隧道下穿铁路主干线施工技术分析.pdf

·隧道／地下工程·收稿日期：２０１６０２２２隧道下穿铁路主干线施工技术分析杨江平（中国铁建港航局集团有限公司　广东广州　５１１４４２）摘　要　随着我国基础建设的快速发展，隧道下穿铁路的工程实例越来越多，本工程隧道拱顶距已建成的铁路路基只有　　３０ｍ，且铁路属于我国东西运输主干道之一，因此，确保隧道下穿铁路段顺利通过成为本隧道施工中的技术难点。本文通过计算分析，筛选风险源，优化设计参数及实时监测，采用长管棚注浆术全断面加固等相关新工艺，达到了减震、加固围岩的目的。关键词　下穿铁路　数值分析　隧道施工中图分类号　　　Ｕ４５５．１文献标识码　　　Ｂ文章编号　１００９４５３９　（２０１６）增　１０１８５０４　　　　　　　ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＴｕｎｎｅｌＵｎｄｅｒ　　　　ＣｒｏｓｓｉｎｇｔｈｅＭａｉｎｓｔａｙＲａｉｌｗａｙＬｉｎｅ　　　ＹａｎｇＪｉａｎｇｐｉｎｇ（　　ＣＲＣＣＨａｒｂｏｕｒ＆Ｃｈａｎｎｅｌ　　　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，　　　　ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１１４４２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　　　　　　　ＷｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎｅｓｅｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，　　　　　　ｔｕｎｎｅｌｓｕｎｄｅｒｔｈｅｒａｉｌｗａｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｒｅｃｏｍｍｏｎ．Ｔｈｅ　　ｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｕｎｎｅｌ　　　　ｖａｕｌｔａｎｄｔｈｅｒａｉｌｗａｙｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　　ｈａｓｂｅｅｎｂｕｉｌｔ　　ｏｎｌｙ３０ｍ，　　ａｎｄｒａｉｌｗａｙｔｒａｎｓｐｏｒｔ　　　ｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅ　　ｍａｉｎｒｏａｄｓｔｕｆｆ．Ｓｏ，　　　　　　　　　　　　　　ｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｔｕｎｎｅｌｔｈｒｏｕｇｈｒａｉｌｗａｙｓａｆｅｌｙｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈｃａｌｃｕ隧　　ｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ，　　　　ｔｈｅｐａｐｅｒｓｃｒｅｅｎｅｓｒｉｓｋｓｏｕｒｃｅｓ，　　　　　　ｅｎｈａｎｃｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｒｅａｌｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ隧，　ａｎｄｕｓｅｓ　　　　　　　　　　　　　ｌｏｎｇｃａｍｐｓｈｅｄｇｒｏｕｔｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｗｈｏｌｅｓｅｃｔｉｏｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔａｎｄｏｔｈｅｒｒｅｌａｔｅｄｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　　　ｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｄａｍｐ隧ｉｎｇ，　　ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｒｏｃｋｐｕｒｐｏｓｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　　　ｕｎｄｅｒｃｒｏｓｓｉｎｇｒａｉｌｗａｙ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　　１工程概况某拟建分离式隧道，左幅全长为　　　２１５５ｍ，右幅全长为　　　２１００ｍ，单个隧道净宽　　１０．２５ｍ，净高　　５．０ｍ，隧道最大埋深　　２８０ｍ。其中隧道左线在和右线分别由一处下穿铁路下行线路基，隧道顶部距离路基约　３０ｍ；隧道下穿铁路下行线（路基）地质钻孔　ＺＫ０２７揭露地层表明，覆盖层较厚，为人工填筑土，主要为人工碎石、人工块石（块度　　　０．２～１．０ｍ）和人工碎石夹砂土，此段开挖可能存在冒顶危害，隧道施工对铁路路基可能产生沉降影响。隧道下穿铁路上行线（隧道）处施工可能会对铁路隧道产生不利影响，且隧道下穿铁路可能对后期铁路运营存在安全隐患［　１－２］。本文对隧道下穿铁路段进行施工技术研究，并提出相应的控制措施，保证隧道施工过程中和建成运营后既有铁路线的安全。根据相关研究［　３－４］，隧道下穿既有铁路施工时，一般均存在埋深浅、围岩条件差、施工风险大、技术要求高等特点，必须采取切实可行的地层加固措施和施工控制措施，才能保证开挖隧道的施工安全和既有铁路的运营安全。　２隧道下穿铁路安全控制标准根据《铁路轨道施工及验收规范》（　　ＴＢ１０３０２－９６），既有铁路轨道线路应符合以下规定［５］：（１）轨面高程设计要求（含路基预加沉落量）的允许偏差：在路基上为　　＋５０ｍｍ、　－３０ｍｍ，在建筑物上为±　１０ｍｍ，紧靠站台的轨道为　　＋５０ｍｍ，不得有负偏差。（２）直线两股钢轨面应保持同一水平，同一横断面处的两轨面高程相对差和在延长　　６．２５ｍ　范围５８１铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·隧道／地下工程·内的三角坑，国家铁路的正线和到发线不得大于　５ｍｍ，其他线和地方铁路、专用铁路、铁路专用线不得大于　　６ｍｍ。（３）钢轨轨面应目视平顺。用　１０　弦量的最大矢度：国家铁路的正线和到发线不得大于　　５ｍｍ，其他线和地方铁路、专用铁路、铁路专用线不得大于　６ｍｍ。根据以上规范规定，参照国内隧道下穿既有铁路线施工的成功案例［　６－７］，采用铁路路基沉降和差异沉降作为评判标准，评判隧道下穿铁路施工中铁路的安全状况。隧道施工期间铁路的安全控制标准为：（１）铁路路基沉降限制为：　＋５０ｍｍ　和　　－３０ｍｍ。（２）铁路两股钢轨差异沉降不得大于　　５ｍｍ。　３隧道下穿铁路工程设计概况原设计中，隧道左右线分别下穿铁路下行线路基和上行线隧道，现将其划分为下穿铁路路基段和下穿铁路隧道段两部分。下穿铁路路基段概况为：隧道轴线与铁路线路交角约　６０°，隧道顶部距离路基约　　３０ｍ，下穿位置岩层从上至下依次为人工碎石、人工块石、人工夹砂土、黏土、强风化炭质泥岩、中风化炭质泥岩等，隧道开挖范围的围岩主要为黏土和强风化炭质泥岩，硬塑状或碎裂状结构，中厚层状构造，节理裂隙极发育，岩体极破碎，设计围岩级别为Ⅴ级，支护类型为　　·Ⅴａ　支护，　４０ｍ长管棚超前预支护　　＋５ｍ　全断面注浆预加固。下穿铁路隧道段概况为：隧道轴线与铁路线路交角约　３０°，隧道顶部距离铁路隧道底部约为　　４０ｍ，铁路隧道埋深约为　　１００ｍ，均属于深埋隧道。下穿位置围岩主要为中风化　～微风化灰岩，岩体节理较发育，岩体较破碎至较完整，Ｒｃ　　＝５１．２ＭＰａ，Ｖｐ　＝　　　　　２６００～３６００ｍ／ｓ，Ｋｖ　＝０．５４，ＢＱ　＝３７８．６，局部点滴状出水，稳定性较好，设计围岩级别为Ⅲ级，支护类型为　　·Ⅳｂ　支护，／２２　超前锚杆预支护。根据类似工程施工经验［　８－１１］，施工危险性较大的应为下穿铁路路基段，本文主要以该段作为研究对象进行分析计算。　４隧道下穿铁路路基段安全分析　　４．１分析模型建立基于以上工程概况，建立隧道下穿铁路路基段的数值计算模型，考虑到模型计算范围内地层分布复杂，此处按等效模量考虑，将土体考虑为遍布整个模型的各向同性围岩。计算边界左右取至５　倍洞径范围以外，下边界也取至２　倍洞径以外，左右边界限制水平位移，下部边界限制竖向位移。参考规范和地勘报告确定岩体参数，土体本构关系取理想摩尔库伦模型。计算考虑两种工况：无列车荷载时和有列车荷载时，分别计算两种工况下隧道施工引起的铁路路基沉降。列车荷载参照规范，取为　　６０ｋＰａ。计算工况见表　１，各材料参数取值见表　２，采用地下道工道　建立的下穿铁路路基段三维示意见图　１，数值计算模型见图　２。表　　　１下穿铁路路基段分析工况工况工况　１工况　２无列车荷载有列车荷载表　　２下穿铁路路基段模拟参数材料密度／（ｋｇ·ｍ－３）弹性模量　／ＧＰａ泊松比黏聚力　／ｋＰａ内摩擦角／（°）人工碎石土　１８０００．５０．３５４０２２强风化炭质泥岩　２０００１０．３０１００２８初期支护　２２００２８０．２二次衬砌　２５００２９．５０．２图　　　１下穿铁路路基段三维示意图　　图　　２下穿铁路路基　段数值计算模型　４．２计算结果分析基于以上建立的数值计算模型，按照隧道实际开挖工况进行数值模拟，计算隧道二衬结构的内力最大值及最小安全系数，以及路基结构的沉降值和差异沉降值。计算结果见表　３。表　　３各工况计算结果分析工况隧道二衬结构轴力最大值／ｋＮ弯矩最大值／（ｋＮ·ｍ）安全系数最小值路基结构路基沉降最大值／ｍｍ差异沉降最大值／ｍｍ工况　１　１６６５－１８０．４３．７８－８．４２．３工况　２　１６８３－１８２．７３．６４－１２．８２．１６８１铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·隧道／地下工程·　　由表　３　可知，两种工况下隧道的轴力和弯矩变化不大，且最小安全系数均满足规范要求，因此无论是开挖过程中，还是在列车荷载作用下，隧道结构是安全的，该段隧道结构安全满足要求。隧道下穿铁路下行线路基，隧道施工过程中，铁路路基结构的最大沉降在没有列车荷载作用时为　　－８．４ｍｍ，有列车荷载作用时为　　－１２．８ｍｍ，均小于《铁路轨道施工及验收规范》（　　ＴＢ１０３０２－９６）规定的　　－３０ｍｍ　的控制标准。铁路路基结构差异沉降最大值在两种工况下的最大值分别为　　２．３ｍｍ　和　２１ｍｍ程，均小于《铁路轨道施工及验收规范》（ＴＢ　１０３０２－９６）规定的　　５ｍｍ　的控制标准。综合以上分析，隧道施工期间和建成运营后，铁路下行线路基结构安全能够满足规范要求。　５隧道下穿铁路风险识别与分析根据以上隧道下穿铁路概况分析和数值模拟计算，可以看出隧道下穿铁路路基段地层围岩条件较差，隧道埋深较浅，隧道结构与铁路路基间距较小，隧道施工主要存在隧道塌方、列车动载引起隧道结构开裂、铁路路基沉降过大、铁路路基不均匀沉降等风险事件。根据原铁道部制定的《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》（铁建设［２００７］２００　号）的规定［１２］，通过采用专家调查法确定各风险事件的概率等级和后果等级，采用　Ｒ　＝Ｐ　×Ｃ　定级法确定相应的风险等级。隧道下穿铁路风险等级汇总见表　４。表　　４隧道下穿铁路风险等级汇总区间段风险因素风险事件风险等级评定概率等级后果等级风险等级隧道下穿铁路路基段隧道轴线与铁路线路交角约６０°　　　　　　　　，隧道顶部距离路基约　３０ｍ，下穿位置岩层从上至下依次为人工碎石、人工块石、人工夹砂土、黏土、强风化炭质泥岩、中风化炭质泥岩等，隧道开挖范围的围岩主要为黏土和强风化炭质泥岩，硬塑状或碎裂状结构，中厚层状构造，节理裂隙极发育，岩体极破碎，设计围岩级别为Ⅴ级隧道塌方３２中度列车动载引起隧道结构开裂３２中度铁路路基沉降过大２３中度铁路路基不均匀沉降２３中度　６隧道下穿铁路分析结论及应对方案措施根据以上对隧道下穿铁路路基段进行的计算分析，可以得出以下结论：（１）按照原始设计，通过加强洞内支护措施，隧道施工和运营期间，下穿段铁路路基和隧道结构变形能够满足规范要求，可以保证铁路安全，隧道施工和运营不至于影响铁路的正常运营。（２）考虑下穿铁路段列车动载作用，隧道结构安全系数能够满足规范要求，下穿段铁路列车运行不至于影响隧道的结构安全。（３）隧道下穿铁路路基段施工引起的铁路路基沉降和路基不均匀沉降比下穿铁路隧道段的大，施工和运营安全风险较高，需引起重视，综合考虑地表预加固等手段，并在隧道施工监控量测中，增加对于铁路的专项监测方案，确保铁路安全。（４）综合各方面的要求，采用小扰动的人工开挖或小剂量爆破开挖施工。（５）隧道下穿铁路路基段采用　　４０ｍ　长管棚超前预支护　　＋５ｍ　全断面注浆预加固措施，环形留核心土法开挖，控制爆破施工，严格控制一次开挖进尺，减小洞周围岩变形和地表沉降。施工期间，加强隧道洞内外和铁路路基、轨道结构的监控量测工作，发现异常情况及时上报，采取必要措施予以处理。对于铁路路基沉降发生后，要及时进行养道校正作业，保证铁路路基和轨道的正常使用。（６）隧道下穿铁路隧道段采用／２２　超前锚杆预加固措施，台阶法开挖，控制爆破施工，严格控制一次开挖进尺，减小洞周围岩变形。施工期间，加强隧道洞内变形监测和铁路路基、轨道结构的沉降监测工作，一旦发现异常情况及时上报，采取必要措施予以处理。对于铁路路基沉降发生后，要及时进行养道校正作业，保证铁路路基和轨道的正常使用。（７）建立突发情况应急预案，以提高对突发情况的应对和处理能力，保证隧道建设安全和铁路运营安全。参考文献［１］　叶超明，郑智军，陈小满．拾荷隧道下穿铁路段设计与施工技术要点［Ｊ］．重庆交通学院学报，２００１（２）：　１０６－１０９．［２］　孙河川，杨慧林，李兴高，等．龙脖山隧道下穿铁路既有线及涵洞施工安全分析［Ｊ］．铁道建筑，２００８（１２）：　５０－５４．［３］　王新东．郑西客专高桥隧道下穿既有铁路设计与施工７８１铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·隧道／地下工程·［Ｊ］．现代隧道技术，２０１２（１）：　１３２－１３７．［４］　严涛．软土地区盾构区间下穿既有铁路的沉降分析及安全性评价［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（１）：　２３－２６．［５］　中华人民共和国铁道部．铁路轨道施工及验收规范［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，１９９６：７．［６］　曹海林．新建隧道下穿既有公路隧道施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１３（５）：　６３－６７．［７］　李栋，何兴玲，覃乐，等．特大跨超浅埋地铁隧道下穿天桥过程稳定性控制［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１３（Ｓ２）：　２０６－２０８．［８］　李健，谭忠盛，喻渝，等．下穿高速公路浅埋大跨度黄土隧道施工措施研究［Ｊ］．岩土力学，２０１１（９）：　５７－６０．［９］　张文斌．某新建轨道交通工程下穿既有高速铁路桥梁方案研究［Ｊ］．铁道标准设计，２０１５（５）：　７３－７６．［１０］田精斐，申志军．浅埋隧道穿越铁路线施工技术［Ｊ］．隧道建设，２０００（３）：　５９－６３．［１１］张迪．杭州解放路隧道穿越铁路的设计与施工［Ｊ］．公路隧道，２００５（１）：　１－６．［１２］中华人民共和国铁道部．铁路隧道风险评估与管理暂行规定［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００７：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪３．　　（上接第　１０１　页）挠度验算来自两方面的变形值，一是吊筋对大梁的吊装产生的向上的挠度值，二是大梁承受均布荷载向下的挠度变形。（１）下部大梁均布荷载产生的挠度值ｗ　＝５ｑｌ４／３８４ＥＩ　　＝５×　１６５×　７５００４　／３８４×　２００×１０３×　　１５７６０×１０４　＝２１５ｍｍ（２）吊筋对大梁产生的向上挠度值ｗ　＝Ｆａ（３ｌ２－４ａ２）／２４ＥＩ　　＝４００×１０３×１５００　（３×　７５００２　－４×　１５００２）　／２４×　２００×１０３×　　１５７６０×１０４　＝１２７ｍｍ挠度值叠加计算得挠度值为　ｗ　　　＝２１５－１２７＝　８８ｍｍ，平均每根大梁工字钢挠度值为　ｗ　　＝２２ｍｍ，超出规范要求，当混凝土浇筑　　９０ｃｍ　时，第（１）项挠度值为　ｗ　　＝１９３．５ｍｍ，则最终挠度值为　ｗ　＝（　１９３．５－１２７）／４　＝１６．６ｍｍ，ｗ／Ｌ　　　　＝１／４５２＜１／４００，满足设计要求。　３．４最终支撑结构设计（见图　１７）［１２］图　　１７支撑结构设计　４结束语本文主要系统地阐述海上大体积混凝土承台模板支撑结构的设计流程，有别于一般只采用一种支撑方式的结构，本文所阐述结构为吊筋与钢抱箍结合，且从荷载分析到结构设计一步步分解计算，对其他类似工程结构设计可提供一个计算模板。参考文献［１］　王维舟，江河生．海南炼化　１０　万吨级外海码头墩台施工技术［Ｊ］．中国港湾建设，２００７（２）：　５０－５３．［２］　肖家安．桥墩盖梁施工技术探讨［Ｊ］．铁道标准设计，２００５（１２）：　５６－５８．［３］　张洪军，王凯英，张宏权．现浇盖梁抱箍法模板支撑设计与施工［Ｊ］．中外公路，２０１４（３）：　１５３－１５６．［４］　洪华平．悬空支撑体系在水上盖梁施工中的优化设计［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（３）：　２８－３０．［５］　林礼进．可调式刚性吊筋器在灌注桩浮笼控制中的应用［Ｊ］．山西建筑，２０１３（２８）：　６７－６８．［６］　施斌．浅谈海上大体积钢筋混凝土墩台施工方案［Ｊ］．华南港工，２００３（１）：　３４－３７．［７］　张明聚，赵鸿超，郭雪源，等．基坑工程内支撑抱箍式活络头试验研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（１２）：　２７－３２．［８］　罗九林．装配式桁架片组成的方柱式结构及承载力简化计算方法研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（１）：　６－１０．［９］　王依兰．支架法现浇连续梁施工方法及工艺［Ｊ］．黑龙江交通科技，２０１０（８）：　１４３－１４５．［１０］高禄巍．双层跨海大桥现浇下横梁施工技术［Ｊ］．国防交通工程与技术，２０１５（２）：　７２－７５．［１１］姚斌，缪恒．高桩梁板码头现浇大体积横梁底模支撑结构设计计算［Ｊ］．中国水运（下半月），２０１３（１０）：　２７７－２７８．［１２］李眉俊．复杂条件下桩基大体积承台施工控制技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（５）：　１４－１６．８８１铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）