超淺埋鐵路隧道小角度下穿鐵路沉降控制技術(shù)研究

岳 嶺

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司, 北京 100055)

1 工程概況

東勝至鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)線下穿包西鐵路段采用隧道通過,長(zhǎng)度為110 m,開挖寬度為12.4 m,覆土厚度為7 m,屬于超淺埋隧道[1],與包西鐵路交角為23.7°。包西鐵路為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)鐵路,有砟軌道,最高設(shè)計(jì)時(shí)速為200 km。隧道平面布置見圖1。

圖1 隧道平面布置(單位：m)

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

工程場(chǎng)地位于鄂爾多斯市,屬于中溫帶大陸性亞干旱氣候區(qū)。冬季嚴(yán)寒,夏季干熱,冬春多風(fēng)沙,具有干燥少雨、多風(fēng)、氣溫變化大、暴雨集中、蒸發(fā)強(qiáng)烈等特點(diǎn),最冷月平均氣溫為-10.4 ℃,最大凍結(jié)深度為1.8 m。

地貌為剝蝕殘丘,地勢(shì)略有起伏,相對(duì)地勢(shì)高差小于10 m,傾角較緩,洞身以上為松散～中密、稍濕～潮濕的細(xì)砂層及全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,隧道洞身位于弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層；底板基底為弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

地下水位在隧道拱頂以下,主要為基巖裂隙水。

3 支護(hù)方案研究

3.1 超前支護(hù)方案

鑒于本工程下穿角度小、埋深淺的特點(diǎn),開挖過程中沉降控制必須達(dá)到滿足鐵路行車安全要求,隧道支護(hù)措施至關(guān)重要,本次采用的支護(hù)措施為超前大管棚支護(hù),通過管棚注漿,對(duì)地層進(jìn)行預(yù)加固[4],使隧道拱部以上地層固結(jié),提高圍巖自身強(qiáng)度及圍巖自穩(wěn)能力,形成近似混凝土結(jié)構(gòu)的套拱效應(yīng),以控制施工中圍巖變形及地表沉降。

管棚主要參數(shù)：隧道拱墻外部設(shè)置φ159 mm大管棚,中心間距0.4 m,管棚長(zhǎng)度110 m,兩端設(shè)置導(dǎo)向墻,為保證長(zhǎng)管棚施工精度,長(zhǎng)管棚采用水平定向鉆進(jìn)法施工[8,9]。

本次管棚按一次打設(shè)110 m兩端支撐于導(dǎo)向墻和分段打設(shè)洞內(nèi)設(shè)置管棚工作室進(jìn)行計(jì)算分析研究。

3.2 鐵路加固方案

利用列車天窗時(shí)間對(duì)施工影響范圍內(nèi)的軌道進(jìn)行加固,加固方案采用3-5-3扣軌加固體系[10],提高鋼軌整體剛度及抵抗不均勻沉降能力。

4 模擬計(jì)算及沉降分析

4.1 地層參數(shù)

下穿鐵路處地層從上之下分別為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,隧道洞身位于弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層。調(diào)整管棚注漿擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)土體參數(shù),計(jì)算采用的地層參數(shù)如表1所示。

4.2 超前管棚模擬

計(jì)算模擬假定超前管棚及管棚內(nèi)注漿混凝土之間黏結(jié)力強(qiáng),無(wú)相對(duì)滑移,管棚兩端支撐于導(dǎo)向墻或鋼架之上,故管棚可模擬為梁?jiǎn)卧猍5-7]。

表1 地層參數(shù)

一次打設(shè)110 m長(zhǎng)管棚方案：兩端支撐于導(dǎo)向墻,開挖過程中通過鋼架作為中間支撐,長(zhǎng)管棚受力模型類似連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。

管棚分段打設(shè)方案：在隧道內(nèi)設(shè)置2處管棚工作室,分3段打設(shè),3段管棚受力模型類似簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)。

4.3 計(jì)算模型

本工程模擬計(jì)算采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行三維開挖模擬分析[2,3],三維計(jì)算有限元模型尺寸長(zhǎng)寬高分別為：100 m×72 m×46 m,經(jīng)過優(yōu)化后的網(wǎng)格模型如圖2所示,共有16萬(wàn)個(gè)單元。隧道頂部與鐵路最小凈距為7 m,位置關(guān)系如圖3所示。

圖2 有限元模型

圖3 隧道與包西鐵路位置關(guān)系

4.4 施工工序

為了控制施工過程拱頂及兩側(cè)變形,采用CRD工法施工。見圖4。

施工工序：超前大管棚(分一次性打設(shè)和分段打設(shè)模擬)→開挖①部土體→①部初期支護(hù)封閉成環(huán)→開挖②部土體→②部初期支護(hù)封閉成環(huán)→開挖③部土體→③部初期支護(hù)封閉成環(huán)→開挖④部土體→④部初期支護(hù)封閉成環(huán)→拆除中隔墻及臨時(shí)仰拱→仰拱襯砌及仰拱填充→拱墻二次襯砌,以此循環(huán)。

各步開挖及支護(hù)應(yīng)自上而下,及時(shí)封閉,步步成環(huán)；同層左右開挖距離控制在15 m以內(nèi),上下步間距控制在3 m左右。

4.5 結(jié)果分析

按照以上施工步序進(jìn)行模擬計(jì)算分析,位移取最不利位置,考察點(diǎn)為鐵路與隧道平面正交處(鐵路路肩處)，如圖5所示。

圖4 CRD法施工模擬開挖示意(單位：m)

圖5 既有包西鐵路考察點(diǎn)位置示意

根據(jù)三維模擬開挖計(jì)算分析,隧道開挖引起鐵路路肩沉降值變化較大的區(qū)域是靠近鐵路左右各20 m,隧道開挖至鐵路下方(圖中施工步第48步)是引起的路肩沉降最大,最大值達(dá)20 mm。見圖6。

圖6 考察點(diǎn)隨施工步沉降示意

從圖6可以看到,分3段實(shí)施管棚在管棚工作室處施工工藝復(fù)雜,管棚搭接處對(duì)巖土造成二次擾動(dòng),整體性較差,不利于抵抗列車動(dòng)荷載效應(yīng),對(duì)洞頂上方沉降不利。一次性打設(shè)管棚施工中對(duì)洞頂巖土干擾小,與中間支撐鋼架形成超靜定結(jié)構(gòu),整體性好,承擔(dān)列車動(dòng)荷載能力強(qiáng),開挖過程中對(duì)沉降控制效果好。隨著鉆孔技術(shù)的發(fā)展,一次性打設(shè)110 m管棚精度是可控的。在條件允許的情況下,超前管棚盡可能一次性實(shí)施。

5 結(jié) 論

通過對(duì)超淺埋鐵路隧道小角度下穿鐵路沉降控制措施研究,總結(jié)出了以下關(guān)鍵技術(shù)和施工措施。

(1)采用“一次性導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法”實(shí)施110 m超前大管棚,做到成孔和打設(shè)支護(hù)鋼管一次完成,能有效地控制施工中洞頂?shù)乇沓两?避免開挖中頂部塌方。

(2)通過對(duì)既有鐵路采用3-5-3扣軌加固,提高鋼軌整體縱向剛度,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中對(duì)沉降區(qū)段采取補(bǔ)充道砟并振搗密實(shí)的措施,能有效地調(diào)整由地表沉降帶來(lái)的鋼軌軌面沉降差,從而保證列車行車安全。

(3)通過施工工法模擬分析,超淺埋暗挖隧道采用CRD工法,上下部開挖間距控制在3 m以內(nèi)、左右開挖步控制在15 m以內(nèi),并對(duì)上部初期支護(hù)鋼架采用鎖腳錨桿固定,在開挖的過程中能有效控制拱頂沉降及側(cè)墻收斂。

(4)施工過程中采用動(dòng)態(tài)監(jiān)控量測(cè),開挖影響范圍內(nèi)的路肩、鋼軌及隧道拱頂、拱腰布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),地表及鋼軌沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為4 m,隧道開挖過程中隨時(shí)監(jiān)測(cè),隧道內(nèi)拱頂下沉及拱腰收斂監(jiān)測(cè)縱向間距為5 m,監(jiān)測(cè)頻率為1～2次/d,根據(jù)不同開挖步,引起的沉降值進(jìn)行記錄分析,找出變化規(guī)律。沉降值出現(xiàn)異常時(shí),應(yīng)及時(shí)反饋,調(diào)整支護(hù)參數(shù)及做好應(yīng)急預(yù)案,以保證鐵路行車安全。

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