高速铁路大断面黄土隧道下穿既有铁路变形控制施工探究

张银银

摘要：高速铁路大断面浅埋隧道的施工在我国高速铁路建设中，结合地形地质及高速铁路发展要求，已成为无法避免的施工形式。针对我国近年来实行了可持续发展和环境保护的基本国策，使得道路施工向桥梁及隧道方面倾斜，以达到保护环境和节约土地的目的，高速铁路浅埋暗挖大断面隧道在我国较大区域内的施工已达到了常态化。因而无法避免的会出现与既有铁路的相互交叉，以下穿的形式通过。

关键词：高速铁路 大断面 隧道下穿 变形控制

1工程概况

新建铁路银川至西安线中铁四局银西铁路（陕西段）YXZQ-4标段干堡隧道于DK105+097～DK105+013（84m）下穿西平铁路。通过采用在进入下穿段落前，进行整个下穿段落的支护管棚的施做，该方法避免了施工过程中相关工序间的干扰，避免了下穿段落内循环施工中管棚时而延长对既有道路的影响周期，同时避免了中管棚循环搭设时的搭接，提升了管棚支护的整体刚度，消除了隧道施工过程中坍塌风险。

2施工特点

⑴管棚一次性超前支护，提高管棚支护整体刚度，减少过程中循环时间：在进入下穿段落前，采用洞内大管棚进行超前支护，单根管棚长度为84米，一次性施工完成，避免了现场过程中分段施工中管棚带来的施工周期长；避免了管棚搭接施工，提升了长管棚的整体刚度；管棚角度可控，避免了管棚角度偏大，围岩不稳的安全风险。

⑵采用FLAC3D数值计算软件，对该施工方法进行数值模拟，尽可能的还原线路的空间位置关系，模拟不同的工法开挖过程，确保数值模拟过程和实际工程接近。同时在长管棚施工中，在管棚钢管内预先设置应力应变监测原件，达到超前监测围岩应力应变变化情况，及时修正对数值模型，以达到超前指挥现场施工。

⑶优化施工步距，减缓围岩变形：施工使用过程中，通过对围岩变形及地表沉降数据的采集，结合隧道施工中的不同工况，综合分析。确定合理的开挖控制步距，工序施工，确保隧道围岩及地表变形可控。

3施工工艺流程及操作要求

3.1施工工艺流程

洞内管棚洞室施工

施工准备

掌子面封闭施工

管棚钻孔施工

洞内管棚施工

钢筋笼安装及注浆

管口锁定

数据监控

隧道施工

隧道开挖施工

隧道支护施工

完成下穿段落施工

图1施工工艺流程图

3.2操作要点

3.2.1施工准备

由于洞内长大管棚施工时，为了有效的控制管棚外插角及管棚支护体系的有效位置，在进入下穿段落前需施做12m管棚工作室，拱部轮廓扩大80cm，为管棚施工机械提供一定的操作空间。

由于管棚施工周期长，管棚施工期间的水循环影响到围岩的稳定，施工前需对掌子面进行网喷防护，并对水循环回路进行防水处理，防止水下渗，影响围岩的稳定。

图2 管棚洞室及场地布置图（单位：厘米）

3.2.2洞内管棚施工

干堡隧道下穿西平铁路段，管棚长度为84m，分部于拱顶144度范围内，按照50cm径向等间距布设，共计40根。

图3 隧道横断面图（单位：厘米）

管棚采用跟管导向钻进法，即直接用管棚钢管做钻杆，前端加特制导向钻头钻至预定深度，钢管及钻头留在孔内，然后注浆。钻进过程中用安装于钻头后部的导向仪探头随时监控钻进方向并及时做出校正。

图4 钻头示意图

采用管棚钻机进行钻孔施工，钻机平台的高度根据钻机的可调控范围以及钻孔顺序进行确定，钻孔采用隔孔钻孔，钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。

大管棚钢管分为管尖段、标准段。管尖段钢管长为3m和4.5m，标准段钢管长为4.5m。管棚钢管均加工为内丝扣，接头钢管均加工为外丝扣，丝扣采用车床在指定场地进行。

大管棚钢管安装时，首先用电葫芦吊装钢管，人工进行对孔，连接螺纹接头管，完成钢管接长，然后钻机推顶钻进。一节钢管钻进完毕后，安装下一节，管棚钢管相邻接头相互错开距离不得小于1米，以此类推，完成整条大管棚钢管及钢筋笼的接长和安装。

同时在管棚钢管外壁上切割3mmU形凹槽，槽内布设应变计，通过管棚的钻进，使应变计埋入设计位置。管内布设光缆，管口引出，以备后续数据的采集。

管棚钢管钻进至设计位置后，安装管内钢筋笼，并对管内进行注浆。浆液采用水灰比为1：1的水泥浆液，注浆顺序原则上由低孔位向高孔位进行，采用依次顺序注浆方式进行，注浆压力取0.5～2.0MPa。

3.2.3三台阶设临时仰拱法施工

三台阶设临时仰拱法施工工序流程图：

图5 三台阶设临时仰拱法施工工序流程图

图6 三台阶设临时仰拱法施工纵横断面图（单位：厘米）

3.2.4 监控量测

下穿段落范围内，干堡隧道拱顶最大埋深为32m，沿线路方向每5米设置一处监测断面，隧道内外设置在同一个观测断面上，地面监测点位受铁路影响，可适当调整。地表测设宽度为线路中线向外45m。

图7 检测断面布置示意图

地表沉降测点横向间距为2～5m。

图8地表沉降横向测点布置示意图

隧道内净空变化量观测点布置如图9所示。

图9 隧道内围岩变形量测测点布置图

3.2.5施工步距控制

针对本隧道的施工工艺能够有效的减缓围岩变形，但是在施工过程中为了确保既有西平铁路不因隧道施工影响，而出现较大变形，影响铁路运行安全及减少既有西平铁路轨道线形维护频率。施工过中精心组织，在避免对隧道施工进度有较大的影响的情况下，合理的控制施工步距，达到隧道施工早成环，改变隧道受力结构以稳定围岩变形，降低累积变形量。

图10 隧道施工断面布置图（单位：厘米

结合本隧道施工工法及机械设备配置情况，为确保隧道能够循环掘进，初期支护施工最小步距为18m，同时考虑仰拱初期支护一次施工不得大于3m，在对初期支护施工时湿喷机及混凝土运输罐车需停至在仰拱栈桥上。二衬至上台阶距离最小步距为45m，二衬每次施工12m，考虑钢筋安装所占用的距离，为最大限度的达到早封闭及控制每次施工进尺，仰拱二衬及填充采用每次浇筑6米，每两次进行一次拱墙二衬施工。

3.2.6变形数据分析

采用FLAC3D数值计算软件，对该施工方法进行数值模拟，尽可能的还原线路的空间位置关系，通过对围岩的应力应变等数据的采集修整，确保数值模拟过程和实际工程接近。通过对数值模拟计算得各阶段地表路基最大沉降统计数据，隧道从开挖至衬砌成环完成，地表最大累积下沉量为22.58mm。

对下穿段落地表及隧道内拱顶检测点的实际变形情况，从封闭时间和步距控制进行统计分析，统计结果见下表：

表1 地表及拱顶变形情况统计表

序号	断面里程	初支封闭间歇（天）	初支封闭累计变形量（mm）	初支封闭至上台阶距离（m）	二衬封闭间歇（天）	二衬封闭累计变形量（mm）	二衬封闭至上台阶距离（m）
1	DK105+096GD	9	13.6	18	36	22.7	52
2	DK105+096DB	45	8.8	18	36	22.8	52
3	DK105+086GD	14	27.2	21	36	27.2	55
4	DK105+086DB	54	26.9	21	36	32.4	55
5	DK105+076GD	15	24.6	20	31	25.1	45
6	DK105+076DB	13	14.1	20	31	22.4	45
7	DK105+066GD	13	24	17	29	24.7	50
8	DK105+066DB	14	13.9	17	29	26.1	50
9	DK105+056GD	7	7.5	17	24	9.5	53
10	DK105+056DB	20	18.8	17	24	29.6	53
11	DK105+046GD	11	21.6	24	23	21.7	55
12	DK105+046DB	27	22.5	25	29.9	28.8	55
13	DK105+036GD	9	20.1	22	21	24.5	54
14	DK105+036DB	16	20.9	22	21	34.5	54
15	DK105+026GD	8	16.9	23	22	18.5	53
16	DK105+026DB	14	20.8	24	22	34.5	53
17	DK105+016GD	9	20.2	22	19	24.8	52
18	DK105+016DB	17	23.3	22	19	33.1	52

根据本表统计数据分析的出，初期支护封闭时距离上台阶距离为17～24m，初期支护断面开挖至封闭间隔时间为7～15天，初期封闭时拱顶累计变形量为17～27mm；二衬封闭时距离上台阶距离为45～55m，二衬断面开挖至封闭间隔时间为19～36天，初期封闭时拱顶累计变形量为9.5～27mm；初期支护封闭时地表变形量为8.8～26.9mm，二衬封闭时地表变形量为22.4～34.5mm。

通过数值模拟计算的得出隧道施工完成后的变形量为22.58mm，通过对初期支护封闭至上台阶的距离控制在25m以内、二衬封闭至上台阶的距离控制在55m以内，通过现场实际监测数据得出地表平均变形量为29mm，由于地表点位沉降监测超前与拱顶监测点测量，所以地表变形累计变形量略偏大与拱顶变形量。

4安全控制措施

⑴施工人员在开工前必须进行安全技术教育，持证上岗，同时做好安全生产的宣传，施工现场做到有固定标语和针对性醒目标牌，确保安全生产。

⑵严格控制开挖步距，根据道路交叉关系及监控量测数据与施工工况的综合分析结果合理的调整开挖步距，做到早封闭，避免开挖面长时间暴露。

⑶隧道内外的监控量测工作中，做好测量人员的安全防护，确保测量人员的人身安全。

5结语

隧道采用三台阶设临时仰拱法进行开挖施工，通过科学有效的施工组织，施工步距的控制，有效的减缓和控制了隧道围岩及地表变形量，确保了既有铁路的安全运行。通过该工法的成功应用，加快了施工进度，提高了经济效益，具有较好的经济和社会效益。

参考文献

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