- 文档大小:1.78 MB
- 文档格式:pdf
- 约 5页
- 2021-06-26 发布
- 举报
- 1、本文档共5页,内容下载后可编辑。
- 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,可选择认领。
- 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细先通过免费阅读内容等途径辨别内容交易风险。如存在严重挂羊头卖狗肉之情形,可联系本站下载客服投诉处理。
·隧道/地下工程· 收稿日期:2015 03 02 盾构下穿既有铁路时安全技术措施研究 柴江明 (乌鲁木齐城市轨道集团有限公司 新疆乌鲁木齐 830026) 摘 要 地铁建设过程中遇到下穿既有铁路的情况时,如何选择适当的措施保证地铁下穿施工过程中不影响铁路 正常运营是一个比较复杂的问题。结合盾构区间下穿既有铁路的工程实例,对盾构下穿既有铁路进行了三维数值 模拟,从结构受力分析、变形计算等方面着手,研究盾构隧道下穿时对既有铁路的安全技术措施,以期对于类似的 工程有一定的借鉴意义。 关键词 地铁 盾构 下穿既有线 数值分析 中图分类号 U455.43 文献标识码 A 文章编号 1009 4539 (2015)07 0046 04 Safety Technical Measures for Shield Machine Underpassing the Existing Railway Chai Jiangming (Urumqi Metro Group Co.Ltd.,Urumqi Xinjiang 830026,China) Abstract On the occasion of shield machine underpassing the existing railway of subway construction,it is a complex problem on how to select the suitable measures for ensuring the normal operation of railway.Combined with the practical project of the shield interval underpassing the existing railway,three dimensional numerical simulation is made,and safety technical measures for the existing railway during the process of shield machine underpassing tunnel is put forward from the aspects of structure stress analysis and deformation calculation and so on in order to provide a certain reference significance for similar projects. Key words subway;shield;underpassing the existing railway;numerical analysis 1 工程概况 1 .1 盾构隧道与京广铁路正线的关系 某地铁区间下穿京广铁路正线段,该区间左右 线均采用盾构法施工。隧道结构内径为5.4 m,外 径6.0 m,采用300 mm 厚C50 钢筋混凝土管片衬 砌。区间右线为直线,左线为半径600 m 的平曲线。 纵断面上,穿越京广铁路段区间位于0.929%(上 坡)的纵坡上。 京广铁路为Ⅰ级铁路,上下行线间距5 m,铁路道 床类型为碎石道床,道床厚度约为1.2 m。下穿点的 铁路线路位于一个路堑中,两侧边坡的护坡形式为: 北侧护坡桩支护,南侧浆砌片石护坡。护坡桩为直径 1.8 m 的人工挖孔桩,桩底标高约为41.5 m[1]。 铁路南北两侧分别有一排水明渠,尺寸分别约 为0.5 m ×0.5 m(宽×深,南侧)和4 m ×1 m(宽× 深,北侧),穿越点既有铁路的情况如图1 所示。 图1 区间下穿京广铁路现场 1 .2 工程地质条件 根据区间穿越京广铁路段详勘资料显示,区间左 线地层自上而下分别为杂填土、粉质黏土、卵石,隧道 结构位于粉质黏土中;右线地层自上而下分别为杂填 土、粉质黏土、卵石和粉质黏土,隧道结构位于粉质黏 土和卵石中。场地土层物理力学性质见表1。 46 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2015(7) ·隧道/地下工程· 表1 场地土层物理力学指标 岩土 名称 天然密度/ (g·cm -3 ) 黏聚力 c/kPa 内摩擦 角/(°) 变形模 量/MPa 渗透系数/ (m·d -1 ) 承载力特 征值/kPa 杂填土1.89 12 10 2 粉质黏土2.01 36 16 24 0.005 250 含有机质 粉质黏土1.85 20 11 9 0.005 160 粉质黏土1.99 38 16 22 0.005 220 粗砂2.00 4 28 18 4.0 200 圆砾2.20 3 32 34 15.0 350 卵石2.30 4 40 38 20.0 400 勘察时测得各钻孔中潜水初见水位埋深0.10 ~18.10 m;潜水稳定水位埋深0.10 ~29.89 m;基 岩裂隙水稳定水位埋深为10.58 ~13.20 m。 勘察区内地下水位变化主要受气候及湘江水 域的控制。每年4 ~9 月份为雨季,大气降水丰沛, 是地下水的补给期,其水位会明显上升,而每年10 月~次年3 月为地下水的消耗期,地下水位随之下 降,年变化幅度3.00 ~6.00 m。 盾构隧道穿越京广铁路段,上半断面位于粉质 黏土层中,具有孔隙比大、压缩性高等特征[2]。下 半断面位于粗砂、卵石层中,两类地层性质差别较 大,盾构施工易出现抬头现象。 圆砾、卵石层沿线广泛分布,层位稳定,为勘察场 地潜水的主要含水层,具中等偏高的强度,与湘江水 域有一定的水力联系,地下水丰富,涌水量较大。盾 构法施工时,由于卵石自稳能力差,透水性强,地下水 位较高,水量十分丰富,掌子面容易产生涌水涌砂,造 成细颗粒物质大量流失,引起开挖面失稳、地面沉降 甚至塌陷等事故;同时围岩中分布有高强度、大粒径 的卵石,容易造成超挖和排碴困难,对盾构设备磨损 严重,对盾构顺利施工有较大影响[1]。 施工过程中过大的地面沉降将会对既有线运 营产生不利影响。 2 常用技术措施及其效果分析 2.1 常用处理措施 伴随着地铁盾构隧道穿越既有铁路的工程越 来越多,在国内地铁盾构隧道建设中,已经积累了 一些工程经验,例如天津地铁下穿京山铁路[3]、南 京地铁下穿宁芜铁路等工程[4],盾构隧道下穿既有 铁路的主要技术措施如下: (1)根据盾构掘进参数和地层位移关系,确定 合理的土压力设计值、掘进速度等盾构参数。 (2)为减少超欠挖对引起的围岩塌落和挤密, 导致土层变形加剧的现象,严格控制盾构的姿态和 轴线,减少盾构纠偏量。 (3)采用注浆加固地层,提高土层的承载力,减 小盾构穿越过程中的沉降。 (4)及时采取支护背后注浆加固地层等措施, 减少地层变形。 2.2 数值模拟分析 结合本工程的要求和工程特点,地铁施工过程 中,需保证铁路正常安全运营,而采用预施作隔离 桩加固地铁沿线将会影响到铁路运营,所以先从考 虑控制盾构掘进参数、严格控制施工误差等常用的 技术措施出发,对加固的效果进行分析。 模拟地铁盾构隧道下穿既有铁路的施工工况, 利用Midas GTS 有限元分析软件,建立该条件下的 施工工况的数值模型(见图2),并进行分析。 图3 的数值模拟结果显示:盾构区间施工阶段, 地面最大变形值达1.56 cm,不满足对既有线运营 的安全要求。 图2 区间下穿铁 路数值模型图 图3 施工阶段 竖向位移图 分析地表下沉的主要原因为:一方面该盾构穿越 黏土、卵石地层,围岩自稳能力差,盾构隧道施工时, 拱顶会产生较大的变形。另一方面,盾构隧道埋深较 浅,如天津地铁下穿京山铁路工程,其隧道拱顶埋深 约14 m,而本盾构隧道拱顶埋深为8 m,隧道内拱顶 的沉降引起的地表沉降槽更为明显[5],因而在地表处 也会产生更大的下沉量。因此除采取常规的技术措 施外,还需针对性探索合适的保护设计方案。 3 既有线保护设计方案 依据上述的数值分析,该地铁盾构隧道下穿的 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2015(7) 47 ·隧道/地下工程· 地层主要为黏土、卵石层,其自稳能力差,隧道掘进 时易产生较大沉降[6],盾构隧道上覆地层为杂填 土、粉质黏土等,由表1 可知,上覆土层c、值均较 小,抗变形能力差,隧道开挖时,塑性区较大,卸载拱 效应不明显,容易产生较大的沉降[7],且上覆土层厚 度不大,隧道拱顶沉降易延伸至地表,所以当地铁隧 道下穿既有铁路时,若不采取加固措施进行地铁隧道 的施工,引起的地面变形是难以接受的,会影响到既 有京广铁路的安全运行。因此,须进一步研究和优化 加固措施,对既有京广铁路进行有效保护。 3.1 线路架空加固 目前地铁施工中对既有铁路保护设计大多是 从优化施工工艺和加固围岩等方面考虑的。而对 于本工程,单纯的优化施工工艺和支护背后注浆加 固地层无法满足要求,因此提出了架空既有铁路的 保护设计措施。 3.1 .1 线路架空加固具体步骤 (1)根据既有京广线和下穿区间隧道的平面位置 关系,在既有线上下行线两侧及中间施作18 根支点 桩,桩径为1.5 m,桩长为18 m,支点桩最大间距13 m。 (2)沿铁路方向在支点桩上,架设主梁即钢纵 梁,共计3 组,主梁采用63c 型工字钢,两片1 组,长 度53 m。 (3)在垂直铁路沿线方向上设置次梁即钢横 梁,钢横梁采用45c 型工字钢。 (4)纵横梁之间采用U 型高强度螺栓套箍连 接,根据线路加固平面布置,将区间下穿段范围内 的既有铁路荷载传递至由支点桩、纵梁、横梁组成 的架空受力结构上,从而对区间下穿段既有铁路形 成一个“横抬纵挑”的加固体系,如图4 所示。 图4 线路架空加固措施 3.1 .2 线路架空纵、横梁体系验算 (1)设计参数 根据规范及《铁路工务安全规则》的规定,综合 确定纵、横梁的容许应力和容许挠度等设计参 数[8],见表2。 表2 纵横梁截面参数 钢梁 类型 截面惯性 矩Ix /cm4 净截面抵抗 矩Wx /cm3 容许应 力σ/MPa 最大跨 度/m 容许 挠度 63c 组合梁2 ×102 250 2 ×3 300 210 13.0 1 /400 45c 组合梁35 280 1 570 210 5.7 1 /400 (2)受力计算 线路架空系统所承受的荷载除了恒载外主要 为列车的车辆荷载,依据《铁路桥涵设计基本规 范》[9],荷载如图5 所示。 图5 列车荷载分布图(单位:m) 结合纵、横梁截面参数、长度等,再考虑既有铁 路、轨枕自重和列车动力作用等,钢纵梁和钢横梁 荷载计算参数分别见表3、表4。 表3 纵梁荷载计算表 钢梁类型列车动荷载/(kN·m -1 ) 列车冲击系数恒荷载/kN 63c 型纵梁137.5 1.33 164.8 表4 横梁荷载计算表 钢梁类型机车轴重/kN 机车轴距/m 冲击系数工作系数 45c 型横梁220 1.5 1.33 1.3 (3)验算结果 钢纵梁和钢横梁的 验算主要是依据既有铁 路正常运行对变形的控 制要求和纵、横梁承载能 力进行的,通过计算得到 结果见表5。 计算结果表明:设计 的钢纵梁和钢横梁,其变 形和应力均小于控制值, 满足设计要求。 48 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2015(7) ·隧道/地下工程· 表5 纵、横梁验算结果 钢梁类型 最大弯曲应力 σmax /MPa 最大剪应力 τm ax /MPa 最大挠度 63c 型纵梁127.4 23.3 1 /470 45c 型横梁84.8 1 /3 500 结果判别 <[σ]=210 <[τ]=26 <[f]=1 /400 符合要求符合要求符合要求 3.1 .3 线路架空支点桩承载力验算 通过以上对钢纵、横梁的受力计算,结合桩最 大间距13 m,桩径1.5 m,桩长为18 m;再根据该桩 段地层地质条件,对支点桩做承载力验算。 上部荷载传至每根支点桩为2 218 kN。 根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》,挖孔灌 注桩容许承载力计算如下[10]: [p]=12 UΣfi li +m0[σ]=3 116 kN >2 218 kN 可知直径1.5 m、长18 m 的C30 支点桩,能够 满足桩基承载力要求。 3.2 跟踪注浆及旋喷桩加固 考虑到本工程相对于类似的工程来说,盾构隧道 埋深较浅,覆盖层薄,且既有铁路两侧为路堑,铁路地 势低洼,两侧水沟容易积水,这些对于地铁下穿工程带 来新的难点,因此针对性地提出了袖阀管预注浆加固 地层、旋喷桩止水和加固地层,与以往旋喷桩加固下穿 地铁两侧土层不同,本次为了不妨碍铁路的正常运营, 针对性地采取在既有铁路两侧施作旋喷桩,既起到限 制土体侧向位移、加固地层的目的,又起到隔水效果。 盾构法施工的线路定在隧道扰动区外,并认为 隧道扰动区范围为2R(R 为隧道半径)。在强烈影 响区内的建(构)筑物基础,通常要求进行托换或地 基加固。盾构区间下穿京广铁路横向影响范围为 区间左右线之间和两侧各15 m,顺铁路方向共约 65 m范围。在此范围内采取的加固措施为: (1)盾构穿越前,对京广铁路下地层预埋50 mm ×5 mm 的袖阀管,如果施工中线路沉降量超过警戒值 应及时采取补充注浆加固。处理后地层固结体的无侧 限抗压强度≥1.0 MPa,渗透系数不大于10 -5 cm/s。 (2)在京广铁路两侧,排水明渠内各打设2 排 旋喷桩(直径800 mm,间距600 mm,采用三重管), 起到加固土体、隔断及控制变形的作用,并作为引 流钢管的基础。 3.3 盾构推进控制 结合本工程地层软弱和上覆土层埋深较薄的 特点,相对一般的盾构下穿工程,提出了更为细致、 具体的盾构工艺控制要求,将监控量测和施工控制 有机地结合起来,不断地优化施工参数,实现因地 制宜的动态施工。 (1)严格控制土压力:在施工中严格管理,使实 际土压略大于计算值。鉴于过铁路前后地层分布 较为连续,在盾构穿越铁路前50 m 范围内设置2 组 分层沉降观测点。通过第1 组数据得到盾构通过后 的地层沉降变化情况,初步确定盾构掘进各项参 数;通过第2 组数据来验证盾构掘进各项参数,以便 进一步调整和修正参数。 (2)保证开挖面稳定:由于盾构穿越的土层主要 为粉质黏土层,粉质黏土的粘结力较大,在盾构掘进 过程中,易造成黏性土附着在刀盘上致使刀盘扭矩增 大,或土体进入土仓后被压密固化,导致开挖、排土很 难达到平衡。针对这种情况,向刀盘前方土体注入泡 沫,在增大土体流动性的同时,降低其附着力,防止开 挖土附着在刀头和土仓内壁;同时利用刀盘辐条上的 搅拌翼将泡沫和切削下来的土体加以搅拌,使之充分 混合,变得较为蓬松,增大可排性,从而使开挖土量和 排土量保持平衡,保证开挖面的稳定。 (3)加强同步注浆:同步注浆采用单液浆,注浆 量应控制在理论空隙量的150% ~200%[11]。 (4)补充二次注浆:在正常同步注浆施工后,进 行二次注浆,二次注浆从盾尾后5 环开始进行壁后 注浆。在盾构穿越段范围内对隧道上方3 m 左右范 围土层采用双液浆进行二次注浆加固,以严格控制 地层的后期变形。 (5)减少盾构推进方向的改变:盾构推进过程中 严格执行“勤纠偏,小纠偏”的原则,严禁大幅度纠偏, 尽量减少施工原因造成的盾构推进方向的改变[12]。 (6)实时监测,信息化管理:对盾构下穿铁路施 工阶段实施实时监测,依据监控量测数据指导施 工,及时调整盾构施工各项参数。 4 实施效果反馈 根据现场监测结果显示:右线盾构隧道下穿京 广线时,路基最大变形量为5.9 mm(隆起);左线盾 构下穿时,最大变形量为2 mm(下沉),其变形量完 全在变形控制范围内,不影响既有铁路的安全、正 常运行。说明该处盾构下穿既有线的技术措施对地 (下转第89 页) 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2015(7) 49 ·桥涵工程· (3)提升平移之前,顺桥向伸缩缝位置用涂油 的宽木块进行限位,平移方向设置缓冲垫块,以防 侧滑和平移方向的冲击。 (4)平移施工前应确保解除横桥向不应有的限 位,并在确定桥梁复位达到的位置后在该位置设置 限位装置,避免横桥向发生过多位移。 (5)顶升平移时,平移速度控制在10 mm/min 以内,所有独立工作液压系统单元进行力的控制和 监测,监控顶推平移联动装置,将竖向千斤顶伪固 定面不出现相对滑动作为施工控制指标,每个顶升 平移点安排人员进行不间断监测。 (6)梁平移之后,支座螺栓孔与平移后的桥梁 预埋螺栓位置偏离,由于横向位移不大,采用上下 支座板横向扩大支座螺栓孔的方式以满足安装固 定要求。 6 位移、应力监控 整个提升过程用位移传感器进行实时动态监控。 监测设备型号为MPZSP500ABZ,行程为500 mm。 NSWY06 型,行程为300 mm 的拉线式位移传感器及 数据采集系统。平移过程中,在桥面上对轨道的中心 线位置进行实时监测,对每次的平移位移量监测数据 与墩台上的位移监控数值进行对比。 在桥梁顶升过程中,对桥梁的关键部位进行应 力监控,在各跨的跨中、1 /4 跨三个部位的箱梁上翼 缘进行应力实时监控,对墩顶处箱梁的上翼缘以及 腹板底部进行应变监控,应变监控采用杆式应变仪 或桥梁应变片进行应变的监控。根据桥梁的顶升 同步误差不超过1 mm,即由桥梁的不同步顶升引起 的桥梁压应力变化值在原有应力的5%以内,按照 最大压应力10 MPa 计算,则应变片监控的桥梁应力 变化将小于0.5 MPa。 在整个顶推平移过程中,竖向千斤顶未发生相 对位移,最终全桥梁面轨道中心误差控制在1 mm 以内,桥梁监控应力变化不超过0.3 MPa。说明了 顶升平移装置的安全有保障、精度满足施工要求, 桥梁结构安全。 (下转第93 页 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 ) (上接第49 页) 层和路基变形控制良好,是成功合理的。 5 结论 (1)依据既有京广铁路和地铁隧道的平面和纵 断面位置关系、周边环境,结合其具体的地质条件 和盾构施工工艺,经综合判断和数值模拟分析得 出:若不采取合理可靠的加固措施,地铁隧道的施 工会影响到既有京广铁路的安全运行。 (2)在数值分析和计算的基础上,根据本工程 地质条件和保护要求,针对性地提出了对既有京广 铁路采用线路架空加固、跟踪注浆及旋喷桩加固、 优化盾构推进工艺等处理措施。 (3)本工程的实施效果较好,可以对类似的软 弱围岩浅埋盾构隧道下穿既有铁路工程的保护设 计起到借鉴作用。 参考文献 [1] 中铁第五勘察设计院集团有限公司.长沙市轨道交通1 号线一期工程涂家冲~铁道学院站区间施工设计图 [R].北京:中铁第五勘察设计院有限公司,2012:7 -22. [2] 刘涛.土压平衡盾构穿越淤泥质地层铁路路基控制技 术[J].铁道建筑技术,2014(S1):138 -142. [3] 马文.天津地铁盾构区间下穿铁路保护情况及保护措 施[J].山西建筑,2012(9):196 -197. [4] 佘高才.地铁盾构隧道下穿铁路的安全措施[J].城市 轨道交通研究,2009(4):33 -35. [5] 郑淑芬.盾构隧道施工地表沉降规律及控制措施研究 [D].长沙:中南大学,2010:20 -21. [6] 郝迎军.砂卵石地层盾构过河沉降控制技术研究[J]. 铁道建筑技术,2014(S1):223 -226. [7] 夏瑞萌.承载土体中隧道开挖引起的塑性区与塌落拱 范围的理论与数值分析[D].北京:北京交通大学, 2008:36 -38. [8] 中华人民共和国铁道部.铁路工务安全规则[Z].北 京:中国铁道出版社,2005:5 -7. [9] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.1 -2005 铁路桥涵设 计基本规范[S].北京:中国铁道出版社,2005:22 -23. [10]中华人民共和国铁道部.TB 10002.5 -2005 铁路桥 涵地基和基础设计规范[S].北京:中国铁道出版社, 2005:25 -26. [11]邓美龙,黄常波,李钟.盾构穿越铁路安全施工技术 [J].建筑技术,2009(11):984 -986. [12]肖广良.盾构在软土地层穿越既有铁路施工技术[J]. 隧道建设,2008(3):324 -329. 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2015(7) 89
您可能关注的文档
- 阿尔及利亚175铁路项目深路堑边坡研究.pdf
- 按法国规范的泥灰岩鉴别及其在路基工程中应用.pdf
- 暗挖车站洞桩法下穿桥梁关键措施研究.pdf
- 阿尔及利亚东西高速公路M3标段边坡系统防护研究.pdf
- 饱水粉砂地层盾构穿越既有建筑群施工技术探讨.pdf
- 贝雷片联合三角悬挑支架在软基处悬臂梁施工中的应用.pdf
- 边坡加筋技术在十堰北站场坪高填方边坡工程中的应用.pdf
- 薄壁筒桩复合地基在铁路深厚软基加固中的试验研究.pdf
- 滨北线松花江公铁两用桥改建工程总体设计.pdf
- 波形钢腹板体外预应力箱梁在新密溱水路大桥中的应用.pdf
- 步履式顶推钢箱梁高位落梁技术研究.pdf
- 藏区高速复杂地质条件下古堰塞湖沉积物特征研究.pdf
- 草原地区铁路建设对环境的影响探析.pdf
- 敞开式 TBM 厚板窄间隙 MAG 焊工艺研究.pdf
- 敞开式钢管-混凝土桁架组合梁施工技术.pdf
- 敞开式TBM在软弱围岩中掘进反力保障措施.pdf
- 超大板式转换层分层施工技术.pdf
- 超大截面劲性砼结构施工技术.pdf
- 超大超重地下连续墙钢筋笼吊装设计与验算.pdf
- 超大直径泥水盾构机始发技术.pdf
- awang118
- 该用户很懒,什么也没介绍
