近几年,随着铁路建设的快速发展,新建铁路隧道下穿既有高速公路的项目日益增多,下穿高速公路隧道的开挖可能引起路面的不均匀沉降,严重时会引发路面开裂或塌陷,对高速公路行车安全产生威胁。因此,确定合理的施工开挖方案,不仅是保证安全的需要,也是每个下穿项目事前必须面对的问题。新建张家口—呼和浩特高速铁路东土村隧道,结合强风化围岩富水条件下浅埋暗挖的地质特点,在尝试已有成熟工法的基础上,实行“动态管理、信息化施工”,根据施工中揭示的地质情况及监控量测数据,及时调整施工方法及支护参数,既满足了安全快速的目标,又降低了工程成本,成功下穿京藏高速公路。

东土村隧道全长4 560m,为单洞双线隧道,开挖断面为14.78m×12.49m(宽×高),是新建张家口—呼和浩特铁路全线最长隧道,也是全线控制性工程之一。隧道在DK170+875—DK170+975段下穿京藏高速公路,铁路隧道中线与高速公路斜交角度为29°,下穿段埋深27~34.3m,路面宽23m,为双向4车道,日平均车流量较大。隧道下穿高速公路位置如图1所示。

下穿高速公路洞身段岩性主要为中生界上侏罗统(J₃)安下质凝灰岩,火山角砾和太古界侵入岩(r₁)中、细粒片麻状花岗岩,强度低,遇水软化,崩解性强,易产生滑塌。DK170+400—DK171+350(其中DK170+875—DK170+975段下穿京藏高速公路)正常涌水量11 374m³/d,最大涌水量29 177m³/d。

根据超前地质预报及开挖揭示的地质情况:预计下穿段岩性较复杂,多期岩脉侵入,强风化凝灰岩与片麻岩花岗岩接触带节理密集,蚀变分化严重,基岩裂隙水较丰富,距下穿29m处,开挖揭示的涌水量为1 500~2 000m³/d。

1)下穿段路堤下最大埋深为34.3m,除去路堤填筑高度,实际埋深约27m,根据设计规范规定,应按浅埋隧道设计与施工。下穿段埋深与类似工程相比虽然埋深不算小,但在强风化围岩且富水条件下,隧道施工往往存在较大的技术难度和施工风险。

2)根据施工揭示的掌子面围岩,在距拱部以下1.5~2.5m范围存在强风化花岗岩破碎软弱层,施工过程中时而有出露迹象,易发生滑塌或小型塌方。

3)施工期间不能阻断交通,实施交通管制及路面加固难度较大,开挖过程中受动载车辆冲击,控制路面沉降标准高。

4)反坡隧道施工,在涌水量增加的情况下,抽排水困难,施工难度加大,不确定因素增加。

隧道下穿施工完成后公路地表总沉降<3cm,拱顶施工沉降速率≤5mm/d;下穿段开挖应采用控制爆破或非控制爆破;加强超前地质预报,地质情况与设计不符时及时报告;确保京藏高速行车安全、确保下穿段连续施工;下穿方案施工前必须经专家评估,经审批后方可施工。

施工方案比选如表1所示。经过专家对方案的评估,考虑下穿时存在的风险和难点,同时考虑现有机械设备、施工技术、经济上的合理性、工期进度是否满足要求等方面,结合施工现场实际,选择方案2作为隧道下穿施工方案。

在隧道顶拱部140°范围内设置双排超前小导管,作为超前预支护,纵向两环搭接长度≥2.3m,上下两排外插角10°,上下两排错开梅花形布置。为保证外插角度,小导管从初支钢架腹部穿过。注浆采用1∶1水泥浆液(质量比),注浆压力控制在0.5~1.0MPa,终压为2MPa,当压力达到设计终压并持续10~15min且注浆量达到设计注浆量的80%以上时,可结束单孔注浆。

拟在DK170+940—DK170+895(45m)段设大管棚作为超前支护,外插角1°~3°,每节长4~6m,各节钢管之间采用丝扣连接,每环管棚长18m,搭接3m,共施作3环,注浆液、注浆压力及终压结束标准参照双排小导管施工要求。大管棚超前支护是为通过软弱围岩破碎段制定的备用措施,使用时应根据现场揭示的地质情况适当延长或缩短管棚施作长度。

隧道开挖采用光面爆破或弱爆破,周边炮眼间距控制在45~55cm,并根据地质情况及时调整钻爆参数,严格控制超欠挖。上台阶每循环开挖进尺不大于1榀钢架间距,边墙开挖每循环支护进尺不大于2榀钢架间距。仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚管,每循环开挖进尺≤3m。初支背后必须填塞密实,每环喷混凝土必须有专人检查并记录,避免由于初支背后脱空引起沉降及变形。尽可能缩短初支及二衬距掌子面的距离,严禁超安全步距施工。

遇开挖过程渗水量增加时,应采取掌子面超前钻孔排水,钻孔深度≥6m,钻孔直径50mm,内插直径42mm带孔的排水导管引排渗水,并根据涌水量大小分别在拱部、掌子面或渗水部位钻孔设置超前排水孔。

在正洞掌子面一侧50m处设置集水坑,集水坑尺寸1m×1m×1.5m,反坡段正洞每300m设置1个临时泵站,泵站集水坑尺寸2m×2m×2m,架设150mm排水管,并随开挖进度和实际涌水量进行增设。同时,备用足够的抽水泵及配套设施。

为保证京藏高速公路行车安全和隧道施工安全,根据设计文件和规范要求,建立地表及路面沉降观测,洞内拱顶监控量测,并根据反馈的量测数据指导施工,动态调整施工支护参数和施工工法。

在高速公路两侧坡脚、路肩、路面、中线布置11个监测断面,断面间距10m。路肩、路面、中线测点间距2m,坡脚测点间距4m。为保证高速公路正常通行及测设时的人身安全,路面测点采用铁钉贴反光片,隔离带处测点采用护栏桩贴反光片的方法,利用精密全站仪非接触性量测,避免测设人员直接进入行车范围。地表及路面监测点布置如图2所示。

下穿段施工持续了90d,地表及路面沉降观测频率按《铁路隧道监控量测技术规程》TB10121—2007有关规定执行。经对11个断面的测点统计分析,最大沉降值8mm,且随着时间的增长而逐渐趋于稳定,满足总沉降<3cm的标准规定。

洞内每5m布置1个监控量测断面,拱顶测点和净空变化测点布置在同一断面上,并与地表及路面沉降观测点相对应。每个断面拱顶沉降布置1个测点,净空变形布置2条测线,采用全站仪非接触性量测。位移速率1~5mm/d时,测设频率1次/d,≥5mm/d时测设频率2次/d。经对拱顶沉降测设数据统计分析,拱顶最大沉降值12.7mm,最大沉降速率2.4mm/d,满足标准要求。

1)下穿高速公路方案,采用双排小导管超前预支护方案(局部大管棚),较好地解决了软弱破碎围岩富水条件下拱部易掉块、滑塌的问题,减少了局部出现小型塌方的风险,有效控制了地表及路面沉降,说明方案可行。

2)通过量测数据的技术分析和及时反馈,同时结合超前地质预报,对施工过程做到心中有数,因地制宜,综合判断围岩的稳定性,预测可能出现的异常变化,及时调整施工工法和支护参数,较好地指导了施工。

3)由于局部大管棚支护方案属于地质变化时采取的措施,施工过程中,反馈的量测数据一直处于稳定状态,大管棚支护实际未实施,但遇施工方案需要变化,也存在着工序转换、不能连续作业的问题,因此,备选方案的设备配套和实施准备工作需进一步研究完善。