铁路隧道下穿高速公路施工技术讲解

中国交通建设集团第一公路工程局厦门工程有限公司铁路隧道下穿高速公路施工技术交流材料

中交太中银铁路工程第六项目经理部二分部ChinahighwayFirstGroup

目前，随着对隧道围岩与支护相互作用认识的逐步深入，各类开挖和支护方法得到了系统的研究与应用，特别是在浅埋、软弱地质条件下的开挖、支护施工技术也取得了突破性的进展，但在铁路隧道浅埋下穿高速公路这个特殊领域内，尚没有一套完整的施工工艺和措施，本文结合太中银铁路工程梁家会1#隧道浅埋下穿施工中的离军高速公路的施工实践对护拱盖挖与浅埋暗挖联合施工的工艺进行简单的阐述。前言ChinahighwayFirstGroup1.工程概述1.工程概述

隧道下穿施工中的高速公路线段地质条件较差，均为Ⅴ级加强围岩，围岩为新黄土，软弱且浅埋，自承能力极差,同时受在高速公路上施工机械、通行车辆的影响，造成洞身开挖后围岩的稳定性更差，且高速公路通车后，路面行走车辆多为运煤车，载重一般在100吨以上，为此必须采取较为稳妥的施工方法，确保隧道的施工安全。隧道部分段落要从施工中的高速公路路基填方中穿过，施工中必须严格控制地表沉降，确保高速公路正常施工及行车安全。另外，梁家会1#隧道进口红线用地问题没有及时解决；该隧道施工所需物资必须经过一段高速公路路基才能运到现场，高速公路路基正在施工，梁家会1#隧道一旦施工双方施工干扰较大；离军高速公路计划于2007年10月份完工，压缩了我方隧道施工工期，相对加重了施工任务。所以,解决征地问题、与离军高速公路管理部门积极协调，进而确定下穿高速公路施工方案迫在眉睫。2.施工方案的确定2．1施工方案的比选

2007年7月19日，太中银铁路公司和山西离军高速公路建设管理处组织相关的咨询、设计、监理和施工等单位专家现场踏勘两下穿段施工现场，并于7月20日在吕梁召开下穿段方案论证会，会上双方专家充分考虑了梁家会1#隧道的地形地质情况，隧道与高速公路的浅埋下穿关系，结合离军高速公路9月25日施工沥青混凝土中面层的强制时间要求，对我方提出的完全明挖、完全暗挖、明挖与暗挖相结合三种施工方案进行了论证。2.施工方案的确定2．1施工方案的比选

完全明挖方案的论证从铁路隧道施工角度，作业范围较大，可以多个作业面同时施工，可以最大限度的缩短工期。一旦方案实施，基本将高速公路切断，高速公路的车辆通行及其正在进行的灰土、水泥稳定沙砾施工和后续的沥青混凝土都会被严重干扰，甚至无法继续施工。另外，完全明挖施工挖至高速公路高边坡下方，很可能因为开挖过宽、开挖深度过大导致高边坡失稳滑塌。2.施工方案的确定2．1施工方案的比选

完全暗挖方案的论证因为没有对高速公路路基明挖，在高速公路路基上采取必要的加固和防护措施，进行良好的交通组织后，高速公路可以正常行车，隧道影响区外的灰土、水泥稳定沙砾等施工基本不会受到干扰，从减少施工干扰角度讲，这种方案是可行的。由于梁家会1#隧道进口为路基填方边坡，且征地问题没有解决，不具备作业条件，采用CRD法从暗洞单侧暗挖，施工工序复杂，循环周期较长，在离军高速公路施工面层之前不可能完成下穿段施工，这样将会给施工增加更大的难度，进而影响高速公路施工。2.施工方案的确定2．1施工方案的比选

明挖与暗挖相结合方案的论证该方案还是对高速公路进行了部分明挖，明挖范围不大，对高速公路结构破坏有限。在暗挖段上方路基采取必要的临时加固和防护措施，进行有效的交通组织，可以保证高速公路施工机械通行和施工材料运输，尽可能降低了施工干扰。明挖和暗挖两作业面可以同时施工，能有效的加快施工速度，提高施工效率，才有可能在高速公路施工面层之前完成下穿施工，进而保证高速公路9月25日施作沥青混凝土。2.施工方案的确定2．1施工方案的比选

本着“保安全、保质量、保进度”、尽量减少铁路隧道和公路施工干扰的原则，经过反复论证，最终确定：梁家会1#隧道采用暗挖和护拱盖挖相结合的方法从进出口同时掘进浅埋下穿离军高速公路。2.施工方案的确定2．2施工方案的优化

2007年8月初，梁家会1#隧道设计变更资料（太中银施变隧54-01—54-30）下发，资料中再次明确了明挖和暗挖相结合的施工方案，并明确了分界里程（改DK186+360-440为暗挖段、改DK186+315-360为明挖段）和开挖支护参数。接到设计资料后，立即组织主要技术干部进行图纸审查，结合现场实际情况，暗洞段暗挖采用大管棚、中间辅以小导管作为联合超前支护，利用CRD法进行开挖支护施工的方案较为成熟，可操作性强；明洞段采用孔桩作支点，压顶梁作为纵向整体基座，支撑上部护拱，使护拱整体受力的方案比较合理，一方面可以减少高速公路行车荷载对隧道二衬结构的破坏，另一方面可以减轻列车通过时产生的振动对高速公路结构带来的危害。2.施工方案的确定2．2施工方案的优化护拱采用以Φ25主筋，Φ16分布筋的双层钢筋骨架的钢筋混凝土结构，明挖过程中预留土模，修筑土模耗时较长，混凝土内表面平整度很难保证，可操作性不十分理想。从施工角度，用工字钢作为主架，辅以大格钢筋网，上附密格钢筋网，采用挂模工艺浇筑混凝土的方案应该更加合理。经过受力计算，争得相关部门同意后，对明洞护拱用I22a工字钢作为主架，拱架间距1.0m，辅以Φ25的大格钢筋网，网格尺寸@50cm×50cm，上附φ10的密格钢筋网，网格尺寸@10cm×10cm，拱架内侧全部挂模，拱架外侧分别从压顶梁向上至1/3弧长范围挂模，然后采用混凝土汽车泵或拖泵浇筑护拱混凝土。2.施工方案的确定2．2施工方案的优化根据暗挖和护拱盖挖相结合的施工方案，结合现场具体情况，合理进行施工组织后，会出现这样一种情况，施工初期，因为明暗挖分别在隧道的进出口对向施工，两作业面相距较远，高速公路路基上车辆的通行不受太大影响，施工后期，明暗洞邻近贯通时，交界面就在高速公路路基上，且我隧道与高速公路小角度相交，明挖影响宽度达到了3/4的路基宽度，而另外1/4部分为暗挖影响区，为保证暗挖作业人员和机械安全，确保明暗洞顺利对接，必须提前在暗挖影响区对应的路基上施做临时钢筋混凝土搭板，改变路基受力形式，把集中荷载变成分布荷载。同时也可以大大降低隧道与高速公路交叉施工的影响。3．施工方案的实施及控制要点3．1路基顶面临时搭板施工临时搭板为C30钢筋混凝土结构，几何尺寸：长70m，宽6m，厚度40cm。钢筋布置情况：Φ25主筋，上层间距40cm，下层间距20cm；Φ16分布筋，上下层间距均为25cm。另外，为保证搭板的稳定，在搭板两端增设枕梁，梁高1.0m，宽1.2m，梁内设置Φ25钢筋骨架，与临时搭板主筋牢固连接。临时钢筋混凝土搭板可以增加路基表面的刚度和整体性，保证暗挖作业人员和机械安全，确保高速公路正常施工和通行。3．2暗挖段施工和控制要点工艺流程3．2暗挖段施工和控制要点3．2．1超前支护施工一般隧道施工中，仅在洞口施作大管棚，洞内即使设计了，多以小导管代替，考虑到浅埋实际情况，该隧道坚持采用了超前管棚方案。超前大管棚与钢拱架组合的棚架作用，可以避免隧道拱部坍塌，并能有效抑制高速公路地表沉降。隧道下穿高速公路段拱部设置φ159大管棚，管棚长度18m(分节长度9m)，环向间距3根/m，搭接长度3m。由于隧道覆盖层较薄，在管棚施工时严格控制钻孔外插角，一般控制在1°～3°。以防止穿顶。为保证施工安全，在大管棚的两个钢管之间加设φ42超前小导管加强支护，并进行注浆加固地层。小导管采用φ42钢管（t-3.5mm），环向间距3根/m，外插角度5°～8°，2倍钢架间距设置超前小导管。在超前支护施工过程中要尽量少扰动土体，避免高速公路路基的坍塌，确保施工安全。3．2暗挖段施工和控制要点3．2．2开挖施工下穿高速公路暗挖段采用CRD法进行开挖。具体开挖工序图如图3．2暗挖段施工和控制要点3．2．3初期支护初期支护采用I22a工字钢钢架支撑＋钢筋网＋喷射混凝土＋系统锚杆组成的复合式初期支护。其中边墙采用L=4m的φ22mm的砂浆锚杆，拱架间距50cm,φ8钢筋网间距20cm*20cm，C25初支混凝土厚度为30cm，该段支护参数明显高于其它隧道同等级围岩参数，目的在于加强初期支护体系的支撑强度确保施工安全。拱部钢架必须用纵向托梁32槽钢进行支垫以增加钢架底脚的承力面积，并设置Φ42锁脚锚管（L=4.0m）将钢架两底脚牢固锁定，以防止钢架下沉或两底脚回收。必要时，下导开挖后仰拱施工前加设临时仰拱，避免初期支护收敛变形。3．3明挖段施工和控制要点3．3明挖段施工和控制要点3．3．1高速公路路基开挖按照设计施工资料要求，灌注桩顶面标高在隧道圆心下方1.6m处，桩顶面处开挖宽度（垂直隧道轴线方向）为19.54m，按照1：0.5的坡比，根据埋深在高速公路路基放出开挖边线。开挖过程中注意预留核心土，以方便护拱的挂模施工，并为护拱混凝土浇筑提供必要的临时支撑点。每次开挖进尺控制为6～8m。3．3明挖段施工和控制要点3．3．2修筑临时施工平台根据设计施工资料数据，现场实际地形显示改DK186+315-350段压顶梁底面均在原地面之上，必须回填修筑临时施工平台才能进行桩基和压顶梁施工。修筑临时平台的土源来自高速公路路基挖方及本隧道暗洞段挖方，因为运距较短，可以相对加快修筑速度，也可以降低以上两部分弃方成本。该平台一旦填筑完成，立即进行桩基和压顶梁施工，自然沉降时间较短，必须注意控制压实度。本工程采用一部卡特320挖掘机盘料、平料和碾压，分层厚度30cm，密排碾压，单点碾压次数不少于20次，尽可能保证压实度，避免平台明显沉降。而事实上，采用非专业的压实设备施工，压实效果不尽理想，沉降是不可避免的，故填筑平台顶面要预留10-12cm沉降量。3．3明挖段施工和控制要点3．3．3桩基施工精确测量桩位，在桩位测量时必须适当加大桩到隧道轴线的距离，避免因扩孔、偏孔等因素导致桩基侵入隧道二次衬砌界限。复测平台基面标高，根据桩顶标高和原地面标高，复核桩长，确保灌注桩桩底没入原状土深度不小于0.4倍桩长，确保灌注桩在水平方向的稳定性。充分考虑钢筋的搭接和损耗，按照实际桩长进行Φ25主筋和φ8箍筋下料，焊制钢筋笼：主筋间距21.6cm;箍筋间距30cm，钢筋笼焊接过程中，要保证钢筋搭接长度和焊接质量，同时注意成品保护，避免锈蚀和变形。加工钢筋笼时要充分考虑桩基与压顶梁的妥善连接，必须保证桩基钢筋深入压顶梁，深入长度不小于35d（d为钢筋直径）。3．3明挖段施工和控制要点3．3．3桩基施工受地形和施工等因素限制，吊车和混凝土罐车无法接近桩孔，本隧道桩基用混凝土输送泵灌注，因为混凝土输送泵只能停放在高速公路路基上，而路基顶面高于桩孔孔口标高，属于负压灌注，必须严格控制混凝土配合比，确保混凝土和易性，避免混凝土离析走浆而堵管。另外，成桩桩顶标高要略高于设计标高，以保证桩头剔凿或顶面混凝土凿毛后，桩顶标高满足设计资料要求。3．3明挖段施工和控制要点3．3．4压顶梁施工压顶梁实际就是条形承台基础，施工工艺与桥梁承台相近。测量放线--基坑开挖--桩头剔凿--浇筑混凝土垫层—钢筋绑扎—架立模板—混凝土的浇筑及养护。压顶梁中为Φ25主筋、φ10箍筋和φ10钩筋，上下顶面主筋间距为21cm，侧面主筋间距为18.4cm；箍筋和钩筋间距为30cm。3．3明挖段施工和控制要点3．3．4压顶梁施工

压顶梁作为隧道初期支护的一部分内侧模板定位必须准确，到隧道轴线的距离严格按照隧道净空半径+衬砌厚度+预留变形量来控制，距离过小，会入侵二衬；过大，护拱拱架将无法与之正常连接。另外，部分梁体在回填平台上施工，土质相对松散，模板不适宜支撑加固，故该处模板主要采用拉杆加固。作为明洞护拱的扩大拱脚压顶梁上顶面必须要平顺，顶面纵坡要与隧道纵坡一致，保证护拱线形平顺，避免隧道二次衬砌超欠挖，出现应力集中。还要在梁顶面预埋钢板，钢板尺寸：28cm×28cm，钢板厚度：1.4cm，以保证拱架与压顶梁良好连接，使压顶梁和护拱整体受力。3．3明挖段施工和控制要点3．3．5护拱施工明洞护拱用I22a工字钢作为主架，拱架间距1.0m，辅以Φ25的大格钢筋网，网格尺寸@50cm×50cm，上附φ10的密格钢筋网，网格尺寸@10cm×10cm，拱架内侧全部挂模，拱架外侧分别从压顶梁向上到1/3弧长范围挂模，然后采用混凝土汽车泵或拖泵浇筑护拱混凝土。3．3明挖段施工和控制要点3．3．5护拱施工拱架施工。I22a工字钢通过型钢弯曲机一次弯曲成型，弯曲半径（内径）7.35m，根据施工需要适当截取拱架长度，本工程中，将上半断面拱架等长分为三节，单节下料长度7.77m，两端焊接钻φ29孔连接板（尺寸为26cm×26cm，厚度1.4cm）。利用开挖预留的核心土作为操作台安装拱架，架立过程中，先将与压顶梁连接的两节拱架简单固定，再将中间节拱架与上述两节用螺栓连接，两片连接板间加入橡胶垫片，将三节拱架连接完好；然后，进一步准确调整拱架位置和角度，让两拱脚落在压顶梁预埋钢板上，将预埋钢板和拱架连接板满焊连接。3．3明挖段施工和控制要点3．3．5护拱施工拱架之间用Φ25钢筋纵向连接，连接筋环向间距50cm。在两榀拱架中间位置布Φ25的环向钢筋，使之与纵向连接筋形成@50cm×50cm的大格钢筋网。然后在大格钢筋网上敷挂@10cm×10cm的钢筋网片，网片间搭接不少于两个网格，保证网片的整体性。3．3明挖段施工和控制要点

3．3．5护拱施工护拱施工采用木模板，模板两边抽齐，宽度为15-20cm，长为4m或5m。利用钢拱架自身稳定性，辅以钢筋、扎线等将模板固定在拱架上。挂模范围：拱架内侧及拱架外侧分别从压顶梁向上至1/3弧长处，同时必须保证内外模间距不小于60cm。为避免浇筑混凝土时模板缝大量漏浆，安设模板时必须紧密，过大的缝隙必须提前用锚固剂或水泥砂浆封堵。混凝土浇筑前，在拱圈内侧要采取钢管撑等必要的支撑措施，增加施工段拱架的整体稳定性。混凝土强度C30，施工过程中，严格控制水灰比，塌落度尽量控制在泵送混凝土的下限10-13cm之间。避免混凝土离析，大量浆液从模板缝渗漏出去。浇筑过程中要加强振捣，确保混凝土密实。同时必须注意，对称浇筑，两侧混凝土高差要控制在0.5m以内，避免单侧混凝土压力过大导致拱架失稳。3．3明挖段施工和控制要点明挖段钢混护拱在整体方案中的作用护拱方案的顺利实施，保证了明挖部分C20片石混凝土的分层回填和路面钢筋混凝土搭板的正常施作；同时也使隧道明洞段下导的开挖支护施工得以迅速进行，因为护拱和扩大拱脚（压顶梁）均已完成，明洞段下导先开挖中槽，再跳马口开挖支护边墙，多个作业面同时施工（施工中，控制中槽宽度不大于7m，每次马口开挖宽度不大于2m，避免马口开挖宽度过大,剩余部分在结构重力和其他荷载作用下失稳），为仰拱和二衬施工提供了作业面，也赢得了作业时间，进而保证了在地质情况复杂，施工干扰大及浅埋下穿的特殊条件下，历时四十余天，如期完成了近百米的下穿施工任务。浇注完的二衬砼仰拱施工中槽开挖钢砼搭板施工回填施工3．3明挖段施工和控制要点3．3．6C20片石混凝土回填明挖段护拱施工完成，达到一定的强度后即可进行片石混凝土回填施工。考虑到回填时不出现偏压，确保护拱结构的安全，片石混凝土也要对称回填，将拱圈两侧高差控制在0.5m-0.8m范围内，单层回填厚度不要超过1.0m。为避免抛填的片石直接砸到护拱，在护拱拱圈向外0.5m范围不回填片石。回填片石采用机械配合人工抛填，片石之间要留有空隙，让混凝土将片石完全包裹，为保证回填段路基路面质量，控制抛填片石量不要超过回填总量的25%。回填高度至高速公路路面标高下70cm。3．3明挖段施工和控制要点3．3．7路面结构施工离军高速公路设计方提供设计资料显示路面结构层（自上而下）：细粒式SBS改性沥青混凝土（4cm）+中粒式SBS改性沥青混凝土（6cm）+连续配筋钢筋混凝土（30cm）+贫混凝土（20cm）+水泥稳定沙砾（h）。因我方C20片石混凝土回填已至高速公路路面标高下70cm，为避免路面结构与隧道结构的刚性连接，将20cm厚的贫混凝土层调整为水泥稳定沙砾，作为缓冲减力层。3．3明挖段施工和控制要点3．3．7路面结构施工3．3明挖段施工和控制要点钢筋混凝土搭板（连续配筋）施工。4.施工注意事项4．1加强监控量测为判定支护措施是否能保证施工中的高速公路路基的稳定，保障隧道施工安全，要加强对拱顶下沉、围岩周边位移和地表沉降等的量测工作。拱顶下沉量测锚桩、围岩周边位移量测测桩的布置，Ⅴ级加强围岩每10m布置一个断面，每断面5个点,拱顶一点,两起拱线和下边墙对称设置。地表沉降测点布置：在高速公路线加固范围内,线路的两测各布1排测点，在洞顶间距为2m，在洞身两侧间距为5m。隧道开挖后一天时间内每3h测量1次，以后根据测量结果适当延长到6、12、24h。同时还要注意对既有堑坡的观察，是否有开裂或异常现象。4.施工注意事项4．2加强防排水施工控制针对该处浅埋的实际情况，