚线长5m；起爆雷管采用电雷管。

5.3 选定爆破参数

通过多次现场爆破试验，选定爆破参数见表1。

表1 光面爆破参数

掌子面为V 级围岩，各钻孔深度为：周边眼深1.0m，辅助眼深1.2m，掏槽眼深1.5m，底板眼深1.2m。单孔装药量为：掏槽眼0.75kg/孔，周边眼0.15kg/孔，底板眼0.48kg/孔，辅助眼0.36kg/孔。

完成装药后，采用粘土将炮孔扣除堵塞，堵塞长度≥20cm。

5.4 起爆

采用非电微差复式起爆网路，具有爆破成功率高、等间隔微差起爆、成本低等优点，起爆段数与炮眼数不受雷管段别限制，能有效降低爆破振动，确保了高速公路安全运行。导爆引线连接线必须采用同种段数的导爆管，尾线≥5m。非电毫秒雷管插入炸药内，正向装入炮孔中，导爆管引线采取一把抓连接形式，雷管采用低秒段，同组连接线必须采用同种秒段导爆管。

5.5 爆破震动监测

为了掌握隧道爆破对高速公路的影响，隧道爆破作业时采用震动波探测仪监测并记录数据，比较放炮时监测到的震动波与设计允许值，如果不满足设计要求，则须调整爆破参数，采取加密炮眼数量、减少炸药量等措施，确保现场探测到的震动波数据满足设计要求。在爆破过程中，严格按照短进尺、弱爆破的原则，采取多打眼、少装药的方法以达到控制爆破的目的。

6 初期支护

初期支护参数为：钢架采用I20b 型钢，钢架间距为0.5m，钢架在开挖面初喷砼约4cm 后架设，再复喷至设计厚度27cm；钢筋网片采用Ф8 圆钢，网格间距为20×20cm，网片搭接长度1-2 个网格；初喷混凝土强度为C25，采用湿喷工艺；本隧道分界以拱部161°划分，拱部采用Ф25 组合中空锚杆，长度为3.5m，每延米根数为16.03 根，间距1.2×1m，边墙采用Ф22 砂浆锚杆，长度为3.5m，每延米根数为4.5 根，间距1.2×1m。每榀钢架配有长度为4.5m 的锁脚锚杆12 根；Ф22 纵向连接筋间距1m。

V 级围岩上台阶每循环开挖进尺1 榀拱架（0.5m），采取控制爆破技术减少震动对高速公路的影响，初喷混凝土后及时支护，每天开挖3 个循环，确保钢架顺直，严格控制锁脚锚管角度、长度和注浆质量。中下台阶每循环开挖2榀拱架，左右错开4 榀拱架，严禁对称开挖。

7 二次衬砌

在下穿高速段落严格控制仰拱距离掌子面距离不超过30m，及时施工二次衬砌。二次衬砌参数为：防水板搭接长度15cm，土工布搭接长度10cm；衬砌混凝土主筋：Ф25螺纹钢，间距20cm；分布筋：Ф14，间距25cm；钢筋保护层厚5.5cm，C35 钢筋混凝土衬砌厚50cm。

8 监控量测实施方案

旺牛村隧道在DK608+005-DK608+055 段下穿京昆高速公路，长度50m，为V 级围岩，属浅埋地段。根据《监控量测技术规范》埋设地表沉降点及洞内拱顶沉降、收敛点。

地表点在下穿开挖前布设，地表沉降点与隧道内测点布设在同一断面里程，形成量测信息体系，便于相互印证。地表与洞内量测频率相同。采取信息化量测软件，及时对埋设点进行量测并现场上传数据，确保数据准确、围岩变形信息及时反馈，软件自动进行数据处理并拟合成变形曲线，便于各级终端查询掌握。

①地表量测点布设：

监测网设置范围为隧道中线左右两侧各25m。共埋设地表点5 排，排间距10-20m，每排8 个点。分别为DK607+991、DK608+018、DK608+030、DK608+044、DK608+064，监测频率为每天一次，直至二衬施工完成，且曲线呈收敛趋势，无突变及异常。在施工期间，路面沉降观测1 次/天。当变形速率增大时，监测次数加密。

②洞内量测点布设：

下穿高速公路段洞内每5m 布设一个监测断面，上中下三条测线，拱顶布设一个沉降点，拱顶及收敛在每次开挖后12h 内取得初读数，开挖阶段1 次/天，当出现变形速率增大时（日变形速率安全值为5mm/天），监测次数加密，直至二次衬砌施工为止。下穿高速公路监控量测观测周期约40 天。观测期间曲线稳定，呈收敛趋势。

举例：DK608+018 洞内拱顶下沉及收敛点（上中下导）。

拱顶下沉点观测20 期，累积沉降量-6.3mm，曲线稳定。收敛点上导观测20 期，累积沉降量-3.54mm，中导16期，累积沉降量7.79mm，下导12 期，累积沉降量17.47mm。曲线图上分析，无突变和异常，呈收敛趋势。（图3）

图3 拱顶下沉曲线图

地表沉降点DK608+017（共观测8 个点）。

地表沉降点观测49 期，8 个点累积沉降量范围4.7～-8.6mm，曲线平缓稳定。

综上，采取单循环长管棚工作室施工技术和微差控制爆破，按照三台阶施工工艺有效地防止了地表、洞内拱顶和收敛变形，经监测高速公路路面达到了零沉降的效果。

9 结论及建议

本文着重介绍了铁路隧道下穿高速公路时采取单循环管棚工作室一次性穿越软弱围岩施工技术，通过微差控制爆破和信息化监控量测手段，既缩短了下穿高速公路施工时间，也有效地控制了围岩变形，达到了“零沉降”的效果，故在下穿高速公路等建筑物时，如果穿越距离能满足一次性完成超前支护的条件，本文为此提供了一定的借鉴经验。