明挖隧道下穿復雜鐵路站場關鍵技術研究

盧裕杰

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 引言

一般而言，鐵路站場股道密集，設備繁多，工程建設條件復雜，市政道路在不可避免穿越時，通常優先采用橋梁上跨方案［1-2］，但存在著與周邊景觀協調困難、運營期道路拋灑或養護可能影響鐵路安全等缺點。因此，隧道下穿鐵路站場的案例逐年增加［3-4］，越來越受到了工程技術人員的關注。

隧道下穿鐵路站場的施工方法主要有盾構法、暗挖法、頂進法、明挖現澆法等。其中，明挖現澆法不受長度限制、鐵路沉降可控、風險小、工期短、投資省，在下穿鐵路工程中應用較廣［5-8］。但該法必須以鐵路不間斷運營為前提，在下穿復雜鐵路站場時，存在著總體布置、線路加固、施工組織、設備遷改等一系列技術問題?；诖耍疚囊阅呈姓缆废麓┌部地涍\東站為例，對明挖隧道下穿鐵路站場關鍵技術進行研究。

2 工程概況及主要技術難點

市政道路明挖隧道由南向北分幅依次下穿安康貨運東站內貨場聯絡線、V場1道～10道、車輛段走行線、貨車疏解上行線共13股道，兩幅隧道凈距7.2 m。隧道與安康貨運東站鐵路位置關系如圖1所示。

圖1 隧道與安康貨運東站鐵路位置關系（單位：m）

安康貨運東站為混合式三級五場一等編組站，是連接西北、西南、華中地區的重要鐵路樞紐，年吞吐能力高達60余萬t，為西部大開發和帶動陜南經濟發展發揮著重要作用。

隧址處自上而下地層分別為第四系全新統人工堆積層雜填土（Qml4），第四系上更新沖積層粉質黏土（Qal＋pl13）、卵石土（Qal＋pl63），志留系下統石牛欄組云母片巖（Sph1）。隧道主要在雜填土及粉質黏土層中穿越。

綜合考慮兩端接線條件、鐵路沉降控制、施工難度、風險、工期、投資等因素，本隧道采用明挖現澆法施工。其主要技術難點包括：

（1）安康貨運東站內13股鐵路走向、軌道類型、軌面高程等均差異較大，隧道布置困難。

（2）隧道與鐵路股道斜交，夾角64°，使得鐵路加固跨度大，加固方式受限。

（3）安康貨運東站內貨檢、列檢等作業繁忙，施工組織的優劣直接影響到鐵路站場的正常運營。

（4）隧道影響鐵路通信、信號光電纜12組，電力電纜3條、接觸網軟橫跨4組等，尤其是接觸網，受隧道斜穿影響，遷改實施難度大。

3 大高差條件下的隧道縱向布置技術

下穿鐵路明挖隧道的縱向布置，從隧道頂面至軌道頂面的覆土是重要的考量因素。一般而言，在滿足軌下結構尺寸要求的前提下，不宜過大，以免造成鐵路后期運營的沉降。本隧道下穿13股鐵路，軌面高程差異較大，從279.77 m（貨場聯絡線）到284.28 m（貨車疏解上行線），高差4.51 m，對隧道縱向布置影響很大。

圖2 有限元計算模型

為選擇合理的覆土厚度，利用商業有限元軟 件 MIDAS-GTS［9］建立數值模型，如圖2所示，對不同覆土條件下股道的沉降進行分析。在模型中，基坑開挖范圍采用級配碎石注漿回填，回填土壓實度按大于0.93考慮。

根據安康貨運東站軌道結構型式及相關要求，覆土厚度應不小于0.8 m。因此，在覆土0.8～2.4 m區間內間隔0.2 m進行一次分析，得到鐵路軌道沉降（指10 m弦測量的最大矢度值，下同）與覆土厚度關系，如圖3所示。

圖3 鐵路軌道沉降與覆土關系

圖3顯示，隨著覆土厚度的增加，軌道沉降隨之增加。根據《鐵路線路維修準則》［10］，對于設計行車速度不大于120 km／h的普速鐵路，軌道沉降值不宜大于4 mm。以此為控制值，則為了確保鐵路的運營安全，覆土厚度不應超過1.9 m。

綜合考慮隧道兩端接線條件、縱坡等因素，若隧道縱向采用常規的等截面形式，則在股道大高差的條件下，部分鐵路后期沉降預測將超過控制值，給鐵路運營造成不利影響，甚至危及行車安全。因此，經綜合考慮，隧道縱向采用變截面布置形式，如圖4所示。通過加高隧道內凈空，控制隧道結構頂面至軌道頂面覆土在1.02～1.82 m之間，既滿足鐵路沉降要求，同時也有利于增強隧道的行車舒適感。

圖4 變截面隧道縱向布置（單位：m）

4 小夾角條件下的鐵路加固技術

為了不中斷既有鐵路行車，在明挖隧道下穿鐵路站場的施工過程中，必須對鐵路采用安全合理的加固措施。

一般而言，既有鐵路的加固方式主要有D型便梁法和工字鋼“橫抬縱挑”法［11］。D型便梁為制式構件，有 D12、D16、D20、D24四種類型，分別適用于12.06、16.08、20.10、24.12 m跨度，不需要進行結構檢算［12］。工字鋼“橫抬縱挑”法則是利用工字鋼作為縱橫梁進行現場拼裝，橫梁從枕木底穿過，將枕木與鋼軌一并抬起，縱梁安裝在鐵路兩側位置并置于由枕木底伸出的橫梁上。縱梁常用 100，橫梁常用 45或 56。該方法跨度可靈活布置，但需要進行結構檢算。

具體到本工程而言，考慮到隧道下穿13股道，當地D型便梁備料不足，外運成本高。從降低工程造價的角度出發，宜優先選用工字鋼“橫抬縱挑”法。

根據材料力學原理，當采用 100作為縱梁時，在不同跨度條件下，“橫抬縱挑”法加固系統縱梁的跨中撓度如圖 5所示。以l／400（l為跨度，單位mm）作為容許撓度，則加固跨度應小于14 m。

圖5 縱梁跨中撓度與跨度關系

本隧道以64°小夾角斜穿安康貨運東站V場1～10道，單幅隧道15m，兩幅隧道凈距7.2 m。為避免支點樁（直徑1.5 m）與隧道空間沖突，取兩幅隧道凈距中部作為一個支點，則本次加固系統主跨最小需要（7.2／2＋15）／sin64°＋1.5＝22.2（m），采用工字鋼“橫抬縱挑”法撓度不能滿足使用要求，需采用D24便梁進行加固。

基于此，為確保既有鐵路安全運營的同時，最大限度減少便梁租賃及運輸費用，降低投資，本工程加固系統主跨選用D24便梁，其余跨選用工字鋼“橫抬縱挑”法進行加固，其布置如圖6所示。

圖6 鐵路加固系統示意（單位：m）

采用D24便梁進行線路架空，施工順序優化為調整枕距→穿橫梁→縱梁就位，均在封鎖點內進行。

（1）調整枕距

先將軌枕的位置按670 mm的間距用白油漆標志在鋼軌外側軌腰處，將多余的軌枕抽出。D型縱梁架設就位后按照位置進行調整枕距作業，確保軌枕與線路垂直，并調平軌面。

（2）穿橫梁

橫梁事先由人工抬運至施工地點，施工時先穿入定位橫梁，連接定位角鋼，然后穿入其他橫梁，保證各組橫梁位置正確，用便梁扣件將橫梁與鋼軌連接。至少在一根鋼軌下需要墊大塊絕緣橡膠軌墊，防止軌道電路短路，影響信號和行車。塞入橫梁時要對準聯接板并定位，同時上好扣件，墊好橡膠軌墊。并及時對道床進行搗實，認真做好線路檢查，發現變化及時維修。

（3）縱梁就位

縱梁在封鎖點前按順序吊裝至軌道車上，并固定牢固。給封鎖點后運至施工現場，卸于架空區段，用短枕木支撐固定，然后人工配合頂鎬準確就位，連接縱橫梁節點板和上下牛腿，形成架空體系。

5 繁忙運輸條件下的施工組織技術

對鐵路采用加固措施，雖然確保了隧道施工過程中既有鐵路不中斷行車，但鐵路站場內諸如貨檢、列檢等作業會受影響。為最大限度地降低線路加固及隧道施工對既有鐵路站場的影響，考慮采用“線路分區加固，隧道分段施工”的施工組織方式。

根據安康貨運東站內鐵路分布情況，北端貨車疏解上行線與南端貨場聯絡線距離相對較遠，可單獨架空加固及開挖，其余11股鐵路線間距約5.0～6.5 m，分為4個區域進行加固，如圖7所示。

圖7 鐵路線路加固分區示意

V場加固第一區：線路同時架空加固V場1～4道，5～10道可正常進行作業；加固完成后進行V場1、2道下方的隧道施工。

V場加固第二區：線路架空加固V場5、6道，釋放1、2道，1、2、7～10道可正常進行作業；加固完成后進行V場3、4道下方的隧道施工。

V場加固第三區：線路架空加固V場7、8道，釋放3、4道，1～4、9、10道可正常進行作業；加固完成后進行V場5、6道下方的隧道施工。

V場加固第四區：線路架空加固V場9、10道、車輛段走行線，釋放5、6道，1～6道可正常進行作業；加固完成后分段進行剩余隧道的施工。

施工時可先進行南端貨場聯絡線的架空加固及施工，由南向北分區分段進行，隧道棄渣從已完成隧道內運出。根據工期情況，北端貨車疏解上行線的加固及下方隧道可同時進行施工。

“分區加固、分段施工”的提出，保證了安康貨運東站內在任何時刻均保持60%的正常作業能力，將施工對繁忙運輸條件下鐵路站場的運營降低至可接受范圍。

6 小夾角條件下的接觸網遷改技術

安康貨運東站設備繁多，一旦在隧道施工過程中發生破壞，將危及行車安全，必須在施工前進行遷改。在隧道小夾角下穿的情況下，V場內受影響的4組軟橫跨格構式鋼柱基礎遷改實施難度較大。其主要遷改方案如圖8所示。

在距 V65、V66、V67＃支柱 5 m處新立 XV65、XV66、XV67＃軟橫跨支柱形成2組新軟橫跨；在距V62、V64＃支柱 5 m處新立 XV62、XV64＃軟橫跨支柱，形成1組新大跨度軟橫跨；在距V59、V60、V61＃支柱8 m處新立 XV59、XV60、XV61＃軟橫跨支柱，形成2組新軟橫跨；在距 V56、V57、V58＃支柱4 m處新立 XV56、XV57、XV58＃軟橫跨支柱，形成 2組新軟橫跨。

圖8 接觸網軟橫跨遷改示意

對于位于隧道開挖區內的新建接觸網支柱，采用鉆孔灌注樁作為基礎，確保了隧道施工期間接觸網支柱的穩定和安全。

7 結論

通過對明挖隧道下穿復雜鐵路站場的總體布置、鐵路加固、施工組織、接觸網遷改等關鍵技術進行研究，主要結論如下：

（1）在多股道、大高差的條件下，變截面的隧道縱向布置，控制隧道頂面至軌道頂面的覆土不超過1.9 m，在降低鐵路后期沉降方面起到了明顯的效果。

（2）在隧道小夾角下穿的條件下，D型便梁結合工字鋼“橫抬縱挑”的方式進行鐵路架空加固，既確保了施工安全，又有利于降低投資。

（3）“分區加固、分段施工”概念的提出，極大地降低了隧道施工對既有鐵路站場的影響，對類似工程具有一定的參考價值和借鑒意義。

（4）對位于隧道開挖范圍內的接觸網軟橫跨跨遷改支柱，利用鉆孔灌注樁作為基礎，為隧道工程的順利實施提供了堅實保障。