高速铁路湿陷性黄土隧道下穿重载铁路施工技术

张,宾

【摘要】：以京张高速铁路草帽山隧道下穿张唐重载铁路为例，详细的介绍了高速铁路湿陷性黄土隧道下穿重载铁路的开挖方案、隧道支护、监测的施工技术，从而减小施工沉降、降低施工风险，为粉砂、粉土地层、湿陷性黄土隧道穿越铁路制定施工方案提供借鉴。

【关键词】：京张高铁；草帽山隧道；湿陷性黄土；下穿；重载铁路；工艺；监测

1.工程概述

1.1概述

近年来，随着国家基础设施投入力度的不断加强，高速铁路建设及高速铁路的飞速发展和工程设计技术的发展，高速铁路在铁路工程中的比例越来越大，同时隧道建设的地质条件也越来越复杂。当隧道穿过第四系上更新统洪坡积层、硬塑且局部具自重湿陷性的新黄土、拱顶粉砂地层、隧道埋深浅或岩体自稳能力差时，造成初期支护沉降量大，施工安全风险大，施工速度缓慢。为了解决这一难题，笔者以京张高铁草帽山隧道下穿张唐重载铁路为例，详细的介绍了草帽山隧道下穿施工方案、施工操作方法及监测控制要点等方面的情况，从而达到了在确保安全质量的前提下隧道的快速施工。

1.2工程简介

草帽山隧道全长7340m，隧道位于低山丘陵区，线路走向大体与草帽山山体走向平行。隧道下穿DK173+862～DK174+057段下穿唐张铁路，交接里程DK173+965（唐张铁路DK509+342），平面交角76°22′，隧道拱顶距唐张铁路隧道底距离约16m（见图1、2），该段地质为：为全-强风化凝灰岩，岩芯破碎，多呈碎块状，自稳能力差，局部具有中等膨胀性，隧道围岩类别为Ⅲb级加强。

草帽山隧道下穿张承高速公路左右幅及中间隔离带。左右幅宽各为12.5米，中间隔离带宽为25米，公路与隧道交叉角度约为75°，路面至隧道顶距离为24.28m～24.43m（见图1所示）。

图1    唐张铁路与京张铁路位置关系

图2 唐张铁路与京张铁路平面位置布置图

2．下穿段隧道施工技术

2.1施工总体方案

在施工前，与北京铁路局签订临近营业线施工协议。隧道下穿唐张铁路段施工以“预加固，短进尺，弱爆破，强支护，早封闭，勤量测”的原则进行。下穿隧道段采用Ⅲb加强支护形式，拱墙格栅钢架支护，采用两台阶法、控制弱爆破施工，设置超前小导管。施工时做好综合超前地质预报和唐张铁路隧道的监测，做到及时支护、仰拱及时封闭成环，二次衬砌施作紧跟。交叉中心里程前后20m范围隧道控制爆破开挖每次不超过1榀钢架间距（1.2m），隧道开挖、支护，利用既有铁路的天窗时间进行，减少既有铁路列车对隧道施工影响。

结合现场实际情况、前期施工经验及地质情况，洞内拱墙外部140°范围内设置外径为108mm的超前大管棚结合超前小导管联合支护，掌子面采用局部加固，且掌子面开挖顶拱初支时预埋灌浆管，中台阶开挖前进行顶拱初支注浆；洞身采用上、中、下三台阶分部开挖法，上台阶预留核心土；中台阶采用左右不对称跳挖且施做临时仰拱法施工。遵循“人工配合机械开挖、少扰动、短进尺、快循环、强支护、紧封闭、勤量测”的施工原则，在监控量测数据的指导下实施隧道的开挖与支护工作，做到仰拱及时封闭成环，二次衬砌施作紧跟。

①基于交叉隧道临近相似地层爆破震动测试的震动效应预测研究，来指导现场施工。

②草帽山隧道开挖松动圈围岩变形规律及影响范围数值仿真研究，来指导现场施工。

③监测唐张铁路重载、超长列车运营引起的大幅值、低频、持续长时间等问题对下方新建京张铁路隧道结构的影响，来优化设计和指导现场施工。

④通过现场取样，采用室内岩石压缩试验系统，分析交叉隧道范围内围岩的力学参数，来指导现场施工。

施工前进入唐张铁路与草帽山隧道交叉段，并对唐张铁路该交叉段进行调查，根据唐张铁路交叉段情况来调整施工方案和指导现场施工。

必要时对唐张铁路交叉段仰拱和二衬进行无损扫描，通过对扫描数据情况，调整施工方案，优化施工参数，指导现场施工。

2.2监控量测

(1)监控量测点埋设

1）草帽山隧道下穿唐张铁路隧道监控量测根据河北省建筑工程学院对下穿唐张铁路监控量测方案，在隧道内埋设监控元器件，进行洞内变形监控量测。

2）洞内监控量测点的布置：

洞内监测点布置如下图：

洞内测设点埋设

下穿唐张铁路影响段落DK173+865~DK174+065监控量测点埋设间距如下：

DK173+865~DK173+935、DK173+995~DK174+035段洞内监控量测断面采用每15m埋设一个监测断面；DK173+935~DK173+955、DK173+995~DK174+065段洞内监控量测断面采用每5m埋设一个监测断面；DK173+935~DK173+955段洞内监控量测断面采用每3m埋设一个监测断面。

监测频率：

按位移速度确定的量测频率

沉降速度（mm/d）	监控量测频率
≥5	2次/d
1～5	1次/d
0.5～1	1次/2～3d
0.2～0.5	1次/3d
<0.2	1次/7d

按测点距开挖面距离确定的量测频率

监控量测断面距开挖面距离（m）	监控量测频率
(0～1）B	2次/d
(1～2)B	1次/d
(2～5)B	1次/2d～3d
>5B	1次/7d

注：B为隧道开挖宽度。

(2)监测资料的分析、预测及信息反馈

监控量测资料均用计算机配专业技术软件进行自动化初步分析、处理。根据实测数据分析、绘制各种表格及曲线图，当曲线趋于平衡时推算出最终值，并提示结构物的安全性。

监测人员及时反馈指导信息，调整施工参数，保证安全施工。

监测资料反馈程序如下页图示：

  监测资料反馈程序

2.3施工超前地质预报及结果

该段采用地质素描、地震反射法进行超前地质。预报此段有明显异常反射波，雷达波频率变低，局部存在错断，围岩为凝灰岩，以强风化为主，局部全风化，节理裂隙较发育，半成岩状或密土状，岩体破碎，围岩稳定性差，局部段落有滴水状或线股状出水，易掉块，局部易塌方。建议及时支护，加强监控量测，做好防排水措施。

2.4超前支护施工

2.4.1拱部超前长管棚支护

超前支护分为顶拱140°范围内，采用外径为108mm，壁厚6mm的热轧无缝钢管，管壁打孔，布孔采用梅花型，孔径为6mm，孔间距为7cm，钢花管尾留150cm不钻孔的止浆段。每环长为24m,每环搭接长度3m，环向间距为30cm，钢管轴线与衬砌外缘夹角不大于12゜，径向误差不大于20cm，环向误差不大于10cm，洞内管棚安装在采用扩挖后的I22a钢架上，在钢架腹部钻孔作为导向，相邻钢管的接头前后错开。

一般按编号，偶数第一节用3m，奇数第一节用6 m，以后各节均用6m。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m，管棚采用丝扣连接，外车丝扣长500mm,连接钢管采用长1000mm的内车丝扣。

管棚注浆采用水泥注浆，水泥浆水灰比为1:1（重量比），注浆压力为0.5～2.0Mpa。稳定20～30min，注浆量达到设计注浆量的90%以上时，可结束该孔注浆。

2. 4.2拱部超前小导管

隧道顶拱120°范围内，采用外径φ42MM壁厚4mm的热轧无缝钢花管。超前小导管每环设置45根，环向间距为0.4m，纵向两环搭接长度不小于1m，外插角10°～15°。

注浆浆液采用1:1(重量比)水泥浆，注浆压力0.5～1.0Mpa。当压力达到设计注浆终压并稳定10～15min，注浆量达到设计注浆量的80%以上时，可结束该孔注浆。

2.4．2隧道洞身开挖施工

台阶法施工工序断面示意图

总体施工工序：

（1）开挖①部；施做①部台阶周边的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，铺设钢筋网，架立格栅钢架打并设锁脚锚杆；复喷混凝土至设计厚度后钻设径向锚杆。

（2）在滞后于①部不大于10倍洞径时，开挖②部；施做②部台阶周边的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，安装钢筋网，架立钢架，并施做锁脚锚杆（Ⅳ级围岩边墙）；施做径向系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

（3）在滞后于②部8~10米左右时，开挖③部；施做隧底喷混凝土。

（4）施做Ⅳ部仰拱衬砌与矮边墙。

（5）施工钢筋及防水层。

（6）灌注仰拱填充Ⅴ部至设计高度。

（7）利用衬砌模板台车一次性浇筑Ⅵ部衬砌混凝土（拱墙衬砌一次施作）。

洞身采用三台阶且中台阶施做临时仰拱法，及上台阶预留核心土、中台阶临时仰拱、掌子面局部加固施工（见图3所示）。由于隧道为湿陷性黄土隧洞，此采用人工配合挖掘机开挖施工，挖掘机配合装载机装渣，自卸车运输至弃渣场。为控制隧道初期支护沉降变形过大，针对性的采取以下措施：上台阶每次开挖不超过1榀（每榀钢架90cm）钢架间距，中台阶和下台阶每次开挖不超过2榀钢架间距，仰拱每次开挖不超过3榀钢架间距，每个台阶同时只能开挖一个部位，中台阶和下台阶两侧开挖错开5榀以上钢架间距，严禁中台阶和下台阶同时开挖。

图3   洞身开挖断面图

第一步上台阶预留核心土开挖及支护，在拱部超前支护后及掌子面喷浆封闭后，进行环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度为3～5m。施做拱部台阶周边的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，铺设钢筋网，架立格栅钢架打并设锁脚锚杆架立钢架和I18临时钢架，喷临时仰拱，复喷混凝土至设计厚度后钻设径向锚杆（见图4所示）。

图4    三台阶法临时仰拱施工工序横断面图

第二步中台阶、下台阶单侧不对称跳挖，严禁同时开挖同一台阶左右两侧，最大不得超过1.8m，左、右台阶错开3m以上。周边的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，安装钢筋网，架立钢架，并施做锁脚锚杆（Ⅳ级围岩边墙）；施做径向系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

第三步仰拱开挖支护，仰拱开挖之前必须完成钢架锁脚施工，仰拱开挖每循环进尺不大于3米，开挖完成安装仰拱钢架，施做隧底喷混凝土。

第四步仰拱及仰拱填充分层浇筑，浇筑仰拱衬砌C35混凝土，当混凝土达到终凝后，再进行仰拱填充C20混凝土浇筑。仰拱及填充分开整体浇筑，一次成型。

2.5隧道初期支护施工

初期支护采用型钢钢架、系统锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成。型钢钢架在加工厂按照设计尺寸进行冷弯加工，汽车运输至工作面，机械配合人工立架。气腿钻打设超前小导管、锁脚锚管。喷射混凝土采用大型机械湿喷作业。钢架加工时在锁脚锚管位置焊接长X宽X厚为30cm×20cm×1.6cm钢板，钢板对称钻直径为φ60mm的孔，方便锁脚锚管穿入。

2.5.1初期支护施工工序

开挖后及时进行初喷混凝土封闭掌子面→施作钢架→超前支护→搭设锚杆→铺设钢筋网→复喷混凝土。

2.5.2初期支护施工参数

在顶拱110°范围采用φ42mm超前小导管进行超前支护，小导管每环设置71根，环向间距为20cm，纵向每榀钢架设置一环超前小导管。超前小导管内采用1:1(重量比)水泥浆注浆。临时仰拱支护钢架采用I18型钢钢架，每2榀初支钢架设置1处。初期支护采用C30喷射混凝土，厚度为28cm，喷混凝土采用湿喷工艺。边墙采用φ22砂浆锚杆，每根长度4m，间距（环×纵）1.2×1.0m。掌子面局部加固采用C25喷射混凝土封闭加Φ25玻璃纤维锚杆，喷砼厚10cm，Φ25玻璃纤维锚杆沿洞身方向水平设置，每根长度L=2.0m，间距1.5m，交错布置。掌子面局部加固每2榀钢架间距进行一次掌子面加固。钢筋网采用φ8的圆钢制作，网格间排距20cm×20cm。采用I22a钢架支护，钢架间距0.9m。钢架之间采用φ20纵向连接筋连接，连接筋内外侧环向间距均为1m，交错布置；钢架拱脚80cm处，纵向采用宽20cm、厚16mm的钢板与钢架通长焊接；每处钢架拱脚通长下垫[32b槽钢；锁脚锚管与钢架连接采用钢板钻孔（钢板30cm×20cm×1.6cm）替锁脚锚管与钢架“U”形连接钢筋，锁脚连接钢板在加工厂焊接完成，确保焊接质量；各台阶两侧拱脚锁脚锚管采用6根Φ42无缝钢管， L=4.5m。

2.6初支背后顶拱注浆

初支喷护时，在顶拱正顶处每隔2m预埋一根φ42mm的钢管，埋设深度大于初支厚度2～3cm，中台阶开挖前，对初支进行1:1.5～1:2的水泥浆注浆，预防初期支护与开挖断面之间下沉造成高速公路路面以下出现脱空。

3.监控量测

隧道开挖后，土体向洞身方向的变形位移量是围岩是否稳定的表现，最能反映出围岩或支护的稳定性，浅埋砂层隧道开挖后，会有明显的下沉，因此地表的观察和地表的沉降监测显得尤为重要。浅埋砂层隧道监控量测项目包括洞内外观察，地表沉降和洞内监控量测。

3.1 地表变形监测

结合现场实际地形情况，在地表沿隧道线路方向与公路相交处布置观测点，横向每2.5米布置一个断面（与洞内测点相对应，便于对监测数据进行分析）每个断面布设21个观测点，以线路中心为对称点（见图5所示）。沉降速率≥5mm/d时量测频率不少于4次/d、沉降速率≤5mm/d时量测频率不少于2次/d。地表沉降观测点在开挖之前开始观测，可以获得开挖全过程的沉降值。

图5   隧道地表沉降监测点埋设示意图

3.2洞内净空位移监测

采用全站仪无尺量测方法，对拱顶下沉和水平收敛进行量测，洞内按照5m的间距设置量测断面，量测频率沉降速率≥5mm/d时量测频率不少于2次、沉降速率≤5mm/d时量测频率不少于1次。主要检测隧道拱顶下沉、拱腰、边墙处的收敛变形（见图6所示）。在拱顶处布置下沉测点，在拱腰设置水平收敛的上部测点，监控上台阶开挖后变形规律；下台阶拱脚处（不低于仰拱纵向施工缝）布置下部测点，监控下台阶开挖变形。测点均钻孔埋入初期支护背后砂土内，外露5cm左右，焊接小块钢板，钢板上粘贴带十字丝测量反光片，每组收敛点均位于同一里程同一水平线上。沉降观测初始读数应在开挖后3-6h内完成。

图6   拱顶下沉量测和净空变化量测的测线布置示意图

3.3量测结果分析

现场量测数据及时整理核对，并应进行数据处理回归分析。该湿陷性黄土、粉砂、粉土地层隧道开挖后只有沉降变形，没有收敛变形。增加施工措施后，洞内典型断面统计（见下表），累计拱顶沉降最大值由原来的120mm，减小到51.5mm，无水平收敛。沉降变形得到了有效的控制，证明该措施方案是可行的。

未采取上述技术时洞内典型沉降观测统计表1

采取上述技术后洞内典型沉降观测统计表2

4.结语

由于隧道开挖扰动的影响，围岩中的原始应力平衡状态被破坏，应力产生重新分布，岩体的受力状态改变，致使岩体的强度降低，承载能力下降。当二次应力值大于岩体强度时，岩体发生塑性变形，形成围岩松动圈，隧道发生内空收敛变形。浅埋砂层隧道，由于上覆地层较薄，开挖引起的变形极容易诱发地表下沉和围岩大变形。又由于砂层的物理力学性质较差，开挖后围岩自身难以形成支撑环来维持洞室稳定，若施工方法和支护加固措施选取不合理，易造成隧道围岩变形过大，引起围岩坍塌破坏，甚至冒顶。

通过此创新工法、密排超前支护、掌子面局部加固、预留核心土、仰拱及时跟进封闭成环，形成拱力的施工方法，解决了高速铁路湿陷性黄土隧道穿越高速公路沉降量大、浅埋隧道开挖支护困难、变形大且难以控制的问题，达到了在确保安全质量的前提下隧道快速施工。

参考文献：

[1]冯晓东. 浅埋砂层隧道施工关键技术[J]. 硅谷, 2011, 37(6):160-160.

[2] ]黄德华. 粉砂地层小间距浅埋暗挖隧道穿越铁路施工技术[ J ] ,隧道建设, 2004, 24 (1) : 40 - 43.

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