新建暗挖隧道下穿既有鐵路U型槽的施工影響研究

霍永鵬

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

0 引言

隨著我國市政工程建設的持續推進和鐵路運營里程的增長,與既有鐵路交叉的施工建設需求日益增多,鄰近鐵路施工對既有鐵路結構的影響有著重要的研究價值。許多學者對隧道下穿既有鐵路作了研究[1-5],但對下穿U型槽結構的研究較少。本文通過建立“土體-鐵路U型槽-電力隧道”三維數值模型,計算并分析新建電力隧道施工對既有鐵路軌道及U型槽結構的變形影響,得出的結論與建議可為類似工程作參考。

1 工程概況

北京市定南電力隧道于下穿豐沙鐵路U型槽路塹段,擬建場地表層為雜填土,其下為一般第四紀沖洪積松散土層,主要由粉土、細砂、粗圓礫土組成,分布較均勻,地下水埋深15.70 m～16.90 m。既有鐵路U型槽結構凈寬11.2 m,挖深6 m,兩側設置防護樁,樁間距為1.2 m,樁長12 m,邊墻和底板均采用C35防水鋼筋混凝土澆筑。

新建電力隧道采用淺埋暗挖法施工,隧道凈寬為2.6 m,凈高2.9 m,斷面全寬3.8 m,總高度為4.1 m,其中拱部矢高0.65 m。初期支護采用C25噴射混凝土,二襯采用模筑C40防水混凝土。

在鐵路北側開挖豎井,從豎井內向南穿越鐵路,穿越段長度為79.19 m,豎井向東平行鐵路施工,并行段長度為287.5 m。隧道在穿過鐵路路基時,路基土較為松散,隧道施工時對路基安全有影響,風險較大,在隧道穿越鐵路兩側10 m范圍時采用全斷面帷幕注漿的措施,加固范圍為開挖輪廓外2.5 m 范圍。

新建定南電力隧道與豐沙鐵路U型槽路塹段的相對位置關系如圖1所示。新建電力隧道平行段隧道距離鐵路U型槽外輪廓最近5.81 m,下穿段隧道距離鐵路U型槽底板最近6.58 m。

2 模型建立

為模擬電力隧道及豎井開挖對既有鐵路的影響,消除邊界效應,土體模型長度方向(X向)的尺寸取100 m,寬度方向(Y向)的尺寸取100 m,高度方向(Z向)取40 m。

模型中,豎井臨時橫撐、豎井鋼格柵圍護結構、鐵路軌道采用梁單元,隧道二次襯砌和豎井井壁采用板單元,其余結構和土層均采用實體單元模擬。有限元模型示意圖如圖1所示。

為準確模擬電力隧道施工對既有鐵路的影響,將模型的施工過程分為4個工況,如圖2所示。

工況1:既有豐沙線鐵路已經完成施工,電力隧道尚未開始施工,此時是位移清零的初始狀態。工況2:豎井施工完成。工況3:下穿鐵路段電力隧道施工完成。工況4:平行鐵路段電力隧道施工完成。

土體采用摩爾庫侖模型本構,計算參數如表1所示。

表1 土層計算參數表

建模時用等剛度法將鐵路保護樁等效成地下連續墻,將樁墻按抗彎剛度相等的原則等價為一定厚度的壁式地下連續墻進行內力分析,僅考慮樁體豎向受力與變形。等剛度法的轉換公式如下[6]:

其中,D為保護樁直徑;t為樁間距;h為等效后的地連墻厚度。

鐵路、隧道、豎井等結構的力學參數匯總如表2所示。分析中假定這些結構均處于彈性階段?；炷两Y構重度均為24 kN/m3,表中不再贅述。

表2 模型結構體計算參數表

3 數值模擬結果

電力隧道施工期間鐵路軌道位移云圖如圖3所示。豎井開挖完成后(工況2),鐵路軌道隨著U型槽的下沉而略有下沉,且出現朝向豎井的水平位移。下穿鐵路段電力隧道施工完成后(工況3),鐵路軌道下方土體松弛下沉,鐵路軌道的豎向沉降值和水平位移值均增大。平行鐵路段電力隧道施工完成后(工況4),鐵路軌道沉降值達到最大值-3.410 mm,水平位移達到最大值3.474 mm,均小于《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》所規定的監控量測沉降控制值。各工況鐵路軌道最大位移統計結果見表3。

表3 鐵路軌道最大位移統計表

電力隧道施工期間鐵路U型槽位移云圖如圖4所示。豎井開挖完成后(工況2),由于豎井開挖后的卸荷回彈作用,U型槽臨近豎井的部分略有下沉,且出現朝向豎井的水平位移。下穿鐵路段電力隧道施工完成后(工況3),新建隧道上方土體松弛下沉,U型槽的豎向沉降值和水平位移值均增大。平行鐵路段電力隧道施工完成后(工況4),新建隧道上方U型槽沉降值達到最大值-3.896 mm,水平位移達到最大值4.144 mm,均小于《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》所規定的監控量測沉降控制值。各工況鐵路U型槽最大位移統計結果見表4。

表4 鐵路U型槽最大位移統計表

電力隧道施工期間鐵路防護樁位移云圖如圖5所示。豎井開挖完成后(工況2),由于豎井開挖后的卸荷回彈作用,臨近豎井的鐵路防護樁略有下沉,且出現朝向豎井的水平位移。下穿鐵路段電力隧道施工完成后(工況3),新建隧道上方土體松弛下沉,鐵路防護樁的豎向沉降值和水平位移值均增大。平行鐵路段電力隧道施工完成后(工況4),新建隧道上方鐵路防護樁沉降值達到最大值-7.807 mm,水平位移達到最大值7.684 mm。各工況鐵路防護樁最大位移統計結果見表5。

表5 鐵路防護樁最大位移統計表

4 結論與建議

1)新建電力隧道施工對既有豐沙鐵路U型槽路塹段的影響情況為:鐵路軌道沉降最大值為-3.592 mm,水平位移最大值為3.496 mm;U型槽沉降最大值為-3.974 mm,水平位移最大值為4.142 mm,均小于監控量測沉降控制值,因此新建電力隧道下穿豐沙鐵路U型槽路塹段總體方案可行,可確保鐵路運營安全。

2)施工前應對影響區域內既有鐵路U型槽初始狀態進行調查及監測。調查及監測項目包括:U型槽結構現狀(包括厚度、強度、裂縫及背后空洞)、軌道幾何形態、滲漏水情況、相關設施設備運營狀況等。并基于此對鐵路U型槽安全情況進行校正,必要時對鐵路U型槽存在安全隱患的部位進行加固處理。

3)設計及施工中應采取有效措施,嚴格確保注漿加固范圍及質量滿足設計要求。帷幕注漿時,與監測單位密切配合,合理調整注漿壓力,防止出現線路隆起。

4)下穿段落遵循“管超前,嚴注漿;短進尺,強支護;早封閉,勤量測”的原則考慮施工措施,同時做好初支背后和二次襯砌背后注漿,減小沉降。施工過程嚴格控制開挖步距,做到隨挖隨支。采用信息化設計方法,根據現場監控結果調整支護參數及開挖方法。

5)施工中及施工后應加強對鐵路U型槽結構、軌道結構及周圍地表的變形監控測量,動態掌握隧道的安全狀況。制定專項監測方案,并由專門的單位負責組織實施。建立鐵路變形控制指標體系,實行預警值、報警值、控制值三級警示制度,結合既有規范和規定,在充分借鑒已有的工程經驗并與相關領域部門和專家確定合理的控制值。在施工中若變形達到報警值,應采取措施并調整施工方案,加強實時監測力度,避免位移繼續發展,確保鐵路運營安全。