鐵路隧道的設計與施工技術研究

吳文釵,王 紅

(1.豫章交通建設集團有限公司，江西 南昌 330000；2.江西贛粵實業發展有限公司，江西 南昌 330046)

1 工程案例

江西鐵路工程研究段的里程為DK222+538～DK260+916.2，該段線長度約為38.38 km，本工程中63%的隧道是屬于傍山偏壓隧道，隧道的埋深約為10 m左右，在隧道的洞口段圍巖較為破碎。本次所研究的隧道屬于傍山偏壓隧道，根據相關研究表明傍山隧道實際上是一種較為特殊的偏壓隧道，根據走向傍山偏壓隧道在山體的坡腳位置容易形成淺埋偏壓段，一般采用明挖法進行施工，具體的隧道與山體明洞結構示意圖見圖1所示，根據圖1可以發現洞口處的明洞結構要承受隧道橫向及縱向的作用，同時由于其埋深較淺，施工難度較大，若對隧道的設計不合理或施工時采用的施工方法不當都會導致隧道產生安全問題，為此本文對該類型的鐵路隧道的設計及施工進行研究。

2 傍山鐵路隧道的設計

2.1 荷載的取值

傍山而建的鐵路隧道在荷載上主要包括橫斷面的荷載、縱斷面的荷載。橫斷面山體對明洞力的作用及荷載的分布見圖1所示。

圖1 橫斷面荷載示意圖

假設作用在拱頂的土柱內側主動的土壓力為T，根據庫倫土壓力理論，其值可按下列式子進行計算

(1)

(2)

(3)

式中:為內側壓力系數;B為坑道的寬度(m)；為地面的坡度角(°)；為內側產生最大推力時候的破裂角(°)；為頂板土柱內側的摩擦角(°)；為圍巖計算的摩擦角(°)；為回填料的重度(kN·m)。

作用在隧道頂部的總垂直壓力為N，其計算可以下列式子進行

=-

(4)

=12(+)

(5)

(6)

式中：為拱頂土柱的重力(kN)；為拱頂土柱受到的摩擦力(kN)

縱向斷面的荷載分布圖可見圖2所示。

隧道明洞洞口受到的縱向推力可以根據下列公式計算

(7)

式中：為邊仰坡安全系數，其余參數的定義見橫向荷載計算公式。

2.2 隧道襯砌結構的設計與施工

對鐵路隧道洞口處的襯砌結構的設計采用荷載結構法，并采用ANSYS有限元軟件對其進行模擬計算，采用ANSYS軟件中的梁單元來模擬襯砌維護結構，圍巖對襯砌結構產生的力采用彈簧單元進行模擬，并且將圍巖的荷載均轉化為節點荷載，直接作用在結構上。

圖2 縱斷面荷載示意圖

模型中的相關參數設置見表1所示。

表1 模型中參數設置表

2.3 有限元模擬結果

根據上述相關的設置，進行模擬，得到模型的軸力彎矩圖。

從軸力圖可以看到使得襯砌結構破壞時最大的軸力值約為620 kN，受壓破壞的位置位于仰拱處，最大的彎矩值約為730 kN·m，發生在左側墻角處，因此結合襯砌維護結構的構造要求，可設計厚度為800 mm的襯砌結構，采用雙層雙向配筋，環向的主筋可以采用22 mm直徑間距200的三級鋼，縱向受力鋼筋可以采用直徑為16 mm間距為200的三級鋼筋，箍筋可以采用直徑為8 mm間距為200的三級鋼筋。

3 傍山鐵路隧道的施工

3.1 基底及邊坡的施工

本工程中的鐵路隧道進口開挖后發現為粘土層，為了保證隧道的施工安全及地基的承載力要求，對該基底進行換填處理，首先將其開挖至基底設計標高下0.5 m，采用塊石夯入，并采用C25的混凝土回填至設計基底設計標高，并對處理后的地基承載力進行檢測，確保地基承載力不低于200 kPa后再進行下一步工序的施工；對邊坡及仰坡處的加固，采用長度8 m的錨桿進行3×3 m的防護網布置，臨時邊坡在開挖時噴灑100 mm厚C25混凝土進行坡面的防護，并且在施工現場做好排水溝，及時的將積水排走，以免積水沖刷；在洞口仰坡坡腳出設置混凝土護墻，護墻的長約為3～5 m，高度約為2 m，厚度約為0.8 m的矩形混凝土墻，混凝土的強度等級為C25，施工時保證護墻深入邊坡的長度大于500 mm；對于側向平臺則采用厚度為300 mm的漿切片石進行鋪面，并且保證鋪面頂與水溝底面頂齊平。這里的側向平臺是指：墻頂往洞內方向大約150 cm處的側向平臺。墻頂往洞外方向與路基面接觸處采用斜坡面順接，鞋坡面的做法同樣采用厚度為300 mm的漿砌片石，施工時還應做好隧道洞口與路基邊仰坡防護的銜接，左側回填邊坡坡腳采用深度1.5 m，厚度500 mm的護腳墻作為支擋結構。在出洞方向為上坡，因此需要在洞外設一道截水盲溝，防止洞外的水流入到洞內中，同時洞內水溝在距離洞口約0.5 m處采用混凝土進行封堵，確保洞內電纜槽與洞外路基電纜槽進行順接。

3.2 襯砌維護結構施工

根據上述計算設計的襯砌維護結構在洞口處施工時，將其分為兩個部分，先施工墻角及仰拱處的鋼筋混凝土，當混凝土的強度到達設計強度一定值時，將該部分的模板拆除并鑿毛，隨后再施工上部邊墻及隧道拱部處的鋼筋混凝土。在施工的過程中鋼筋的加工下料可以在加工廠中完成，運輸到現場，由現場完成綁扎作業，進場的鋼筋等材料在進入現場前應先檢驗材料的出廠合格證、產品合格證，同時對鋼筋還能進行力學性能試驗檢測，包括抗拉強度、彎拉強度等；混凝土應采用商品混泥土，采用混凝土運輸車進行運輸，在輸出的過程中禁止向混合料加水，同時保證運輸到現場澆筑的混凝土尚未凝結，具有良好的施工和易性，需要對混凝土的坍落度進行出場檢測及澆筑前檢測，保證混凝土的和易性，在澆筑混凝土時應要盡可能靠近澆筑點，澆筑的過程由遠至近進行澆筑，在澆筑之前先對模板的外表面涂抹脫模劑，以減少脫模時的黏粘；同時采用插入式振搗棒進行及時的振搗，振搗的過程不漏振，也不過度振搗，為保證襯砌結構的整體性，前后兩次振搗作用的范圍應相互重疊；最后進行混凝土的養護，混凝土的養護采用保濕養護，當外界的環境溫度低于5 ℃時應采取保溫養護；養護完成后當混凝土強度到達設計強度的要求時可進行模板的拆除，在施工作業中應防止碰撞襯砌結構表面。對于結構變形縫位置應設置埋式鋼邊的橡膠止水帶，在拱墻襯砌結構及仰拱的內緣處采用密封膠進行封堵。

3.3 仰拱施工

在隧道仰拱的施工過程中最重要的是要保證仰拱端頭中止水帶的安全和固定以及仰拱的厚度，因此在施工時必須進行精準的測量放樣，可采用精密程度較高的全站儀進行施工測量放樣，標出仰拱端頭中止水帶的位置及仰拱厚度的范圍，止水帶的固定可以采用鋼筋環卡進行固定，這樣不僅施工方便還能保證安裝的質量，止水帶在施工前30 min需要對熱硫化焊機先進行通電預熱，當熱硫化焊機的預熱溫度達到150 ℃在進行止水帶接頭的切割，同時對止水帶的端頭還需進行打磨，可以采用電動手砂輪打磨機進行打磨，打磨寬度不小于100 mm，接頭表面清刷、打毛。利用100 mm寬的生橡膠幫接條置于兩止水帶端部中間，將止水帶打磨后的端部通過熱熔生橡膠幫接條并擠壓粘接達到止水帶之間膠合連接。冷卻時間到達2 h后，開啟焊機取出止水帶，進行焊接質量的外觀檢查，合格后進行安裝作業。在仰拱端頭采用鋼模，因為鋼模的安裝及拆卸方便，能大幅度的提高施工的效率并且能有效保證施工的質量。

3.4 防排水施工

襯砌結構的排水系統包括防水層、環向排水管及排水溝溝三個部分，在防排水施工之前，要先修整襯砌結構的表面，切除外露的錨桿頭及突出混凝土塊，對不平整的面進行填補；隨后進行排水板的安裝，排水板設置的間距可以8～10 m設置一道，采用水泥釘支架釘在初期支護的圍巖巖面中；然后沿襯砌結構面鋪設土工布，利用土工布反包排水盲管，在全隧道的初期支護或者二次襯砌結構上每隔50 m設置環向的彈簧管盲溝，當遇到分散的單個漏水點時增加一條環向彈簧排水溝進行流水的引排，也可以在邊墻泄水標高處沿著隧道全長設置一道縱向彈簧管盲溝，隧道內的水通過泄水孔匯流到縱向盲溝中排入兩側的邊溝；進行防水板的焊接與固定，在安裝之前應先檢查防水板的出廠合格證及材料質保證，并通知監理單位進行旁站取樣送檢，只有檢驗合格并經監理工程師同意后方可進行施工，防水板的施工可以采用全自動熱熔爬焊機進行焊接，每個防水板的搭接寬度設置為150 mm，反包盲管排水板與拱墻排水板進行焊接，在防水板的安裝過程中根據圍巖初期支護的情況預留7.5%的松鋪系數，防止防水板鋪設從而引起二次襯砌結構拱頂的脫空，并且防水板在鋪設時需要對拱部的固定點數量進行計算，保證防水板不脫落。

4 結 論

本文為對鐵路隧道的設計與施工進行研究，基于有限元模擬方法對鐵路隧道的設計與施工進行研究，結果表明：傍山鐵路隧道洞口不僅受到縱向推力作用，同時還受到橫向偏壓的作用，屬于淺埋偏壓隧道類型，可通過計算得到作用力大小；通過模擬計算得到襯砌結構的厚度及配筋，在施工技術方面對襯砌結構的防排水施工技術進行論述：發現防排水技術是隧道工程中關鍵的工序，其施工質量能夠決定隧道的安全。