极近距离下穿隧道施工技术探讨

极近距离下穿隧道施工技术探讨

吴智勇

中铁六局集团广州工程有限公司

摘要：依托南三龙铁路矮陂隧道、红竹山一号隧道工程实例，从开挖工艺、施工进尺、施工顺序、地质情况进行研究，将传统下步先行优化上步先行，对今后类似于极近距离下穿隧道施工提供借鉴。

   关键词：开挖工艺、施工进尺、施工顺序、地质

1、前言

随着城市的发展，近距离下穿、上跨等施工越来越频繁，科学合理的选用不同的施工方法。随着我国国民经济的快速发展，目前对城市山区隧道的修建在安全可靠、技术可行和经济合理等方面提出了更高的要求，尤其是减少对自然环境的破坏，保护生态环境，因此对隧道工程施工的标准越来越高，为了更好建设优质工程，在施工中需要对隧道原施工工艺不断进行改进、创新。

2、工程概况

矮陂隧道DK243+416.6段距离赣龙至南龙铁路下行联络线距离为38～0m，距离既有赣龙铁路疏解线67～0m，且矮陂隧道下穿赣龙至南龙铁路下行联络线红竹山一号隧道和既有赣龙疏解线红竹山二号隧道，施工中需采用控制爆破，降低施工干扰。

南龙正线矮陂隧道与赣龙至南龙联络线下行线红竹山一号隧道相交，线路平面交角为30°23′37″，交叉点矮陂隧道里程YDK243+461.6，内轨顶面标高366.364，交叉点红竹山一号隧道里程GNXDK0+710.2，内轨顶面标高379.485。交叉点处两个隧道净距为3.37m。

图 2.1 矮陂隧道与红竹山一号隧道位置关系平面图

图2.2 矮陂隧道与红竹山一哈隧道位置关系断面图

3、现场施工

    原设计方案采用三台阶弧形导坑预留核心土施工工艺下穿先行，二次衬砌施工完毕后，红竹山一号隧道后行上跨越矮陂隧道，但由于矮陂隧道受地质等因素影响，施工进度严重影响红竹山一号隧道施工进度。

4、影响隧道施工因素

（1）由于红竹山一号隧道与矮陂隧道净距过近约3.75米，如红竹山一号隧道先行，按照目前施工工艺、施工条件易造成上部隧道下沉、坍塌等重大安全隐患。

（2）传统穿越施工一般均采用下步先行，上步后行，局限性较小，易造成不确定因素增加，影响现场施工进度。

（3）由于下穿、上跨属于全风化围岩地段，围岩裂隙发育，施工时易造矮陂隧道初期支护变形，后期换拱影响整体施工进度及换拱时增加的不确定安全隐患增。

5、调整施工方法、改进施工工艺

5.1 调整施工方法

原方案为矮陂隧道先行，顺利通过交叉范围并完成二次衬砌后，红竹山一号隧道再上跨矮陂隧道，由于矮陂隧道受地质影响施工进度严重滞后，故将方案调整为红竹山一号隧道先行，初期支护完成后，再由矮陂隧道下穿红竹山一号隧道。

5.2 改进施工工艺

矮陂隧道原设计方案为两台阶法施工工艺调整为三台阶预留核心土法施工工艺，在进入下穿范围采用机械或静态爆破施工方法。红竹山一号隧道为两台阶施工工艺调整为大拱脚临时仰拱施工工艺。

5.3 具体施工工艺流程及操作要点

5.3.1 施工工艺流程

施工准备→红竹山一号隧道交叉范围大拱脚临时仰拱施工→交叉范围标识→监控量测点位布设→矮陂隧道下穿红竹山一号隧道超前支护施工→矮陂隧道下穿开挖支护→矮陂隧道二次衬砌施工→红竹山一号隧道二次衬砌施工；

5.3.2 操作要点

（1）施工准备

① 了解交叉范围地质情况，施工前利用超前地质雷达对该交叉范围进行复核；

② 作业人员施工前进行岗前安全技术交底培训，告知施工情况及施工工艺流程；

③ 施工作业前针对交叉范围组织专项应急演练，确保施工过程中任何问题发生都能够紧急得到处置。

（2）红竹山一号隧道交叉范围大拱脚临时仰拱施工

  ① 开挖支护

  在红竹山一号隧道与矮陂隧道交叉范围下台阶左右两侧位置设置大拱脚，其目的主要是增加拱脚受力面积，减小矮陂隧道在下穿过程对红竹山一号隧道初期支护的扰动；

大拱脚底部垫钢板与初期支护连接，连接方式采用焊接工艺，大拱脚施工时，由机械配合人工对拱脚位置进行轮廓修整，大拱脚采用I20a工字钢，底部垫钢板采用厚t=2.0cm,拱脚上0.5米位置打设锁脚锚管，锁脚锚管采用Ф42*3.5mm无缝钢管，长度不小于3.5米，呈向下45°角打设，锁脚锚管与初期支护工字钢连接，连接方式采用L型连接。

                       图5.3.2.1 大拱脚与初期支护连接图

  ② 临时仰拱基底注浆加固

临时仰拱施工前，采用机械按照设计仰拱深度进行开挖，开挖至设计标高后，测量人员复核无误后，测量人员放样临时仰拱注浆孔，注浆孔按照1.5m*1.5m梅花形进行布设,注浆管采用Ф42*3.5mm无缝钢管加工而成，注浆目的主要是固结下方围岩，减小矮陂隧道下穿过程中地层扰动，造成仰拱出现空洞。

注浆过程控制，注浆压力确定初压为0.5~2.0MPa，终压为2.0MPa。注浆时密切监视压力变化，如压力达到2.0MPa并持续稳定恒压10min后结束注浆。单根注浆量按进行估算。

式中RK-注浆扩散半径，考虑注浆叠加效应，按RK=0.6L0计算；

L0-杆体中心间距；

L-注浆管长；

-注浆饱满系数，取0.80；

-孔隙率（%），严重风化岩层2.5%，断层破碎带5%，粘土质地层20%，砂质地层40%。

注浆过程应认真做好记录，以便分析解决施工中出现的问题。

     图5.3.2.2 基底注浆孔布设图

      ③ 临时仰拱施工

      仰拱初支按照设计标高进行安装，仰拱与下台阶初支采用M26高强度螺栓连接，连接板位置采用HRB400 Ф22螺纹钢焊接，仰拱初支安装完毕后，铺设钢筋网片，连接钢筋，并布设沉降观测点，沉降观测点采用HRB400 Ф20圆钢，观测点深入至仰拱初支下0.5米，待沉降观测点布设完毕后，喷射混凝土进行覆盖。

    临时仰拱混凝土采用C20素混凝土，后不小于0.5米，其目的主要是为了给仰拱初支增加自重，确保矮陂隧道在下穿红竹山一号隧道时，扰动造成初期支护变形，仰拱填充范围回填采用回填原土，待矮陂隧道下穿红竹山一号隧道后便于上方隧道开挖。

图5.3.2.3 临时仰拱正面图

（4）明确交叉范围里程、位置

  红竹山一号隧道正常施工超过交叉范围35米后，由测量人员根据矮陂隧道线路中心线将范围测量放样出来，按照5米一个点，将里程标注至现场。

（4）监控量测点布设

     监控量测点布设主要分为沉降观测及收敛观测两种，沉降观测沿矮陂隧道线路中心线布设，交叉范围按照3米一个点，交叉范围外10米，按照5米一个点位；收敛观测沿隧道初支两侧布设，布设按照5米一个点位布设；

图5.3.2.4沉降观测点布设图

5.3.2.5 净空收敛点位布设图

（3）监测

监控量测点布设好以后，应尽快测取初始读数，待矮陂隧道开始掘进施工时，根据参考《铁路隧道监控量测技术规程》在靠近交叉范围10米内采用2次/d的监测频率，待进入交叉范围后，根据矮陂隧道开挖前后进行监测，其主要目的是确保开挖前与开挖后的相关围岩的稳定来指导矮陂隧道施工。

表5.3.2.1 监控量测频率

（4）矮陂隧道下穿红竹山一号隧道超前支护施工

    矮陂隧道下穿红竹山一号隧道交叉范围采用洞身管棚及单层超前小导管进行超前预支护，洞身管棚设置位置位于上台阶120°范围，具体操作要点如下：

① 封闭掌子面

隧道正常掘进至交叉范围外6米时，开始按照每米往外放大0.2米至交叉范围3米停止，并采用挖掘机对掌子面进行修整、整平，初支放大目的主要是便于施做洞身导向墙，掌子面修整、整平主要目的是便于作业人员施工洞身导向墙。掌子面封闭采用C30喷射混凝土，喷射厚度小于10cm。

② 导向墙及洞身管棚施工

导向墙内设置I16工字钢作为临时导向墙，临时导向墙内架设2榀I16工字钢，间距为0.6米，内外均铺挂φ6钢筋网片，网片间距20×20cm，拱架纵向采用φ22连接相连，间距0.5m，每榀钢架径向打设锁脚锚管及环向锚杆，锚杆长度3.0m，环向间距1.2m，与钢架焊接牢固。为了减少管棚的外插角，采取在临时导向墙内两榀I16工字钢腹板开孔的办法，导向管采用φ130钢管与钢架腹板焊接，纵向通过φ22螺纹钢与拱架加强连接。隧道为单面下坡隧道，为了使管棚起到超前支护的作用，导向管设置角度为1°~3°（通过调整钢架半径，间接调整导向管角度），长度设定为120cm。

洞身管棚安装，在孔洞检测合格后立即安装φ89*6mm的钢管，钢管在同一截面内接头数量≤50%。钢管之间通过套管丝扣连接。浅孔段采用人工推进，孔深阻力大时，采用钻头慢慢顶进，推进时采用测斜仪经常检查钢管的偏斜度，发现偏斜超过设计要求及时纠正。钢管安装完成后及时安装孔口止浆塞，并对每根钢管连续编号且做好标记。管棚安装后，用麻丝和锚固剂封堵钢管与孔壁间空隙。

图 5.3.2.6 洞身段超前管棚横断面布置图

③ 注浆

管棚注浆采用双液注浆机进行作业，注浆机最大工作压力可达7Mpa,注浆量70L/min,可以满足设计要求，钢管注浆采用奇偶数钢管间隔注浆由下到上、由左到右，即先按顺序注钢花管，钢花管注浆完成后，再开始注浆钢管。

注浆过程控制，注浆压力确定初压为0.5~2.0MPa，终压为2.0MPa。注浆时密切监视压力变化，如压力达到2.0MPa并持续稳定恒压10min后结束注浆。单根注浆量按进行估算。

式中RK-注浆扩散半径，考虑注浆叠加效应，按RK=0.6L0计算；

L0-杆体中心间距；

L-管棚长；

-注浆饱满系数，取0.80；

-孔隙率（%），严重风化岩层2.5%，断层破碎带5%，粘土质地层20%，砂质地层40%。

注浆过程应认真做好记录，以便分析解决施工中出现的问题，注浆结束后及时清除管内浆液并用M10的水泥砂浆及时填充，以增强管棚的刚度及强度。

④ 超前小导管施工

矮陂隧道进入交叉范围后，在洞身管棚之间打设超前小导管，小导管前端做成尖锥形，尾部焊接φ8mm钢筋加劲箍，管壁上每隔10～20cm梅花型钻眼，眼孔直径为8~10mm，尾部长度不小于30cm作为不钻孔的止浆段。

图 5.3.2.7 超前小导管结构图

（5） 矮陂隧道下穿红竹山一号隧道开挖支护施工

矮陂隧道进入交叉范围时采用三台阶预留核心土施工方法下穿红竹山一号隧道，机械配合人工进行开挖。

1人工配合机械开挖

开挖前由现场技术人员测量放样出隧道轮廓线，然后挖机或炮机进行开挖，开挖至大致轮廓后，人工对隧道轮廓进行修整，开挖进场保证每循环进尺不大于1榀拱架间距（0.6m），开挖完成后按照设计及规范要求对掌子面、裸露围岩进行初喷，根据规范要求，上台阶开挖3~5米后施做中台阶，中台阶开挖5-10米后施工下台阶及仰拱初支。

图 5.3.2.7 三台阶预留核心土施工断面图

   ② 初期支护施工

    初期支护采用I16工字钢，人工对拱脚位置进行清理，确保拱脚坐落于基岩上，拱架安装完毕后，并根据设计及规范要求施工径向锚杆、纵向连接钢筋、锁脚锚杆、钢筋网片等初支措施，并喷射混凝土予以覆盖，覆盖完成后进入下道工序。

（6）矮陂隧道下穿红竹山一号隧道二次衬砌施工

    矮陂隧道初期支护施工完成后，监控量测结果区域稳定后，施工全断面二次衬砌，二次衬砌施工前，应利用雷达检测对红竹山一号隧道下方及矮陂隧道初支背后进行检测，合格后进行二次衬砌施工。

（7）红竹山一号隧道二次衬砌施工

     待矮陂隧道二次衬砌施工完成后，进行红竹山一号隧道临时仰拱、回填的破除，临时仰拱采用C20混凝土浇筑，采用机械人工切缝灌注膨胀剂，待24小时后，出现裂缝后挖机进行开挖，按照设计规范施工仰拱及回填，并全断面施工二次衬砌。

6、结论

通过对红竹山一号隧道初期支护采用大拱脚临时仰拱施工方法及对地层地质注浆的加固，在矮陂隧道正常掘进过程中，累计沉降控制在20mm以内，周边收敛控制在15mm以内，总体来说红竹山一号隧道沉降量较小，隧道施工中围岩趋于稳定，不会因为矮陂隧道下穿施工时造成红竹山一号隧道较大沉降，对隧道施工安全、质量提供了保障。

极近距离下穿隧道施工技术探讨在南龙铁路红竹山一号隧道、矮陂隧道的应用，对原方案下穿过后施工上跨的开挖方式，初期支护、地层加固、下穿管棚支撑等进行了调整，通过监控量测数据待拱墙二次衬砌混凝土浇筑结束累计沉降量在15mm以为，满足了在全风化围岩施工中的安全、质量、进度，对隧道施工安全产生了极有利的效果，为以后同类极近距离下穿隧道施工提供借鉴。

参考文献：

[1] 杨林德.公路施工手册   隧道篇；

[2] 铁路隧道工程施工质量验收标准 （TB10417-2010）；

[3] 铁路隧道工程施工技术指南  （TZ204-2008）；

[4] 福建福平铁路有限责任公司《施工组织编制管理办法》相关规定；

[5] 福建福平铁路有限责任公司《南平至龙岩铁路扩能工程指导性施工组织设计》；

[6] 中铁第四勘察设计院关于改建铁路南平至龙岩线扩能改造工程施工组织设计文件、相关图纸及工程数量；

作者简介：吴智勇，男，工程师，2013年7月毕业于西南交通大学，18302503124