袁 溢

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，由于線路展線困難，平面及縱坡限制，新建線路不可避免地需要下穿已建成的鐵路或公路。不僅在城市軌道交通、地鐵建設(shè)中較為常見，在山區(qū)鐵路、樞紐也時常發(fā)生。小凈距、大角度隧道立交一直是隧道設(shè)計和施工的難題，特別是下穿既有營運隧道，結(jié)構(gòu)受力復雜，如何保證新建隧道施工安全，又使既有隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，確保既有線正常運營是設(shè)計和施工中必須解決的關(guān)鍵問題。目前，國內(nèi)外對這類隧道的研究大多是針對水平平行隧道，而對于下穿或上跨類的立交隧道，由于隧道間的斷面形狀、立交角度、最小凈距的復雜性，難以在理論上研究透徹，施工上相比水平近接隧道也難度更大。日本在近接隧道方面的研究較為領(lǐng)先，其出版的《近接隧道施工的設(shè)計與指南》詳細分析了近接隧道的主要影響因素，包括隧道的凈距、立面的相對位置關(guān)系、新建隧道的施工方法、地形和地質(zhì)條件等方面［1］。結(jié)合秦嶺翠華山隧道下穿既有隧道工程實例，詳細介紹下穿設(shè)計、施工方案及施工過程中的詳細措施和要點，為類似工程設(shè)計、施工積累經(jīng)驗。

1 工程概況

秦嶺翠華山隧道地處秦嶺北麓低中山區(qū)，位于北秦嶺褶皺帶北部，經(jīng)多次構(gòu)造活動的影響，其內(nèi)部組成與構(gòu)造變形十分復雜，為印支—燕山期強烈隆起地段，隧道范圍內(nèi)發(fā)育有數(shù)條次級斷層，秦嶺混合巖化作用強烈，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，隧道全長11 271 m，為西康二線鐵路控制性工程［2］。隧道于2009年9月開工，目前已經(jīng)貫通。隧道進口段在D1K66+298處下穿西康既有營運線小峪隧道，立交夾角為29°23'28″，隧道交點處間巖層凈距8 m。既有線小峪隧道于2009年通車，其中交疊影響段 K64+710～+780段位于半徑R=800 m曲線上，為時速120 km單線隧道，隧道凈寬5.5 m。新建隧道與既有線隧道平面關(guān)系如圖1所示。

2 地層條件及下穿凈距的理論計算

2.1 地層條件

隧道立交段地層巖性主要為秦嶺群弱風化含棒片巖夾云母片巖。含棒片巖:灰黑色，礦物成分主要為角閃石、石英等，含有少量綠簾石等，夾有長英質(zhì)、花崗質(zhì)棒體，棒體長2～5 cm，易剝落，變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖質(zhì)較堅硬，性脆;云母片巖:灰黑色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，主要礦物為黑云母、白云母，質(zhì)軟，工程性質(zhì)較差。巖體片理發(fā)育，節(jié)理較發(fā)育，地層產(chǎn)狀在N80°～85°W/38°～47°N，局部巖層走向近東西向。

圖1 新建隧道與既有線隧道平面關(guān)系(單位:m)

弱風化含棒片巖夾云母片巖，○Ⅳ級軟石，σ0=800 kPa，為Ⅲ級圍巖，圍巖相對較好［2］。

2.2 隧道最小近距計算

西康二線線路位置決定了秦嶺翠華山隧道需要下穿既有西康一線，勘測設(shè)計階段為減少線路展線長度，同時又要滿足隧道下穿施工結(jié)構(gòu)安全，需要計算最小下穿安全凈距，作為線路平縱控制性因素之一。

(1)巖石參數(shù)(表1)

表1 巖石參數(shù)

(2)根據(jù)普氏理論(Protodiakonov)計算相鄰隧道最小凈距d(圖2)

圖2 隧道凈距計算示意

(3)根據(jù)普氏理論(Protodiakonov)劃分，計算松動區(qū)高度h0(圖3)

式中 SW、WW——圖3中所示尺寸，取 SW=7.9 m，WW=8 m;

圖3 荷載及相關(guān)計算尺寸示意

φ0、φs——分別為邊墻和拱頂處圍巖的摩擦角，取 φ0=φs=45°。

根據(jù)以上計算可知，隧道開挖影響范圍在7.26～7.64 m;根據(jù)國內(nèi)經(jīng)驗，拱頂以上影響范圍不小于1倍洞徑。

綜上所述，兩隧道下穿時最小凈距取8 m(未考慮爆破影響)，根據(jù)此控制因素確定新建線路與既有線路的高程關(guān)系。

3 新建隧道設(shè)計及施工方案

新建隧道與既有隧道凈距較小，交角較大，且新建隧道下穿既有線隧道施工時，圍巖受運營列車振動影響，造成洞身開挖后圍巖的穩(wěn)定性較差，存在較大風險，為此必須采取較為穩(wěn)妥的支護措施及施工方案，確保隧道施工安全及既有隧道運營安全，新建隧道必須采取較強的支護措施和完善的施工方法。

隧道按立交角度及結(jié)構(gòu)輪廓尺寸關(guān)系，直接立交段為29.98 m，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB 10003—2005)單線隧道間的最小間距要求，按Ⅲ級圍巖2.5B(B為隧道開挖斷面寬度)長度要求計算，立交影響段為90 m，本段內(nèi)的新建隧道需要加強支護。

3.1 加強支護參數(shù)

對新建隧道下穿段支護進行加強，其中交疊段D1K66+278～+318段斷面形式及支護參數(shù)采用Ⅴ級加強襯砌，全斷面設(shè)1榀/0.8 m的I16型鋼架;D1K66+210～+250、D1K66+340～+386段為間接影響段，考慮運營隧道振動影響，設(shè)計采用Ⅳ級加強襯砌，拱墻設(shè)1榀/1.2 m格柵鋼架［2］。開挖后及時初噴并施作徑向錨桿、輔以鋼拱架加強支護，盡量減少圍巖暴露時間及收斂變形，加強隧道的自穩(wěn)能力。施工上臺階拱架時，鎖腳錨桿采用φ42 mm錨管，嚴格控制拱架下沉。

3.2 加強超前支護及周邊圍巖加固

隧道為硬質(zhì)圍巖，節(jié)理列隙發(fā)育，為防止拱部掉塊坍塌，需加強超前支護。對D1K66+278～+318段拱部采用φ60 mm中管棚預加固，管棚長8 m，縱向間距5 m，環(huán)向間距0.4 m，外插角不大于12°，并注漿加固，形成棚護結(jié)構(gòu)，以保證每次開挖后上部圍巖的穩(wěn)定，減少圍巖收斂。隧道開挖后對拱墻巖面進行檢查，針對出現(xiàn)的裂縫及破碎地段采用φ42 mm小導管注漿加固。

3.3 調(diào)整開挖方法、嚴格控制爆破，確保運營安全

新建隧道的開挖步序?qū)扔兴淼赖挠绊戄^大，在Ⅲ級圍巖中進行施工，采取臺階法進行開挖，循環(huán)進尺控制在0.8 m左右。首先進行爆破試驗，根據(jù)對既有隧道進行爆破振速測量結(jié)果獲得合理的爆破參數(shù)及爆破設(shè)計方案，控制好打眼位置、深度以及裝藥量，專人負責聯(lián)系了解列車運行情況，根據(jù)列車間隙時間確定起爆時間;起爆后對既有線線路及既有隧道檢查，確定新建隧道和既有隧道及線路變形數(shù)據(jù)在允許范圍后方能同意列車通過。

3.4 及時施作仰拱及二次襯砌

初期支護完成后，應(yīng)盡快施作仰拱及二次襯砌，使得支護快速成環(huán)，減少收斂。具體施工過程中控制仰拱距離掌子面不大于20 m，二次襯砌離掌子面不大于40 m［3］。其步長關(guān)系如圖4所示。

圖4 開挖襯砌步距(單位:m)

3.5 加強監(jiān)控量測，做好應(yīng)急應(yīng)對措施

新建隧道臨近既有線隧道施工，必須嚴格按有關(guān)要求對新建和既有隧道做好監(jiān)控量測工作，以指導施工，及時排除隧道安全隱患。監(jiān)控量測需要對隧道拱頂下沉及凈空收斂進行量測，同時對既有隧道線路下沉進行監(jiān)測。當既有隧道凈空變化0.2 mm以上或隧底下沉2 mm以上、新建隧道初期支護表面出現(xiàn)裂紋、滲水等異常情況時，應(yīng)立即停止掌子面施工，采取對新建隧道設(shè)置臨時鋼架、拱墻注漿加固，立即施作二次襯砌等措施，確保運營安全。

3.6 既有隧道慢行要求

列車振動對圍巖存在一定的擾動，特別是爆破開挖尚未支護時，為減少振動影響，保證行車安全，列車在經(jīng)過小峪隧道下穿段時，按45 km/h限速通過。

4 既有隧道加固方案

下穿施工過程最重要的是控制圍巖及既有隧道沉降，由于既有隧道原施工開挖中對巖體已擾動，巖體應(yīng)力重分布，另外由于原施工工藝限制，對既有隧道影響段襯砌背后進行檢測發(fā)現(xiàn)，襯砌拱墻背后存在空洞、襯砌厚度不足等病害。因此，新建隧道開挖前必須對既有隧道進行加固，加固段落根據(jù)立交關(guān)系確定，K64+710～K64+780段共70 m范圍為加固段。

(1)新建隧道施工前，對既有線小峪隧道K64+710～K64+780上跨新建隧道段襯砌拱墻進行地質(zhì)雷達掃描，根據(jù)掃描情況針對拱墻背后空洞、襯砌厚度不足的地段進行鉆孔注漿，注漿孔孔徑50 mm，孔深穿透襯砌為宜，間距2.5 m×2.5 m(環(huán)×縱)，梅花形布置。

(2)鉆孔注漿前為保證既有隧道結(jié)構(gòu)安全，對既有隧道K64+710～K64+780立交段采取自進式錨桿加固。加固位置為拱腳上下1 m，錨桿長3.5 m，錨桿為雙排，交錯布置，共280個。

(3)新建隧道臨近既有線隧道施工時，加強對新建隧道及既有隧道監(jiān)控測量，采用多波共振儀對隧道圍巖收斂變形、下穿段地表沉降，對新、既有隧道系統(tǒng)的進行嚴密監(jiān)控，測點加密，量測頻率加大，并根據(jù)量測結(jié)果及時指導施工。

(4)下穿施工中對既有線路進行架空處理，對既有線小峪隧道內(nèi)采用D24型施工便梁作縱梁。由于新建隧道與既有線交角較小，直接立交影響段落達29.98 m，一次架空長度不滿足實際要求，為此，設(shè)計采用D24便梁進行分段落兩次加固，先對既有隧道K64+735～K64++759段進行線路架空，在新建隧道施工至D1K66+300支護達到足夠強度后，再對后半段K64+745～K64+769段進行線路架空，完成下穿剩余段施工。架空作業(yè)采用D24梁作為縱梁，工字形鋼枕作軌道橫抬;兩側(cè)支墩采用鋼筋混凝土［2］。線路加固方案如圖5所示。

圖5 西康既有線K64+752線路加固方案(單位:cm)

既有線加固施工必須保證施工人員、既有線運營、施工設(shè)備的安全，施工單位應(yīng)與業(yè)主、鐵路運營單位等相關(guān)部門進一步加強溝通并落實有關(guān)既有線施工安全等問題，既有線加固應(yīng)在新建隧道開挖之前施工完畢。

5 結(jié)論

秦嶺翠華山隧道采取“預加固、強防護、短進尺、快封閉、勤量測”的施工原則進行施工，下穿段歷時3個月完成，既有鐵路隧道均處于穩(wěn)定狀態(tài)、襯砌結(jié)構(gòu)也未出現(xiàn)異常，證明設(shè)計及施工是安全、合理的。

(1)根據(jù)地層圍巖條件，采用理論計算新建隧道下穿既有線凈距，能確定經(jīng)濟合理的線路高程。

(2)新建隧道施工應(yīng)根據(jù)地層條件及立交關(guān)系，嚴格控制開挖進尺，確定合理的支護參數(shù)及施工方法，控制沉降。

(3)施工前應(yīng)詳細調(diào)查既有隧道情況，對既有隧道病害情況進行針對性的加固處理，為保證運營安全，有條件盡量對線路進行架空處理。

(4)爆破振動對既有隧道結(jié)構(gòu)和線路影響較大，應(yīng)嚴格控制爆破振速，結(jié)合列車運行情況確定起爆時間。

(5)通過對既有隧道及新建隧道收斂、下沉等數(shù)據(jù)的監(jiān)控量測進行信息反饋及預測預報，指導現(xiàn)場施工。

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