大山頭隧道下穿高速公路方案設(shè)計(jì)

李明磊

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

隨著近幾年我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的大力發(fā)展，鐵路建設(shè)的步伐也在逐漸加快。而目前正在或即將開(kāi)始建設(shè)的多為高速鐵路，受到縱坡和線形的影響，鐵路隧道在每條鐵路線所占的比例也越來(lái)越大，這樣就不可避免的與既有鐵路、公路等進(jìn)行交叉，尤其是以隧道下穿的形式風(fēng)險(xiǎn)最大。

以往隧道下穿既有道路多采用明挖法施工，以保證施工的安全及質(zhì)量，但是在明挖不可實(shí)施的條件下，暗挖下穿就存在比較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，本文主要介紹鐵路隧道暗挖下穿高速公路所采用的一些措施及施工方法，僅供讀者參考。

1 工程概況

大山頭隧道為雙線鐵路隧道，滿足雙層集裝箱運(yùn)輸，設(shè)計(jì)行車(chē)速度200 km/h，預(yù)留250 km/h，線間距4.6 m，隧道最大跨度14.38 m，高12.59 m，隧道開(kāi)挖面積148 m2。高速公路設(shè)計(jì)行車(chē)速度80 km/h，路面寬度24.5 m，高速公路目前正在施工，路基工程已經(jīng)完成，只剩下路面工程。

隧道與高速公路交角為38°，交叉范圍內(nèi)隧道長(zhǎng)度約89 m，交叉段高速公路路基為半填半挖方，路基邊坡采用骨架護(hù)坡，由于處在軟基地段，交叉段范圍內(nèi)路基局部采用CFG樁加固地基。路面距隧道拱頂最大埋深9.3 m。

在高速公路旁邊與之平行的有一條省道，該省道為雙向兩車(chē)道，水泥路面。省道路面距離隧道拱頂2.6 m。

2 地質(zhì)概況

據(jù)勘察揭露顯示，隧址區(qū)地層巖性主要為第四系沖洪積層、第四系殘坡積層、下伏基巖為燕山中期花崗巖。隧道下穿高速公路段主要為路基夯實(shí)土，下部為全風(fēng)化花崗巖。

3 設(shè)計(jì)方案

由于高速公路將要通車(chē)，鐵路隧道采用明挖法施工的可能性比較小，因此設(shè)計(jì)總體方案采用:下穿高速段采用暗挖施工，下穿省道段采用明挖法施工;由于在高速公路和省道之間隧道覆土不到1 m，在該段采用明挖法施工，同時(shí)為下穿高速公路提供工作面。

該方案存在兩個(gè)難點(diǎn):

(1)由于下穿省道段采用明挖法施工，這就需要對(duì)路面交通進(jìn)行分期導(dǎo)改;

(2)隧道下穿高速公路覆土比較淺，最大覆土厚度僅9.3 m，隧道開(kāi)挖不慎必將引起路面沉降量過(guò)大，而高速公路要求沉降量非常嚴(yán)格，這就要求隧道開(kāi)挖需要合理的施工方法及支護(hù)措施。

針對(duì)以上兩個(gè)難點(diǎn)，采用如下方案。

3.1 交通導(dǎo)改

(1)施工期間對(duì)各期施工場(chǎng)地進(jìn)行施工圍擋，圍擋后進(jìn)行各步施工。

(2)下穿高速公路施工盡量在高速公路運(yùn)營(yíng)通車(chē)之前進(jìn)行，若施工時(shí)高速公路已通車(chē)，施工期間應(yīng)對(duì)其進(jìn)行臨時(shí)的交通管控，封閉車(chē)道，采用單車(chē)道行車(chē)并限制車(chē)速40 km/h以下，嚴(yán)禁重載車(chē)通過(guò)，必要時(shí)在路面鋪設(shè)鋼板，增強(qiáng)路面剛度。

(3)明洞施工期間需要局部破除省道368路面，為保證省道交通暢通，因此明洞采用分幅開(kāi)挖，對(duì)交通進(jìn)行導(dǎo)改;施工時(shí)應(yīng)和當(dāng)?shù)亟还懿块T(mén)緊密配合，車(chē)輛優(yōu)先繞道行駛，如繞避不開(kāi)，車(chē)輛行駛時(shí)應(yīng)聽(tīng)從指揮，減速慢行，以保證基坑穩(wěn)定;交通導(dǎo)改如圖1、圖2所示。

(4)施工完畢后，恢復(fù)道路交通。

3.2 施工工法及支護(hù)類(lèi)型

3.2.1 下穿高速公路施工方法及支護(hù)類(lèi)型

(1)長(zhǎng)管棚支護(hù)

由于下穿高速公路段對(duì)沉降要求比較高，為控制沉降，隧道開(kāi)挖前采用φ159@300 mm長(zhǎng)管棚超(圖3、圖4)前支護(hù)一次性穿越高速公路，管棚長(zhǎng)85 m，為增加管棚剛度，在管棚增設(shè)鋼筋籠(圖5)，管棚要求注漿飽滿。由于管棚長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為保證注漿效果，在管棚間加設(shè)φ42 mm超前小導(dǎo)管補(bǔ)注漿。

圖1 一期交通導(dǎo)改

圖2 二期交通導(dǎo)改

圖3 長(zhǎng)管棚橫斷面布置

圖4 導(dǎo)向墻剖面

(2)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

下穿高速公路采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工(圖6)，側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖高度為8.5 m，臺(tái)階法開(kāi)挖，嚴(yán)格控制導(dǎo)坑開(kāi)挖間距，雙側(cè)導(dǎo)坑掌子面距離在6～8 m，每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，導(dǎo)坑開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)鋼架封閉成環(huán)，初期支護(hù)采用I22a型鋼鋼架，鋼架間距0.5 m，二次襯砌采用Ⅴ級(jí)淺埋加強(qiáng)襯砌。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序橫斷面見(jiàn)圖7。

圖5 鋼筋籠示意

圖6 現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)景

圖7 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序橫斷面

待初支變形穩(wěn)定后，分段拆除側(cè)壁導(dǎo)坑中間的支護(hù)，及時(shí)鋪設(shè)防水設(shè)置，整體澆筑拱墻二次襯砌混凝土。

(3)其他

由于高速公路施工采用CFG樁加固地基，當(dāng)管棚施工遇到CFG樁不能鉆進(jìn)時(shí)，可更換為沖擊鉆頭，擊碎樁體，在一般的軟弱巖層或土層可采用合金鉆頭;開(kāi)挖正洞時(shí)，需截?cái)噼彸糠諧FG樁，施工時(shí)應(yīng)交叉鑿除，加強(qiáng)地面監(jiān)控量測(cè)，避免路基塌陷，沉降過(guò)大。

3.2.2 下穿省道施工方法及支護(hù)類(lèi)型(圖8)

圖8 圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面(單位:mm)

下穿省道采用分幅明挖法施工，明挖段圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)16 m，樁間鋼筋網(wǎng)采用φ6.5 mm網(wǎng)格150 mm×150 mm，基坑內(nèi)支撐采用φ609 mm×12 mm鋼管支撐。

明洞大里程方向進(jìn)洞采用φ108 mm大管棚超前支護(hù)，管棚長(zhǎng)40 m，明洞襯砌厚度采用85 cm鋼筋混凝土襯砌。

3.2.3 高速公路邊坡加固

由于下穿高速公路在路基邊坡處，因此需要修整加固路基邊坡，邊坡加固采用錨噴支護(hù)，錨桿采用φ22 mm砂漿錨桿，錨桿長(zhǎng)5～9 m，噴混凝土厚度10 cm，采用φ6 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm。

4 計(jì)算模型與計(jì)算簡(jiǎn)圖

計(jì)算采用三維巖土力學(xué)有限差分程序FLAC3D進(jìn)行模擬分析，考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用、分步施工過(guò)程?？v向-高速公路坡腳～路面邊坡后20 m，左右側(cè)各50 m，向下取至仰拱下30 m，向上取至地表;單元個(gè)數(shù)100 520，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)106 180。高速公路面作用荷載采用高速公路1級(jí)車(chē)道荷載10.5 kN/m2。計(jì)算模型及結(jié)果見(jiàn)圖9～圖11。

圖9 下穿高速公路施工開(kāi)挖模擬計(jì)算模型

圖10 高速公路路面沉降

圖11 高速公路水平方向位移

經(jīng)計(jì)算，隧道開(kāi)挖后高速公路路面沉降1.2 mm，高速路邊坡水平滑移1.99 mm。但是由于計(jì)算模型沒(méi)有超前大管棚支護(hù)，而且是在完全理想的狀態(tài)下模擬完成，施工期間車(chē)站開(kāi)挖肯定會(huì)對(duì)土體造成擾動(dòng)，從而引起地面的沉降，因此施工采用超前大管棚支護(hù)，能減小隧道開(kāi)挖沉降，保證施工安全。

5 監(jiān)控量測(cè)

由于隧道跨度大、埋深淺、圍巖條件非常差、施工工序繁瑣，在施工過(guò)程中必須加強(qiáng)對(duì)洞外高速公路路面及洞內(nèi)的監(jiān)控量測(cè)，以確保隧道施工和周邊環(huán)境的安全。

隧道拱頂上方路面觀測(cè)點(diǎn)DST-3時(shí)間沉降曲線如圖12所示。

圖12 DST-3點(diǎn)沉降曲線

從以上檢測(cè)結(jié)果可以看出，地面的最大沉降位于隧道中線拱頂上方，最大沉降值為44 mm，沉降速率在可控范圍之內(nèi)。從圖13中可以看出，靠近隧道中線處沉降最大，遠(yuǎn)離隧道處沉降注漿減小，至20 m處，地表已無(wú)沉降。

施工期間洞內(nèi)拱頂最大沉降38 mm，在預(yù)留沉降范圍之內(nèi)，通過(guò)加強(qiáng)措施，施工時(shí)無(wú)異常情況出現(xiàn)，保證了隧道施工和結(jié)構(gòu)安全。

圖13 DK268+520斷面最終沉降曲線

6 結(jié)語(yǔ)

為控制路面沉降，在施工過(guò)程中使用合理的超前支護(hù)措施及施工方法尤為重要，本隧道采用的超前長(zhǎng)管棚，在很多工程中也使用過(guò)，但是如何控制管棚施工精度，是需要施工單位特別注意的地方，同時(shí)，在施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制施工步序，短進(jìn)尺，盡可能少地?cái)_動(dòng)土體，保證圍巖的穩(wěn)定性。

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