新建隧道穿越既有隧道快速施...巫山隧道下穿岳家岭隧道为例_赵斌.pdf

2023年第04期（2023年04月）No.04 2023184黑河学院学报JOURNAL OF HEIHE UNIVERSITYdoi：10.3969/j.issn.1674-9499.2023.04.052随着我国公路交通的不断发展，出现大量近接地下工程。其中新建公路隧道下穿运营期公路隧道已成为一种普通的现象。新建隧道下穿既有隧道一般分为正交和斜交两种形式，其中小角度超近距离斜交下穿既有隧道不仅易引起公路沉降，更易引起较大的衬砌破坏，影响公路运营安全1。针对新建隧道下穿既有公路隧道，国内外学者和工程技术人员进行了大量研究，主要集中在下穿工程施工力学行为、施工参数优化及变形控制技术三个方面。下穿过程中的施工力学行为是确定施工参数的重要基础，Chehade2通过数值程序研究得出了多种穿越形式下既有隧道与新建隧道的相互作用；Yin3认为隧道开挖净空对既有隧道具有显著影响；张琼方4、金大龙5等从Winkler地基梁理论、盾构机土体结构的多元耦合角度研究得出了掘进参数对已建隧道纵向变形的控制作用。此外，众多学者针对不同隧道下穿工程6，采用数值计算方法对掘进参数进行优化研究，并提出了针对性措施。高速铁路隧道下穿既有高速公路隧道一般采用双侧壁导坑法7施工，需设置或拆除大量临时支撑，形成小断面多单位开挖，空间狭小不利于机械作业，一定程度上影响隧道工程进度。以巫山隧道为依托，在超前大管棚、超前小导管、竖向支撑及加强锁脚锚管联合预支护条件下采用优化后的上台阶中隔壁法和台阶法相结合的开挖支护方法施工，利用CTR260掘进机进行机械开挖，有效发挥预支护系统，严格控制沉降量，确保初期支护稳定，满足既有高速公路结构稳定，实现了安全快速下穿既有高速公路隧道。1 工程概况1.1 隧道线路概况与工程地质条件郑万高速铁路巫山隧道位于重庆市巫山县境内，中心里程D1K653+821.75，最大埋深约730m，全长16 570.5m，为客运专线双线隧道，设计时速350km/h。巫山隧道出口D1K660+002D1K661+956段和D1K660+948D1K660+916段下穿沪蓉高速公路岳家岭隧道右、左线(图1、图2)，夹角约85，穿越长度分别为46m、32m；巫山隧道拱顶距离岳家岭隧道路面高差为17.3m和17.2m，该段岳家岭隧道埋深约203m，巫山隧道埋设约221m。图1 巫山隧道下穿岳家岭隧道段平面图岳家岭隧道是上、下行分离的四车道高速公路长隧道。隧址位于重庆市巫山县巫峡镇桂花村境内，隧道呈北东南西向展布，进口位于一近南北向冲沟的西侧斜坡上，出口位于近东西向的猪脑壳沟北侧斜坡上，隧道最大埋深215m。收稿日期：2023-02-20作者简介：赵斌(1985)，男，陕西宜川人，工程师，主要从事隧道施工研究。新建隧道穿越既有隧道快速施工技术及应用以巫山隧道下穿岳家岭隧道为例赵斌(渝万铁路有限责任公司，重庆 400037)摘 要：郑万铁路重庆段隧道工程多次下穿沪蓉高速公路，面临施工工法复杂、分部开挖单位多、作业空间狭小等不利因素，导致机械化掘进慢、施工成本高。以巫山隧道下穿沪蓉高速岳家岭隧道施工为例，在满足既有结构安全稳定前提下，经方案比选、结构安全验算及论证，增强预支护体系和优化分部开挖单位，采用上台阶中隔壁法和台阶法相结合的开挖支护方法施工，建立既有构筑物和新建隧道监控量测管理机制，解决机械开挖空间狭小问题，实现安全快速下穿既有高速公路隧道施工。关键词：隧道工程；下穿既有隧道；台阶法；机械开挖；快速施工技术中图分类号：U455.7 文献标志码：A 文章编号：1674-9499(2023)04-0184-05图2 巫山隧道下穿岳家岭隧道左、右线纵断面图2023年第04期（2023年04月）No.04 2023185自然科学研究隧道起讫桩号左线ZK1305+925ZK1307+655，长1 730m；右YK1305+935YK1307+684，长1749m。隧道按双向四车道全封闭设计，设计行车速度为80km/h，隧道净宽10.25m，隧道净高5.0m。岳家岭隧道左、右线纵断面图见图2(上页)。隧道下穿高速公路段穿越地层岩性为三叠系中统巴东组二段(T2b2)泥岩夹砂岩，产状N3555E/2535N，与线路夹角3060，横断面视倾角1528，隧道洞身左侧顺层偏压，岩体较破碎，节理裂隙发育，地下水主要为基岩裂隙水，多以点滴状产出。受构造影响，岩层次生褶曲发育，产状扭曲明显，岩层总体平缓。1.2 工程技术难点(1)经现场调查岳家岭隧道下穿交叉点两端各100米的病害情况，即左线ZK1306+951ZK1307+141段和右线YK1307+171YK1307+271段，岳家岭隧道左洞衬砌裂缝病害共发现：41条裂缝，总长149.80m，其中16条环向裂缝，总长51.70m，宽度0.12mm1mm；25条纵向裂缝，总长98.10m，宽度0.10mm0.60mm；19处网状裂缝。岳家岭隧道右洞衬砌裂缝病害共发现：48条裂缝，总长155.90m，其中6条环向裂缝，总长13.30m，宽度0.35mm0.18mm；37条纵向裂缝，总长142.6m，宽度0.45mm0.12mm；5处网状裂缝。岳家岭隧道病害情况较为严重，而新建巫山隧道距岳家岭隧道不足20m，新建隧道施工对既有运行线路影响较大。(2)根据规定8，运营隧道线路竖向变形6mm，控制指标研发，设计要求竖向变形5mm，对新建巫山隧道的掘进控制要求高。(3)因下穿施工工期跨越2019年春节，为保证春运期间高速公路通车顺利，春节前完成岳家岭隧道左线下穿施工，因此，施工工期紧张，要求新建巫山隧道快速施工推进。(4)巫山隧道下穿岳家岭隧道段为红层地区，红层多发育为砂泥岩地层，受构造控制，砂岩岩体较为破碎，泥岩在遇水条件下易软化，因此，隧道变形难以控制。2 方案比选2.1 基本原则下穿既有高速公路隧道施工，首要条件是确保既有高速公路隧道安全稳定，不影响正常通车运营；关键环节是有效发挥预支护系统，严格控制沉降量，确保初期支护结构稳定；重点是加强超前地质预报和监控量测工作，指导现场施工，必要时增设竖向支撑和横向支撑转换工法；进而合理划优化分开挖单位，充分发挥机械开挖效能，保证施工工期。2.2 比选结果分析双侧壁导坑法、中隔壁法和三台阶法具有施工速度快、围岩扰动小、变形控制稳定等特点9，目前，该3类施工方法是新建隧道下穿既有隧道严格控制变形的重要施工技术。结合巫山隧道下穿岳家岭隧道变形控制要求、工程地质条件以及施工工期要求，对双侧壁导坑法、中隔壁法和三台阶法在该项目中的应用进行了对比分析，对比结果见表1。针对双侧壁导坑法分部开挖单位较多、空间狭小、机械化作业效能低、工期压力大等问题，为减少多次开挖对围岩的扰动和有效发挥预支护系统，基于现场实际围岩岩质较硬和整体性好及无渗水情况，经支护结构安全验算，通过技术、经济和工期三个方面进行对比分析，采用中隔壁法和台阶法相结合的方法进行下穿段施工。表1 巫山隧道下穿沪蓉高速公路岳家岭隧道施工工法对比优化分析项目双侧壁导坑法中隔壁法三台阶法优化后对比分析超前支护96m 长 159大管棚96m 长 159大管棚59m 和37m159 大管棚，42 超前小导管优点：节约大型钻机投入，利于钻设角度精度控制，充分发挥预支护作用，控制沉降量；缺点：增设 8m 管棚工作 室 和 42 超前 小 导 管 工 程量。钢架支护及临时加固全环I25a0.5m，8 根 42 锁脚锚管长4.5m，临时竖向设两道 I18 临时型钢钢架全环I25a0.5m，8 根 42 锁脚锚管长4.5m，临时竖向上设1 道 I25a 临时型钢钢架全环I25a0.5m，拱腰、拱脚钢架两侧各增设1 组锁脚锚管(每组 2 根)，共 16 根 42锁脚锚管长4.5m，围岩变差、沉降量大时，增设竖向上台阶设 1 道I25a 临时型钢钢架，必要时增设临时仰拱。增强临时支护体系，满足结构安全系数要求。围岩变差、沉降量大时，三台阶法可快速转换为中隔壁法，加强钢架稳定性，控制沉 降 量 和 收 敛值。开挖单位及步骤减少多次开挖对围岩的扰动，利于大型机械开展作业，效率高、进度快。开挖机械液压锤+人工开挖CTR260 掘进机开挖CTR260 掘进机开挖相比较液压锤机械 开 挖 方 法，CTR260 掘进机在硬质泥岩条件下，机 械 效 能高，每小时开挖25m3，施工进度快。经济分析施工成本约 1 050 万元。施工成本约920 万元。施工成本约850 万元。相 比 较 节 约 施工成本约 200 万元。工期分析9.4 个月8 个月6 个月提前 3.4 个月完成下穿开挖，减轻工期压力。3 关键施工技术及控制要点3.1 预支护系统及支护参数优化(1)预支护系统：如表2所示，一次钻设96m长159大管棚，存在钻设角度难以控制和注浆效果不佳问题，于岳家岭隧道左、右线之间垂线下方D1K660+956D1K660+948段增设1处管棚工作室，分46m和32m长钻设大管棚，同时增设42超前小导管注浆加固弥补超前大管棚注浆不充分可能产生的沉降，有效发挥预支护系统，减少开挖沉降量。(2)临时支护：双侧壁导坑法竖向设两道I18临时型钢钢架，优化为竖向上台阶设1道I25a临时型钢钢架，拱墙钢架两侧增设锁脚锚管，确保分部开挖结构安全。2023年第04期（2023年04月）No.04 2023186自然科学研究3.2 上台阶中隔壁法巫山隧道D1K661+010D1K660+916段开挖工法采用上台阶中隔壁法(图3、图4、图5)，利用CTR260悬臂式掘进机(图6)机械开挖，将隧道断面分为五个部分开挖：上台阶高度6.5m，下台阶高度4.5m，隧底高度1.0m；先开挖左侧上台阶并施作初期支护、中隔壁竖撑，待左侧上台阶施工一段距离(35m)后进行右侧上台阶开挖施作初期支护；滞后左侧上台阶一段距离(1518m)拆除中隔壁竖撑预留下台阶开挖空间，开挖右侧下台阶并施作初期支护；待左侧下台阶施工一段距离(35m)后进行右侧下台阶开挖并施作初期支护；滞后一段距离(1518m)开挖隧底施作初期支护封闭成环；及时跟进浇筑仰拱及二衬。图3 上台阶中隔壁法(优化)横断面图4 上台阶中隔壁法(优化)施工工序纵断面图5 上台阶中隔壁法(优化)施工工序平面图6 CTR260掘进机3.3 施工工艺流程及控制要点上台阶中隔壁法施工工艺流程，如图7所示。图7 上台阶中隔壁法施工工艺流程图表2 巫山隧道下穿岳家岭隧道施工支护参数表开始里程结束里程衬砌类型长度(m)开挖方法超前支护初期支护衬砌临时支护钢架钢筋网锚杆喷射砼仰拱二衬D1K661+010 D1K661+002管棚工作室8机械开挖42小导管拱墙 I25a0.5m拱墙 82020cm拱部 22组合中空1.01.0m4.0m 长边墙 22 普通砂浆1.01.0m4.0m 长全环 C25砼厚 32cmC40 钢筋砼厚 80cmC40 钢筋砼厚 70cm32cm 厚 C25喷砼、8钢筋网片2020cm、22 定位锚杆(间距2.00.5m长 2.0m)和竖向钢架I25a0.5mD1K660+956 D1K660+9488D1K661+002 D1K660+956IV 级特设46机械开挖159大管棚拱墙 I25a0.5m拱墙 82020cm拱部 22组合中空1.01.0m4.0m 长边墙 22 普通砂浆1.01.0m4.0m 长全环 C25砼厚 32cmC40 钢筋砼厚 80cmC40 钢筋砼厚 70cmD1K660+948 D1K660+916322023年第04期（2023年04月）No.04 2023187自然科学研究(1)左侧上台阶开挖支护。在超前大管棚预支护下，机械开挖部，施作部导坑周边的初期支护和临时支护。即初喷混凝土，铺设钢筋网，架立初支钢架、临时竖撑，并设锁脚锚管(拱脚设两组)，复喷混凝土至设计厚度，再钻设径向锚杆。上台阶中隔壁法施工现场照片见图8。图8 上台阶中隔壁法施工现场照片(2)右侧上台阶开挖支护。在滞后部35m后，开挖部，施做导坑周边部分初期支护。即初喷混凝土，铺设钢筋网，架立初支钢架，并设锁脚锚管(拱脚设两组)，复喷混凝土至设计厚度，再钻设径向锚杆。(3)拆除中隔壁。在滞后部20m后，根据监控量测结果分析，待初期支护变形稳定后，逐榀拆除上台阶中隔壁竖向支撑，为下台阶开挖支护预留作业空间。若已开挖上台阶初期支护稳定性差、监控量测沉降值临近控制值，增设临时仰拱或增设下台阶竖向支撑。(4)下台阶开挖支护。在滞后部25m后，依次错开5m开挖部和部，施做导坑周边部分初期支护。即初喷混凝土，铺设钢筋网，架立初支钢架，并设锁脚锚管，复喷混凝土至设计厚度，再钻设径向锚杆。(5)隧道开挖支护。在滞后部35m后，开挖部，施做隧底仰拱初期支护。即初喷混凝土，安设钢架，复喷混凝土至设计厚度。(6)复合式衬砌施工。在滞后部一定距离后，施做复合式衬砌。即仰拱，仰拱填充，防水层，二衬。隧底安全步距控制在50m以内，二衬安全步距控制在150m以内。3.4 施工要点(1)将超前地质预报纳入工序管理，合理采用超前地质预报方法综合判定围岩地质情况，及时调整支护参数，确保掌子面稳定，减少初期支护变形沉降。(2)严格控制机械开挖循环进尺，上台阶两侧导坑一次开挖不得超过1榀钢架间距，下台阶两侧一次开挖不得超过2榀钢架间距，隧底一次开挖不得超过3榀钢架间距。(3)钢架安装时，拱架底脚置于垫块、槽钢之上不得有虚渣，上台阶两侧各设置两组锁脚锚管，确保锁脚锚管钻设角度、注浆饱满、与钢架连接有效。(4)做好洞内临时截排水措施，严禁积水浸泡拱脚和隧底，防止围岩遇水软化导致钢架下沉。(5)按照隧道监控量测、既有隧道监控量测专项方案及设计要求，进行量测项目和频次进行洞内围岩量测和既有隧道监测，及时反馈量测监测信息，做好施工方法调整，必要时加强支护，指导现场施工。(6)下穿既有高速公路隧道机械化开挖工法需在掌子面围岩自稳性好或超前支护加固自稳、岩质较硬的情况下采用，否则需采取有效措施稳定掌子面后且初期支护变形沉降可控范围内采用，或选用其他开挖方法。(7)施工前，组织管理技术人员认真核对设计图纸，勘查调查既有构筑物安全性能，制定切实可行的施工组织方案及应急预案，做好技术交底和安全培训工作。(8)施工中做好安全防护和安全巡查工作，设洞内施工值班领导和专职安全员监督指导安全措施落实情况，派下穿段专职联络员巡查既有高速公路结构安全情况。4 监控量测系统及效果评价4.1 新建巫山隧道监控量测(1)测点布设。如图9所示，拱顶下沉量测和周边净空变化量测在同一量测断面内进行，拱顶下沉测点设置在拱顶轴线附近，净空变化测线按照中隔壁法左右侧部，每分部一条水平测线、两条斜测线原则设置。不同断面的测点布置在相同的部位，且测点应尽量对称布置，以便相互验证数据。(2)洞内观察。分为开挖工作面观察和已施工区段观察。开挖工作面观察在每次开挖完成后进行一次，当地质情况基本无变化时，可每天进行一次。已施工区段观察每天进行一次。(3)拱顶下沉和净空变化。拱顶下沉和净空变化监控量测间距根据围岩级别、隧道断面尺寸、埋置深度及工程重要性等确定，D1K661+010D1K660+916段每5m一个监控量测断面。图9 中隔壁(CD)法测点布置图4.2 既有高速公路隧道监控量测(1)周边收敛量测、拱顶下沉量测、墙基沉降量测和路面沉降量测按ZK1307+015+060、YK1307+055+100段每5m一个监测断面，ZK1306+985+015、ZK1307+060+090、YK1307+025+055、YK1307+100+130段每10m一个监测断面，如图10所示。图10 岳家岭隧道收敛变形、沉降测点布置断面示意图2023年第04期（2023年04月）No.04 2023188自然科学研究Application of Rapid Construction Technology in Newly-Built Tunnel Crossing Existing Tunnel A Case Study of Yuejialing Tunnel under Wushan TunnelZhao Bin(Yuwan Railway Co.LTD,Chongqing 400037,China)Abstract:The tunnel project of Chongqing section of Zhengwan Railway has been running down the Shanghai-Chengdu expressway for many times,confronted with unfavorable factors such as complex construction method,many excavating units in different sections,and small working space,which leads to slow mechanized tunneling and high construction cost.In the construction of Shanghai-Chengdu YueJiaLing tunnel crossing under Wushan tunnel,the rapid construction technology is applied after the scheme comparison,structural safety checking and argumentation,and under the premise of satisfying both security and stability of structure:enhancing the preliminary support system,optimizing the division of the excavation,adopting the excavation support method by combining adjoining and bench cut method on the steps,establishing the management mechanism of monitoring and measuring the existing structures and the newly-built tunnel.The technology can ensure the safe and fast underpass of the existing highway tunnel.Key words:tunnel engineering;underpass the existing tunnel;bench cut method;mechanical excavation;rapid construction technique责任编辑：师清芳(2)量测频率和监测预警值控制。当位移监测值5mm，每天监测2次；当位移监测值5mm，每天监测1次。根据监测精度要求及工程类比经验将预警状态分为以下3种，报警值分为两级报警：当累计位移1020mm属于次稳预警，为黄色报警，提请相关单位注意；当累计位移20mm属于非稳定预警，为红色报警，通知相关单位立即停止施工，并启动应急预案。若日变形值超过5mm，也按照黄色报警进行处理。(3)高速公路岳家岭隧道内的监控量测点应在巫山隧道开始施作大管棚前埋设完成并读取初始值，以大管棚开始施作时间节点开始监控量测，以下穿段(D1K661+002D1K660+916)二衬浇筑完成时间节点结束监控量测。4.3 监测结果及施工效果评价如图11所示，新建巫山隧道变形监测数据显示，采用上台阶中隔壁法施工，隧道围岩变形控制在12mm以内，施工过程中，围岩未产生破坏或大变形现象，表明上台阶中隔壁施工方法可有效控制新建隧道围岩变形。如图12所示，岳家岭隧道拱顶沉降数据表明，既有隧道在新建隧道施工影响下，拱顶沉降控制在5mm以内，未超过容许变形值，满足既有高速公路隧道结构安全稳定要求，进一步验证了采用上台阶中隔壁施工方法穿越既有隧道的有效性。5 结语巫山隧道下穿既有高速公路隧道机械化快速开挖施工技术，简化了施工工序，克服了大型机械作业空间狭小的难题，为高风险下穿段机械化施工创造了有利条件；合理采用预支护系统、加强临时支护和初期支护措施，确保拱部结构及早稳定，减少沉降量和进口收敛值；优化调整施工顺序，减少各工序施工干扰，提高机械开挖效率，实现初期支护快速封闭成环，为仰拱、二衬跟进提供作业空间；综合利用监控量测技术手段，实施指导现场施工，降低施工安全风险；相比较双侧壁导坑法，该施工方法开挖进度提高约1/3，施工成本降低约200万元，但对施工地质条件要求相对较高。参考文献：1杨春山,等.近距离下穿盾构隧道对上覆运营地铁隧道的影响研究J.现代隧道技术,2015,52(5).2Chehade F H,Shahrour I.Numerical Analysis of the Interaction Between Twin-Tunnels:Influence of the Relative Position and Construction ProcedureJ.Tunnelling and Underground Space Technology,2008,23(2).3Yin M,Jiang H,Jiang Y,et al.Effect of the Excavation Clearance of an Under-Crossing Shield Tunnel on Existing Shield TunnelsJ.Tunnelling and Underground Space Technology,2018(78).4张琼方,等.盾构近距离下穿引起已建地铁隧道纵向变形理论研究J.岩土力学,2015,36(S1).5金大龙.盾构隧道群下穿既有地铁运营隧道变形机理及控制研究D.北京:北京交通大学博士论文,2018.6牟军东.软土地层盾构近距穿越既有运营地铁引起的沉降变形分析J.中国水运(下半月),2020,20(4).7于德海,舒娇娇,秦凯凯.盾构地铁隧道穿越既有铁路桥的沉降分析J.水文地质工程地质,2020,47(2).8丁智,等.软土盾构隧道近距离穿越既有地铁影响数值分析J.中南大学学报:自然科学版,2018,49,283(3).9中国铁路总公司.高速铁路隧道工程施工技术规程(Q-CR 9604-2015)S.北京:中国铁道出版社,2015.图12 岳家岭隧道拱顶沉降随时间变化曲线图11 新建巫山隧道变形随时间变化曲线