浅埋大断面黄土隧道下既有穿铁路施工技术

2024年1月9日发(作者：得与失)

浅埋大断面黄土隧道下既有穿铁路施工技术

王晓州;丁维利;王庆林;赵永明;初厚永;苏杰

【摘 要】郑西铁路客运专线高桥隧道下穿南同蒲铁路段为砂质黄土(Q3),埋深仅12.89 m.通过对设计方案和施工方案进行比选探讨,论述下穿段的安全快速施工技术、洞内外拱顶和地表沉降变形观测规律、安全预案及管理,并对下穿段的设计与施工提出一些探讨性的问题和建议.

【期刊名称】《铁道标准设计》

【年(卷),期】2007(000)0z1

【总页数】5页(P67-71)

【关键词】铁路客运专线隧道;黄土隧道;下穿铁路;施工技术

【作 者】王晓州;丁维利;王庆林;赵永明;初厚永;苏杰

【作者单位】铁道部工程管理中心,北京,100844;中铁二十三局集团有限公司,成都,610031;郑西铁路客运专线公司,西安,710043;中铁二十三局集团有限公司,成都,610031;中铁二十三局集团有限公司,成都,610031;中铁二十三局集团有限公司,成都,610031

【正文语种】中 文

【中图分类】U455

1 工程概况

高桥隧道位于陕西省潼关县，起讫里程为DK348+110～DK349+568，长1 458

m，为双线黄土隧道。隧道除进口端564 m位于R=8 000 m的曲线地段，出口端158 m位于R=12 000 m的曲线地段外，其余洞身位于直线上。洞身进口段纵坡为-9‰，出口段纵坡为-3.5‰。隧道进口因与南同蒲线相隔，出口位于磨沟右岸陡坡，下穿南同蒲线与磨沟大桥相连，交通非常不便。

隧道出口段于DK349+455.86处与南同蒲铁路挖方路堑小角度下穿立交，相交角度为23°58′49″，下穿段隧道施工长度约90 m。隧道出口段埋深浅，线路左侧边坡基本由坍滑堆积体组成，土体较松散，地形偏压严重。

隧道通过区范围内地层岩性简单，为Ⅰ级黄土台塬区，出口端表层为第四系上更新统风积砂质黄土及黏质黄土，下伏第四系中更新统风积砂质黄土及黏质黄土，中间夹有数层古土壤层。隧道洞身大部为砂质黄土(Q3eol3)，下部为砂质黄土(Q2eol3)。

南同蒲铁路为Ⅱ级正线，单线无缝线路，60 kg/m钢轨，Ⅱ型混凝土轨枕，碎石道床。该段铁路位于深路堑内，其中50 m位于缓和曲线上，15 m位于直线内，曲线半径400 m，缓和曲线长80 m，超高125 mm，缓和曲线一端接磨沟大桥梁，另一端接磨沟隧道。南同蒲线日行车密度为19对，日行车平均间隔时间30

min左右，经调查最大行车间距约45 min，列车行驶较频繁。

2 设计方案

2.1 原设计方案

隧道出口DK349+410～DK349+500为Ⅴ级围岩下穿南同蒲铁路段，采用一孔跨度64 m的八七铁路应急抢修钢梁架空铁路，梁两端置于隧道开挖轮廓以外的群桩基础之上。每段群桩4根，深度43 m，承台尺寸8.4 m×4.25 m×3.0 m(长×宽×高)，群桩与承台均采用C30钢筋混凝土。在架空线路的条件下采用双侧壁导坑法暗挖通过，既有铁路在限速15 km/h的条件维持运营。初期支护采用35 cm厚喷射混凝土，全断面设I25a型钢钢架，间距1榀/0.6 m，拱部设φ42超前小导管

(l-4.5 m，环向间距40 cm，外插角5°～10°，搭接≥1.5 m)。二次衬砌采用80

cm厚的钢筋混凝土结构。

2.2 设计变更

(1)变更原因

原设计方案要求既有铁路列车运行速度小于15 km/h，而根据铁道部文件铁办[2005]133号及西安铁路局文件西铁办[2005]292号规定各项施工要求按规定控制慢行距离和慢行速度，桥涵顶进施工慢行速度不应低于45 km/h。

八七铁路应急抢修钢梁净宽(4.974 m)比南同蒲铁路界限宽度(4.88 m)只宽出94

mm，而该段既有线的曲线外矢距为93 cm，不满足铁路的运营要求。

既有线位于路堑内，前后分别为磨沟隧道和磨沟大桥，施工桩基和八七抢修梁的材料和设备上去比较困难，既没有便道也没有施工场地，施工困难。

架空方案实施时，影响南同蒲铁路的正常运营。

因为以上原因，原既有线架空加固方案不能实施而变更为洞内管幕超前支护后采用双层支护的双侧壁导坑法，该方案施工周期长，为了保证无碴轨道的铺设要求，需增设新的工作面加快施工进度。

(2)设计变更方案

为了保证隧道施工工期，降低施工难度和风险，在DK349+379处增设1座长127 m斜井，既可保证自斜井至进口段的正常施工，又可自斜井向出口段反向掘进通过下穿南同蒲铁路段。

利用增设的斜井自洞内向洞口方向进行掘进，在DK349+410～DK349+500下穿段采用双侧壁导坑法开挖，拱部120°范围内设置φ159管幕进行超前支护，初期支护采用双层支护形式，二次衬砌采用加强钢筋混凝土结构。

超前支护：洞内采用φ159管幕进行超前支护，钢管内压注水泥浆，管幕设计参数：拱部120°范围内设置φ159钢管，壁厚6 mm，每根钢管长100 m，环向间

距20 cm，外插角0～1°。

初期支护：采用双层支护形式，初期支护为35 cm厚的喷射混凝土，拱墙挂φ8钢筋网，网格间距为20 cm×20 cm，全断面设I25a型钢钢架，间距为2榀/m，边墙设置φ22砂浆锚杆，L-4 m，间距1 m×1 m，梅花形布置，二次支护为全断面设35 cm钢筋混凝土结构，主筋采用φ22@250 mm。

临时支护：临时侧壁及临时横撑采用锚喷支护，喷射混凝土厚25 cm，设I25a型钢钢架，间距为2榀/m。临时侧壁设置φ22砂浆锚杆，L-2.5 m，间距1 m×1

m，梅花形布置。

二次衬砌：采用加强钢筋混凝土结构，厚度为40 cm，二衬主筋采用2φ22@200

mm(内外侧每处布置2根)。

在隧道开挖影响范围内既有线K861+952～K862+072段共计120 m，对既有铁路采用每侧7扣50 kg/m轨加固线路。

3 下穿段施工方案

利用增设的斜井自洞内向洞口方向掘进，管幕自DK349+405处施做至DK349+505段共100 m，采用双侧壁导坑法施工下穿段。开挖主要以人工配合机械开挖。

3.1 管幕工作室地段施工

在DK349+397～DK349+405段施作8 m的管幕工作室，工作室比正常隧道扩大80 cm，以保证管幕施工作业空间。

管幕工作室地段原设计采用双侧壁导坑法开挖，由于双侧壁导坑法初支有临时支撑，管幕在临时支撑处不能施做，同时双侧壁导坑中部的拱部开挖高度约7 m，远大于管幕所需5 m的工作空间，给管幕施工带来不便。为了保证管幕2个月的施工工期，在DK349+395～DK349+415段施工间距0.35 m、长20 m的φ108管棚预加固，管幕工作室地段采用了弧形导坑法开挖。

(1)φ108长管棚施工

在DK349+395处拱部120°范围内，按环向间距0.35 cm设置20 m长的φ108管棚，超前大管棚采用YG100型钻机钻孔。外插角度控制在5°～10°，以避免管棚侵入支护断面内。钢管在专用的管床上加工好丝扣，导管四周钻设孔径10～16

mm注浆孔。棚管顶进采用挖掘机和管棚机钻进相结合的工艺，先用挖掘机在人工配合下顶进钢管，再用钻机的冲击力和推力低速顶至设计深度。接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1 m。管棚安装就位后及时注浆。

(2)弧形导坑法施工

采用弧形导坑法较双侧壁法开挖分部少，在时间上能及时进行仰拱封闭，在空间上能有效缩短工作面至仰拱和二衬的距离，大大提高φ159管幕施工期间的安全性。

该段支护衬砌里程：二次衬砌施工至DK349+393，仰拱及填充施工至DK349+396，下台阶开挖至DK349+397，中台阶开挖至DK349+403，拱部开挖至DK349+406，通过现场监控量测既有线道床及路肩沉降为零，该施工段隧道的拱顶最大沉降为11 cm(两个半月)，说明在管棚的保护下，沉降较小。

3.2 φ159管幕施工

(1)施工方案

高桥隧道下穿段围岩为Q3新黄土，钻孔工艺不能采用水钻，否则易塌孔埋管和黄土湿陷软化而导致管幕下挠侵限，故下穿段采用“风动导向跟管钻进”的施工方法进行管幕施工，即将φ159钢管加工成每节6 m的钻杆，利用水平导向钻机将φ159的钻杆分节钻入。钻孔时利用空气压缩机产生的高压空气将钻渣吹出孔外，利用有线导向仪器控制钢管的打设精度。

(2)施工工艺

选用HTG-100全液压水平钻机，钻机平台能平移和升降，推进回拖力150 kN，

扭矩4 000 N·m，打设最大孔径φ219 mm的钢管。钻杆为φ159 mm×8 mm钢管，两端为φ159 mm×10 mm接手，加工成每根6 m。钻头为楔型钻头，钻头楔掌板旋转直径φ≤165 mm，楔型面与钻具(钻杆)交角≤20°。采用SE-1型有线导向仪，严格控制导向精度。在楔掌斜板钻头后面200 mm处将有线导向探棒焊牢，用连接线与操作平台显示屏连接。

①施工准备

施工场地应平整、密实，钻机平台有足够的强度、刚度和稳定性，设备安装牢固可靠、不松动，施工前应进行试运转。孔位放样须经专人复核，孔位偏差不大于30

mm。管幕布置在拱顶上部30 cm。钻具前部的导向钻头、探棒必须经检验，保证质量合格，性能可靠，安装齐全。

②钻进

外插角应将隧道坡度考虑在内，钻进前须先开空压机，待渣土被清出后，方可钻进。管口不出渣时应及时停钻，将淤积管内的钻屑渣土清除后再开钻。为防止抱钻，在钻杆外涂抹机油进行润滑。钻进速度应根据地质情况，进行中速钻进。导向技术人员随着不断钻进，必须时刻观察探头角度变化情况，并及时纠偏。出渣量不正常时，应注意观察被吹出渣土变化情况，查明原因后，继续钻进。风压不得小于0.5

MPa，风量6～9 m3/min，保证回风速度15～25 m/s，保持出渣畅通。钻孔时必须隔孔跳钻，终孔后跟踪注浆。

③接长钻杆、接线

钻杆接头在同一断面上不得超过50%，每次接长钻杆前必须进行质量检查。管材不得有弯曲，丝扣四周壁厚均匀，丝扣完好合格。管材内的铁屑、赃物及锈皮等必须清除干净。运输和安装时避免与硬物相碰，以免损伤管扣。探棒至显示屏的连接电线应选用导电性能好，外壳绝缘性能好且耐磨的电线。接头处要用两层热缩套管套好，用热吹风机吹烤贴牢。

④注浆

单孔打设验收合格后，由孔口注入水灰比1∶1的水泥浆，对管内及管外间隙进行充填。钢管四周设直径为12 mm注浆孔。泵压不宜过大，一般控制在0.8～1.2

MPa，以充满钢管内外空隙为度，停止注浆15～30 min后进行二次补浆，确保管内外填充质量。注浆必须控制好注浆量、注浆压力等环节。

3.3 双侧壁导坑法施工

隧道拱部120°范围内超前长管幕施工完成后，在DK349+410～DK349+500段采用双侧壁导坑法进行施工，开挖主要以人工配合机械开挖，拱部开挖预留10

cm的沉降量。具体施工步骤见图1。

图1 隧道下穿南同蒲段施工步骤

(1)施做①部

在管幕的保护下，开挖两侧导洞上台阶，即①部，每次开挖长度为0.5 m(即一榀钢架距离)。

施做初期支护：初喷混凝土4 cm，然后施做锚杆、挂设钢筋网，架立周边钢架及临时横撑钢架，施做锁脚锚管，周边(含底部)喷混凝土至设计厚度。

施做二次支护：绑扎钢筋，并与初期支护预留好的钢筋牢固连接，采用小块模板施做边墙二次支护混凝土，每次施做长度不大于2.5 m。

(2)施做②部

待①部开挖支护超前2.5 m后，开挖两侧导洞下台阶，即②部，每次开挖长度为0.5 m。

施做初期支护：初喷混凝土4 cm，然后施做锚杆、挂设钢筋网，架立周边钢架及临时横撑钢架，施做锁脚锚管，周边(不含底部)喷混凝土至设计厚度。

施做二次支护：绑扎钢筋，并与初期支护预留好的钢筋牢固连接，采用小块模板施做边墙二次支护混凝土，每次施做长度不大于2.5 m。

(3)施做③部

待②部开挖支护超前2.5 m后，开挖隧道中部上台阶，即③部，每次开挖长度为0.5 m。割除双侧壁导坑临时支护露出的锚杆。

施做拱部初期支护：初喷混凝土4 cm，然后挂设钢筋网，架立拱部钢架，喷射拱部混凝土至设计厚度。

施做拱部二次支护：绑扎钢筋，并与初期支护预留好的钢筋牢固连接，采用小块模板施做二次支护混凝土，每次施做长度不大于2.5 m。

(4)施做④部

待③部开挖超前2.5 m后，开挖隧道中部中台阶，即④部，每次开挖长度为0.5

m。

割除双侧壁导坑临时支护露出的锚杆。

(5)施做⑤部

待④部开挖支护超前2.5 m后，施工两侧导洞隧底。拆除两侧导洞底部的临时横撑，开挖隧道两侧导洞底部剩余的土体，即⑤部，每次开挖长度为0.5 m。

施做初期支护：初喷混凝土4 cm，架立周边钢架，喷混凝土至设计厚度。

施做底部二次支护：绑扎钢筋，并与初期支护预留好的钢筋牢固连接，采用小块模板施做二次支护混凝土，每次施做长度不大于2.5 m。

(6)施做⑥部

开挖隧道中部隧底剩余的土体，即⑥部。

初期支护和二次支护的施做同⑤部。

(7)二次衬砌施工

此时隧道初期支护及二次支护已经封闭成环，继续开挖和支护，待二次支护封闭成环达到一个衬砌段长度(衬砌台车长度)时停止工作面开挖，此时工作面距离成环的二次支护应控制在10 m以内。

拆除临时支护喷混凝土及钢架，一次拆除的长度控制在衬砌台车长度以内。及时绑扎仰拱钢筋，浇筑隧道仰拱和仰拱填充混凝土。挂设防水板，绑扎二衬钢筋，衬砌台车就位，浇筑二衬混凝土。

如此一环接一环地向前施工，直至完成整个下穿段。

4 应急预案

(1)成立应急响应机构：现场指挥组、抢险行动组、抢救疏散组、医疗救护组、安全防护组，按其职责与分工进行事故报告和现场处置。

(2)洞内准备足够的编织袋、筐子、片石、方木、钢管、木板、砂袋、混凝土施工用原材料及相应混凝土施工机具，保证能随时投入使用。各种材料要统一集中堆放，严禁挪作它用。安排2台自卸汽车、2台装载机、1台挖掘机、1台吊车等机械设备在现场待命。

(3)洞内设安全员2名，密切注意洞内的稳定情况。同时设2名专职的联络员，1个在港口车站、1个在华山车站。一有火车驶入或驶出立即通知现场值班人员，值班人员随即通知洞内施工人员撤离工作面，到已衬砌好的斜井或主洞内躲避，同时对未开挖好的工作面采用φ100的钢管和木板对工作面及未支护的顶部进行临时支护，待火车通过后继续施工。

(4)在既有线两侧堆放足够的道碴(距钢轨外侧不得少于1.5 m)，如线路轨道沉降或不均匀沉降过大，达到变形管理等级Ⅰ级时(超过6 mm)，立即通过有线电话或对讲机通知铁路运管部门现场配合人员，采用添加道碴抬高道床临时处理。

(5)既有线路堑边坡如出现裂缝及时将裂缝用三七灰土换填并夯实封闭，换填深度50 cm，宽50 cm，顶面高出原地面10 cm，并沿裂缝量测设置1∶1的排水坡，并对裂缝的变化情况加强监测，防止雨水渗入产生危害。如边坡出现滑坍应及时清理，并通知铁路现场配合人员，同时设专人进行看守观察边坡的稳定情况，加强对边坡的监测，根据监测结果必要时采取方木和砂袋进行边坡防护或封锁线路进行整

治。

(6)如工作面出现掉块，被挤出或有局部失稳趋势时，用木板和方木对工作面进行斜支撑加固，然后在工作面前方快速堆码砂袋，喷射混凝土封闭砂袋外侧，同时按程序上报。根据具体情况，严重时可采用混凝土浇筑封闭开挖的小导洞，确保不发生大的坍方。

(7)如已发生坍方等情况，则由洞内防护员及时通知铁路运管部门现场配合人员，并按程序逐级上报各相关部门(在φ159大管幕的保护下，不会塌方)。

(8)根据监控量测资料，如支护出现较大的变形，有坍方预兆时立即采用加强支护措施，采用钢管撑或方木支撑。同时停止掘进，用喷混凝土封闭前面工作面，工作面前方堆码砂袋，加强观测，并注意疏散无关人员。

(9)强化地表和洞内的变形监测工作，及时分析变形规律和变形量，调整支护设计参数，确保安全。

5 施工方案实施及建议

(1)目前洞内采用弧形导坑法开挖已进入φ159大管棚加固范围内，工作面里程为DK349+421，衬砌里程为DK349+411.6，洞外已对南同蒲铁路影响范围内K861+952～K862+072段共计120 m既有线采用每侧7扣50 kg/m轨进行了线路加固。根据监控量测地表部分沉降总量平均值为6 mm；既有线部分沉降总量最大值为4 mm，沉降总量平均值为3 mm，洞内DK349+410断面自开挖至衬砌前累计拱顶沉降量为70 mm，DK349+416断面自2007年10月1日开挖至10月6日上导坑拱顶沉降量累计为32 mm。

(2)长100 m的φ159长管棚施工时，为不侵入开挖界限内，有意加大了倾角，抬高了1～2 m，所以，实际施工时，在拱部120°范围内增加了长4.0 m、间距0.4

m的水平(倾角1°～3°)φ42小导管进行超前加固，以防φ159大管棚下的黄土掉下造成较大的超挖而增加喷射混凝土的厚度，效果明显。

(3)建议借用“新意法”的设计理念，对工作面采用长10 m、间距1 m×1 m或1.2 m×1.2 m的玻纤管纵向预加固，将开挖方法由双侧壁导坑法变为弧形导坑法。双侧壁导坑法分块较多，施工周期长，仰拱和二次支护在时间和空间上都不能及时封闭，在列车动载下存在安全隐患；另外，双侧壁导坑法在施工二次衬砌前需要拆除临时支撑，引起应力二次分布，增加了不安全的因素；采用弧形导坑法则相反，无论初支还是二次支护和衬砌均能及时成环，通过管幕工作室施工的效果来看，拱顶沉降较小。

(4)将二次支护的35 cm厚双层钢筋混凝土变更为内设间距20 cm×20 cm φ8双层钢筋网片和I22a型钢钢架的25 cm厚C25喷射混凝土(同时二衬厚度由40 cm变为50 cm)。钢筋混凝土强度增长较慢，不能及时提供承载能力，不符合及时支护的要求，并且二次支护的钢筋混凝土的分块较多，钢筋的接头也多，大大降低了钢筋混凝土的整体性。喷射混凝土强度增长迅速，且内设钢架，刚度较大，能及时分担土压力，提高隧道施工安全和加快施工进度，缩短开挖与二衬之间的施工时间。

(5)建议设计方案中增加工作面的超前预加固。对于自稳能力弱的围岩，工作面的稳定是隧道稳定的前提。Q3新黄土自稳能力较短，且在火车荷载的运行振动下，工作面可增加超前预注浆或超前玻纤管预注浆等措施，约束纵向变形，从而减小既有线道床和路肩沉降量，保证既有线的运营安全。

(6)以后的类似工程，建议取消对既有线铁路进行扣轨的加固方案，扣轨方案属于柔性加固，应力重分配能力较小，不能有效控制轨道的变形，适用于地基蠕变时间较长的地段，不适用垂直节理发育的黄土隧道洞顶既有线线路的加固。

参考文献：

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[2]贺廷西，苏万军.石太铁路客运专线大断面黄土隧道施工技术[J].铁道标准设计，

2007(4).

[3]TB10204—2002，铁路隧道施工规范[S].