列車動載對管幕施工影響的分析研究

【摘 要】廈門杏林大橋主體工程C標段，下穿鐵路隧道部分洞頂覆土厚度1.6～2.5m，采用直徑φ299mm管幕超前支護的施工方法。本工程通過對列車動載對管幕施工摩阻力、精度的影響分析研究，首先從理論上得出相關結論并指導現場施工，順利地完成了下穿鐵路隧道的管幕施工，有效地控制了管幕施工精度。

【關鍵詞】下穿鐵路隧道 列車動載 超前管幕支護 摩阻力 精度影響 研究

一、工程概況

廈門杏林大橋主體工程C標段，是連接杏林大橋和廈門高崎機場的公路過渡段。其中下穿鐵路隧道部分洞頂覆土厚度1.6m～2.5m，鐵路隧道左線長78m，右線長110m。暗挖隧道為分離式。隧道主體結構采用單層單跨的微拱形，開挖斷面13.37m寬×9.25m高。為控制地表及鐵路沉降，保證鐵路的安全、暢通，超前支護采用φ299mm×6mm鋼管管幕，并注漿加固掌子面地層，采用三層結構形式，即由噴混凝土、工字鋼架、鋼筋網組成的初期支護與兩層模筑鋼筋混凝土組成。本工程科技含量高，施工難度大，被列為福建省住房和城鄉建設廳2008年科學技術項目計劃。

本工程隧道斷面設計如圖1所示，隧道與鐵路平面關系如圖2所示。

二、列車動荷載對管幕施工影響

本工程上覆土厚度最為1.6m，施工期間，鐵路仍需正常運營，列車通過時對管幕的成孔、進管均會產生影響，對控制管幕施工精度極為不利。本工程管幕施工采用導向鉆進、前拉后夯的施工工藝，該工藝分為鉆導向孔、擴孔、進管三部分，施工導向孔采用直徑φ159的鉆頭成孔，擴孔采用不大于管幕鋼管的外徑擴孔，然后進行拉管。

（一）、列車荷載對管幕施工摩阻力影響

管壁與孔壁之間的摩擦力計算公式為：

式中：w-管壁與孔壁之間摩擦力

p-土對管線的壓力

p0-管線每米的重量

R0-主動土壓力系數（一般取0.3）

f-土與管壁間的摩擦系數（取0.2～0.6）

L-管幕長度

管幕按照110m考慮，通過計算不考慮列車荷載時最大摩阻力約630KN，考慮列車荷載作用時，最大摩阻力約1260KN。

本工程采用TT-350氣動夯錘，該夯錘單次夯擊力3000～5000KN，夯擊力滿足施工。 （二）、列車荷載對管幕施工精度影響

本工程管幕施工允許誤差3‰，上方有列車動載時管幕施工誤差控制更加嚴格。為明確本工程中考慮列車動荷載管幕施工的合理允許誤差值，擬利用動力有限元計算法進行研究。

2.1 研究的總體思路

計算考慮兩條鐵路共同作用下不利情況。根據路基下動應力擴散特點（如圖3所示），即當管幕埋深超過臨界深度h0時，相鄰兩條鐵路動應力在線路中間出現疊加，即最大動位移位置出現在兩線路中軸線對稱的中心位置上（即觀察點A）；當管幕埋深小于臨界深度h0時，該埋深下管幕端部出現最大動位移的位置是鐵路正下方（即觀察點B），此時即使有多條鐵路，管幕最大動位移也可以只按照一條鐵路考慮。

鑒于此，這里通過動力有限元分析法，首先確定出動應力擴散角度，然后按照兩線路的最小允許間距找出管幕臨界深度h0，分小于和大于臨界深度h0的兩種工況。

2.2 動力有限元模型及動力計算參數

（1）動力有限元模型

有限元模型如圖4 所示，其中地表作用有兩條鐵路線，按最小中心線間距4m布置。通過輸入不同車速下路基面上的不同反力譜來探討列車動載對管幕施工的影響。模型中土體采用線彈性模型，管幕根據抗彎等效原則采用等截面的實心鋼管模擬。

（2）動力計算參數

（3）輸入列車荷載

在管幕施工期間，客車限速80～90km/h，將機車通過道床下的動荷載作為輸入荷載，并考慮三維實際與二維計算結果之間等效荷載折減系數0.5，確定出本計算分析中的輸入荷載形式及其大小，如圖5 所示。

圖5 等效列車荷載圖示

2.3 結果分析

通過分析可知，由于列車動荷載大小、線路間距、管幕埋深和地質條件不同，導致動應力擴散角度不同，從而鐵路下方管幕端部出現最大動位移位置亦不同。為指導施工并保證施工精度，需定量地確定出管幕臨界深度h0。

通過分析最小間距條件下管幕施工控制的臨界深度，反推出動應力擴散角度，進而利用線路間距、動應力擴散角度和臨界深度的幾何關系建立出該地質條件下臨界深度的計算公式，并在此基礎上討論不同管幕入土深度和埋深條件下的最大允許偏差。

（1）動應力擴散角度及管幕施工控制臨界深度的確定

列車車速80km/h時，最小中心間距豎向動應力的分布如圖6 所示。

圖6豎向動應力分布情況 圖7 動應力擴散角示意圖

為找出臨界深度，可在動荷載出現最大幅值時，觀察鐵路下方同一深度位置上的動位移變化情況。盡管由于阻尼的存在，動荷載最大時刻與動位移最大時刻并非同一時刻（動位移滯后于動荷載），但在淺埋條件下偏差可忽略不計。

經過分析可發現：當中心間距為4m，在列車車速80km/h（120km/h）引起的動荷載最大幅值時刻，地表以下2.5m（3m）深度上下位置最大動位移出現的位置不同，在埋深小于2.5m（3m）時，兩條鐵路線路中任意條鐵路正下方動位移最大；而在埋深大于2.5m（3m）時，兩條鐵路中軸線正下方動位移最大，如圖7 所示。

（a）列車車速80km/h （b）列車車速120km/h

圖4.17 動荷載最大時刻不同深度位置的最大動位移

利用公式（I）計算出不同荷載條件下動應力擴散角度。

（I）

列車車速80km/h（120km/h）時動應力擴散角度是26度（22度），可見列車動載越大其引發的動應力向下擴散的角度就越小，如圖8 所示。不同車速、不同線路間距下管幕施工控制的臨界深度列于表2中。

下面按施工期列車車速80km/h且線路間距按4m考慮來分析不同管幕入土長度和埋深條件下的最大允許偏差。由上分析知，在鐵路間距4m，列車荷載在距地表2.5m處疊加。

（2）考慮動荷載不同管幕進尺和埋深條件下的最大允許偏差

當管幕在臨界深度之下時，管幕最大動位移發生在線路中間位置。由于精度控制標準與管幕進尺的長度成正比（管幕進尺的3‰），雖然列車通過時管幕的動位移最大值出現在線路中間位置。以下分別計算了埋深2.5m管幕進尺到第一條鐵路和第二條鐵路下方時的動位移，結果如圖9所示：

a） 管幕進尺到第一條鐵路下方

b） 管幕進尺到第二條鐵路下方

圖9 管幕豎向動位移圖

從上可知，進尺到第一條鐵路下方的管幕最大動位移為11mm，第二種工況下管幕最大動位移為15mm，兩種情況下的最大動位移相差4mm。因此，以作用在第一條鐵路下方作為精度的控制點。

鑒于此，以管幕進尺到第一條鐵路下方作為控制點，討論車速80km/h時，不同管幕進尺和埋深條件下的動位移所占偏差比例。具體結果見表3 。

由上可知，隨著管幕進尺與埋深增加，列車荷載產生動位移占施工總控制偏差的比例顯著減小。當進尺較短時（10m），動位移占控制偏差比例最高達50%。如對于進尺較短、埋深淺，除動荷載外的其他施工因素導致的施工偏差應控制在1.5‰。本工程管幕進口處距離第一條鐵路正下方最小距離為9m，施工該位置管幕時應特別注意動荷載的影響。

三、采取的應對措施

由以上分析可知，列車荷載對管幕的受力、精度均有不利影響。由于受力的增加，成孔過程中發生塌孔的概率增加。同時由于變形的增加，最終管幕向下的傾斜量也會增加。因此施工過程中必須采取相應的應對措施。

（一）、為避免成孔過程塌孔，采取如下措施：

3.1改變擴孔方式，由導向時擴孔改為進管時擴孔，并減少從成孔完成到進管時間間隔；

3.2提前將設備、材料準備好，擴孔達到要求后立即進行拉管作業。

3.3導向孔擴孔施工至鐵路下方而有列車通過時，停止施工，避免列車荷載對管幕施工的影響。

3.4在列車荷載作用下，成孔、拉管過程中機械所受阻力增大約630KN，對施工機械的參數及機械安裝穩定性提出更高要求。本工程夯管錘提供夯擊力為300～500t/次，因此認為阻力增大不影響施工機械選擇。

3.5由于本工程右線隧道進口左側距離鐵路近，該位置列車荷載對管幕施工精度的影響大，因此施工該位置管幕時采取相應措施，如縮短單次進尺、提高進尺間的連接質量等，以控制管幕的施工精度。

3.6本工程管幕尺寸φ229×6mm，直徑大而壁厚小，為避免列車荷載作用下管幕的變形，進管完后盡快注漿以提高管幕剛度。

3.7在管幕施工前可對列車下方土層進行注漿加固，以減少列車荷載對管幕施工的不利影響。

作者簡介：何方，男，33歲，漢族。學歷：本科；職稱：工程師。單位：中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司廈門分公司。