大斷面淺埋暗挖隧道下穿既有線設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

萬 清

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

隨著工程建設(shè)的跨越式發(fā)展，大規(guī)模地下交通樞紐、城市隧道、地鐵車站等大型地下工程越來越多。由于城市功能規(guī)劃受歷史上經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的限制，許多地段原有的規(guī)劃并沒有做好應(yīng)用地下空間的準(zhǔn)備，導(dǎo)致現(xiàn)在的地下空間的開發(fā)受到既有道路、橋梁、地面建筑及地下管線等因素的制約。明挖法因?yàn)槭┕?yán)重干擾交通，破壞環(huán)境，大量的建筑物、管線的拆遷等因素使工程的實(shí)施困難重重;盾構(gòu)法有時(shí)能解決這些難題，但其靈活性差，特別是昂貴的盾構(gòu)機(jī)械，會(huì)大大提高工程造價(jià)，也使工程的實(shí)施步履維艱;在這些特殊的地段上，淺埋暗挖法以其對(duì)道路交通、周邊環(huán)境的影響小，拆遷少，對(duì)地質(zhì)情況的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，顯示了其巨大的優(yōu)越性，得到了廣泛的應(yīng)用。

1 工程概況

石家莊六線隧道位于石家莊市區(qū)，自北向南縱穿石家莊市，是一個(gè)六線并行(局部七線)、普速與高速混行的龐大地下隧道工程，隧道包含京石客運(yùn)專線、改建京廣線、石青客運(yùn)專線和石太聯(lián)絡(luò)線，隧道主體全長(zhǎng)4 980 m，隧道布局及外部控制情況見圖1。

圖1 石家莊六線隧道總平面示意

隧道標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)斷面寬度約40 m，結(jié)構(gòu)高度約13 m，此類穿城入地的大型隧道工程，其規(guī)模和性質(zhì)在國內(nèi)尚屬首例。

隧道在DK278+300～DK278+380段下穿既有石太直通線，采用暗挖法施工，隧道其他大部分段落采用明挖法施工。既有石太直通線路基寬約32 m，高約8 m，為雙線路基。新建隧道為四線雙洞隧道，總跨度27.39～28.05 m，隧道埋深在既有線軌面下10.04～10.73 m。隧道下穿既有石太直通線的位置關(guān)系見圖2，圖 3。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

圖2 隧道下穿既有石太直通線平面(單位:m)

2.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

(1)地形地貌

隧道地處山前沖洪積平原區(qū)內(nèi)，沿線地形平坦，隧道下穿既有線區(qū)域地面高程約74 m。

(2)地層巖性

圖3 隧道下穿既有石太直通線剖面(單位:m)

暗挖隧道頂部為雜填土及既有線路基的填筑土，隧道穿過地層上部為雜填土和新黃土，下部為粉細(xì)砂和中粗砂，圍巖分級(jí)為Ⅵ級(jí)。

(3)場(chǎng)地類別為Ⅲ類，場(chǎng)地土類型為中軟～中硬場(chǎng)地土。

(4)地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度Ⅶ度。

(5)土壤標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度0.6 m。

2.2 水文地質(zhì)特征

地下水為第四系孔隙潛水，含水層為砂、卵石層，主要由大氣降水補(bǔ)給，近5年的地下水水位埋深45～50 m，在隧道底板以下。

3 施工方法的選擇

石家莊六線隧道緊鄰既有京廣鐵路，既有石太直通線跨既有京廣鐵路采用鐵路橋方式，石家莊隧道位于既有鐵路橋東側(cè)路基下方，隧道施工期間，既有石太直通線需繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，且因其所處的特殊位置，旁側(cè)無改線、疏解條件，因此，該段隧道無法采用明挖法施工，只能采用不影響既有線運(yùn)營(yíng)的淺埋暗挖法或盾構(gòu)法。

考慮到石家莊六線隧道在下穿段落為四線隧道，結(jié)構(gòu)跨度大，在國內(nèi)盾構(gòu)施工的成功實(shí)例中，沒有同類型工程，且下穿既有線段隧道長(zhǎng)度較小，僅80 m，因此盾構(gòu)法施工不具備可行性、經(jīng)濟(jì)性。

綜合考慮各種因素，經(jīng)過認(rèn)真研究后，確定該段隧道采用淺埋暗挖法施工。

淺埋暗挖法的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵可用18字原則概括，即:“管超前”、“嚴(yán)注漿”、“短開挖”、“強(qiáng)支護(hù)”、“快封閉”和“勤量測(cè)”。自上而下步步為營(yíng)，分塊成環(huán)，隨挖隨支，及時(shí)做好初期支護(hù)。并待初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱頂沉降和收斂已經(jīng)穩(wěn)定后，分步拆除初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中的臨時(shí)中隔壁墻及臨時(shí)仰拱，施作外包防水層，最后施作二次襯砌結(jié)構(gòu)。

4 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

4.1 隧道斷面的擬定

按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB10621—2009)［2］中“客運(yùn)專線鐵路建筑限界”及《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限界》(GB146.2—83)［3］中“電力牽引隧道建筑限界”的要求，同時(shí)，隧道凈空有效面積按滿足建筑限界和救援通道空間設(shè)計(jì)，經(jīng)過結(jié)構(gòu)計(jì)算，擬定隧道下穿既有石太直通線暗挖斷面采用復(fù)合式襯砌，采用雙跨連拱形框架結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)斷面寬為27.39～28.05 m，京石正線結(jié)構(gòu)高13.28 m，改建京廣線結(jié)構(gòu)高12.83 m，隧道開挖面積約324 m2。隧道斷面見圖4。

圖4 暗挖段主體結(jié)構(gòu)斷面(單位:cm)

4.2 暗挖施工方法的確定

考慮到下穿石太直通線暗挖段隧道斷面較大，隧道采用中洞法結(jié)合CRD法施工，整個(gè)結(jié)構(gòu)斷面分20個(gè)小洞進(jìn)行施工，中洞分6個(gè)小洞，側(cè)洞分別各7個(gè)小洞。見圖5。

圖5 暗挖段分部開挖示意

4.3 輔助工程措施

(1)隧道初期支護(hù)采用鋼架+網(wǎng)噴混凝土防護(hù)，外輪廓初期支護(hù)厚度為35 cm，鋼架采用I25a型鋼，內(nèi)部縱橫隔壁厚度為30 cm，鋼架采用I22a型鋼。

(2)初支鋼架各單元由連接板焊接成形，單元間由螺栓連接，鋼架之間設(shè)縱向連接鋼筋。

(3)網(wǎng)噴混凝土采用C25網(wǎng)噴早強(qiáng)纖維混凝土。

(4)每次開挖進(jìn)尺為0.5 m，嚴(yán)格控制各臺(tái)階長(zhǎng)度;每次開挖結(jié)束后，及時(shí)噴射混凝土封閉掌子面。

(5)及時(shí)施作鎖腳錨桿，以確保鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定。

(6)同一斷面相鄰開挖工作面錯(cuò)開8～10 m。

(7)及時(shí)進(jìn)行初支、二襯背后注漿。

(8)施工中須按照?qǐng)D紙及有關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)反饋結(jié)果，分析量測(cè)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)下步施工。

5 下穿既有線沉降控制措施

由于隧道施工期間上方的既有石太直通線需要繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，下穿石太直通線暗挖段是石家莊六線隧道最大的一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，確保既有線的運(yùn)營(yíng)安全是隧道設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)。

為保證隧道開挖過程中既有線路基的整體穩(wěn)定性，確保施工時(shí)既有線的行車安全和隧道的施工安全，隧道設(shè)計(jì)方案中采用諸多施工保障措施和加固措施。大致有以下幾種。

(1)隧道拱部大管棚支護(hù)

由于隧道開挖跨度大，隧道所處的地層較差，隧道開挖過程中易出現(xiàn)坍塌，從而影響既有線的運(yùn)營(yíng)安全和隧道的施工安全。因此，設(shè)計(jì)方案中考慮在隧道拱部120°范圍采用雙層159 mm，t=8 mm的大管棚支護(hù)，管棚內(nèi)外兩排梅花形布置，管棚內(nèi)充填水泥砂漿或水泥漿，大管棚間打設(shè)φ42 mm，t=5 mm小導(dǎo)管并注漿;

(2)既有線線路加固

為保證隧道施工時(shí)既有線的運(yùn)營(yíng)安全，設(shè)計(jì)方案中對(duì)運(yùn)營(yíng)線路采用縱橫軌束梁對(duì)線路進(jìn)行加固，縱軌束鋪設(shè)在行車軌兩側(cè)路肩上，其上橫穿橫軌束梁用以承受荷載。見圖6。

圖6 線路縱橫梁加固示意(單位:cm)

(3)注漿加固

為確保隧道施工過程中既有線的運(yùn)營(yíng)安全和隧道施工安全，設(shè)計(jì)方案中考慮對(duì)隧道周邊土體及既有線進(jìn)行注漿加固，加固范圍為:隧道結(jié)構(gòu)拱墻外5 m范圍和鐵路橋橋臺(tái)下部土體，其中結(jié)構(gòu)拱部120°范圍以及橋臺(tái)下注漿加固范圍在初始注漿后根據(jù)施工監(jiān)控量測(cè)情況進(jìn)行跟蹤注漿。

6 施工情況綜述

6.1 施工難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

(1)隧道所處地層大部分為干燥砂質(zhì)地層，圍巖自穩(wěn)能力極差，開挖時(shí)易產(chǎn)生坍方。

應(yīng)對(duì)措施:必須嚴(yán)格控制開挖步距，隨挖隨支，每次開挖完成后及時(shí)封閉掌子面。

(2)隧道拱部采用大管棚支護(hù)，管棚長(zhǎng)度為80 m，管棚施工精度難以保證。

應(yīng)對(duì)措施:分別從暗挖段兩端向中間打設(shè)大管棚，在暗挖隧道中部搭接，管棚施工采用定向鉆孔技術(shù)，嚴(yán)格控制管棚施工精度。

(3)隧道上方為運(yùn)營(yíng)的既有鐵路，施工過程中的沉降控制是關(guān)鍵。

應(yīng)對(duì)措施:在隧道開挖前，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)，及時(shí)做好地層加固、線路加固等措施，施工過程中嚴(yán)格控制開挖步距，隨挖隨支，及時(shí)施作初支、二襯背后注漿;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)既有線和隧道結(jié)構(gòu)的變形情況，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，指導(dǎo)下步工序施工。

(4)隧道開挖揭示掌子面地層情況大部分為干燥的中粗砂層，自穩(wěn)能力極差，在開挖過程中掌子面難以保持穩(wěn)定，出現(xiàn)滑坍，從而導(dǎo)致既有石太直通線路基沉降過大，存在安全隱患。

應(yīng)對(duì)措施:對(duì)暗挖段進(jìn)行了全斷面注漿，以確保開挖過程中掌子面的穩(wěn)定，減少對(duì)既有石太直通線路基的擾動(dòng)，保證施工和運(yùn)營(yíng)安全。

(5)由于既有石太直通線路基曾于1996年遭受水害而跨坍，當(dāng)時(shí)為了搶修被大水沖毀的路基，向路基內(nèi)拋填片石、石碴等，路基填料復(fù)雜，導(dǎo)致路基本體不密實(shí)，局部存在空洞，隧道開挖時(shí)，對(duì)路基土體形成擾動(dòng)，造成累計(jì)沉降量很大，并造成1根接觸網(wǎng)塔架傾斜，路肩擋墻局部出現(xiàn)變形開裂現(xiàn)象，危及營(yíng)業(yè)線及設(shè)備安全。

應(yīng)對(duì)措施:對(duì)隧道開挖影響范圍內(nèi)的50 m路基進(jìn)行補(bǔ)充注漿，注漿范圍為路肩面下1～5 m;對(duì)路基裸露邊坡掛150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)片，噴射20 cm厚C25混凝土進(jìn)行防護(hù)。

6.2 監(jiān)控量測(cè)情況

暗挖隧道施工過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工，從施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，除既有線累計(jì)沉降超標(biāo)以外，其他各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的沉降、變形指標(biāo)均在可控范圍之內(nèi)。既有線累計(jì)沉降量雖然超標(biāo)，但在實(shí)際施工過程中，運(yùn)營(yíng)部門多次配合進(jìn)行了抬道添砟加固，既有線的運(yùn)營(yíng)未受影響。

7 結(jié)語

目前石家莊六線隧道大斷面暗挖下穿既有石太直通線段主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)全部施工完成，在確保周邊環(huán)境特別是運(yùn)營(yíng)既有線安全的前提下，保證了鐵道部的既定目標(biāo)工期。實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)方案中確定的工法、采取的各種措施是安全、合理的。

石家莊六線隧道大斷面下穿既有線的隧道設(shè)計(jì)方案、既有線加固措施、施工中的應(yīng)對(duì)措施等，在以后類似的隧道穿越工程設(shè)計(jì)中可供參考。

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