明挖隧道長距離下穿繁忙鐵路站場的分區(qū)施工方案

盧裕杰 賈萱 秦丁伊

中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司， 北京 102600

城市道路、公路下穿既有鐵路時，為了保證鐵路安全，需對股道進行加固。如在湘潭市白河大道［1］、韓城市G327 過境公路［2］、南寧市貴廣解放路［3］、南京市黃家圩路［4］、佛山市河東中心路［5］等項目中，均采用了鋼便梁 + 支撐樁體系，保證下穿鐵路順利實施。

安康北環(huán)線位于安康中心城北側(cè)付家河與關(guān)廟漢江大橋之間，是城市總體規(guī)劃中環(huán)城干道的重要組成部分，設(shè)計時速60 km。道路與既有安康東站平面交叉，以隧道形式下穿車站。安康東站為混合式三級五場車站，年吞吐能力超過60 萬噸，在西部大開發(fā)和帶動陜南經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

下穿工程采用D 型鋼便梁對鐵路股道進行加固，由于縱梁高于鐵路軌面149 ～ 749 mm［6］，被加固的股道無法進行列車技術(shù)檢查，需要暫停運營。安康東站極其繁忙，需合理規(guī)劃施工步驟，做到分區(qū)施工，以確保下穿工程的可實施性和滿足站場最低運營要求。

1 工程概況

安康北環(huán)線隧道工程采用明挖法依次下穿安康東站貨場線、Ⅴ場1 ～ 10 道、車輛走行線、貨車疏解上行線共13股鐵路，下穿段全長170 m。其中，Ⅴ場及車輛走行線平行布置，線間距分別為5.0、5.5、6.5 m。隧道中線與貨場線、Ⅴ場及貨車疏解上行線的夾角分別為78°、64°和71°，如圖1所示。

圖1 隧道與鐵路平面關(guān)系及施工分區(qū)

隧道采用分離式矩形框架結(jié)構(gòu)，凈寬13.0 m，凈高6.5 ～ 9.5 m，左右幅凈距約7.2 m，隧道頂至軌頂?shù)木嚯x為1.02 ～ 1.84 m。開挖深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層雜填土及粉質(zhì)黏土，Ⅱ級普通土；基底以下為第四系上更新統(tǒng)沖積層卵石土，Ⅲ級硬土；基巖為志留系下統(tǒng)石牛欄組云母片巖，Ⅳ級軟石。地下水位于基底以下。

為了保證下穿施工時鐵路股道安全，結(jié)合隧道分幅布置的特點，采用了D 型鋼便梁加固。主跨采用D24 型鋼便梁加固隧道上方的股道，副跨采用D16 型鋼便梁加固基坑放坡影響范圍內(nèi)的股道。鋼便梁支承于?1.5 m 或?1.8 m 的鉆孔灌注樁上，主跨、副跨樁長分別為23、16 m，樁底深入卵石層，見圖2。

圖2 隧道及鐵路加固橫斷面

2 施工方案

為了降低下穿施工對站場的影響，要盡可能減少同一時間段內(nèi)加固的股道數(shù)量，并在隧道施工完成后盡快回填，拆除鋼便梁，盡早恢復鐵路運營。因此，提出了分區(qū)加固、放坡開挖、垂直回填的綜合施工方案。

分區(qū)加固：為保證站場作業(yè)的最低要求，運營的股道數(shù)量不得低于總股道的60%，需要對股道加固統(tǒng)籌安排，分段施工，分區(qū)加固。

放坡開挖：由于站場內(nèi)股道密集，無法打設(shè)圍護樁進行基坑垂直開挖，因此需在股道加固范圍內(nèi)采用放坡開挖。

垂直回填：在隧道結(jié)構(gòu)達到設(shè)計強度后，在當前施工分區(qū)后方端頭設(shè)置擋墻，基坑回填后盡早恢復鐵路運營，為下一個施工分區(qū)提供作業(yè)空間。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工組織

由于Ⅴ場和車輛走行線較密集，線間距小，因此對隧道下穿該區(qū)段進行分析。依據(jù)分區(qū)加固設(shè)計思路，將下穿段分成4個施工分區(qū)，參見圖1。

1區(qū)采用鋼便梁加固1 ～ 4道，此時5 ～ 10道及走行線正常運營。加固完成后，開挖1、2道下方的基坑，現(xiàn)澆1、2 道下方隧道。待結(jié)構(gòu)到達設(shè)計強度后，回填基坑，恢復鐵路運營。

在2 區(qū)內(nèi)，新加固5、6 道，此時1、2、7 ～ 10 道及走行線正常運營。加固完成后開挖3、4 道下方基坑，現(xiàn)澆3、4道下方隧道。

以此類推，直至完成全部下穿工程。分區(qū)施工順序見表1。以2區(qū)為例，沿隧道縱向的施工情況見圖3。

表1 分區(qū)施工順序

圖3 第2施工分區(qū)沿隧道縱向的施工情況

3.2 放坡開挖

當基坑采用放坡形式開挖時，先根據(jù)地層巖性、地下水位、開挖深度等因素確定坡率。基坑大小也決定了鐵路站場受影響的范圍。隧道位于粉質(zhì)黏土層，地下水位于基底以下，最大開挖深度約12.93 m。參照GB 50330 —2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，坡率不應(yīng)大于1∶1。

為研究坡頂變形與坡率關(guān)系，確定最大坡率，采用MIDAS/GTS 建立數(shù)值模型，對不同坡率條件下邊坡變形量進行分析，見圖4。

圖4 數(shù)值模型

考慮邊界效應(yīng)影響，模型的長、寬、高分別為200、100、60 m，長度方向為安康東站鐵路股道的走行方向。采用四面體實體單元模擬地層和隧道結(jié)構(gòu)，地層采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，隧道結(jié)構(gòu)采用彈性模型，加固系統(tǒng)和鐵路軌道采用梁單元模擬。單元共計108 738個，節(jié)點20 137個。

依據(jù)地勘報告［7］確定土層計算參數(shù)，見表2。

表2 計算參數(shù)

不同坡率時坡頂?shù)淖畲笏轿灰埔妶D5。可知：坡頂最大水平位移隨坡率減少而降低；坡率為1∶1時，坡頂最大水平位移為7.34 mm，滿足規(guī)范要求。

圖5 不同坡率時坡頂?shù)淖畲笏轿灰?/p>

基坑方案為：坡率1∶1，每6 m 設(shè)置一級2 m 寬平臺；邊坡臨空面采用錨噴支護，C25 混凝土，厚10 cm；鋼筋網(wǎng)為?8@25 cm × 25 cm；砂漿錨桿為?22@1.5 m ×1.5 m，梅花形布置，長6 m。為了減少基坑影響范圍，坑底設(shè)置坡腳擋墻收坡，擋墻高度、墻角寬度和墻頂寬度分別為4.0、2.0和1.2 m，如圖6所示。

圖6 基坑開挖橫斷面（半幅）

采用TB/ T 3466—2016《鐵路列車荷載圖式》中的客貨共線鐵路普通荷載作用于股道上按照表1的施工順序計算可得不同施工分區(qū)基坑開挖時，站場內(nèi)未加固股道的水平、豎向位移，見表3。水平位移以1 道指向10道為正，反之為負；豎向位移以隆起為正，沉降為負；有的股道處于加固狀態(tài)，未采集數(shù)據(jù)。

根據(jù)TB 10314—2021《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》，普速鐵路軌道水平、豎向位移的控制值分別為 ±7 mm、-8 ～ 3 mm。由表3可知：基坑開挖過程中股道最大水平位移為-1.94 mm，最大豎向位移為-7.77 mm，滿足規(guī)范要求。

3.3 加筋土擋墻及級配碎石注漿回填

當隧道結(jié)構(gòu)達到設(shè)計強度時，其基坑段落應(yīng)盡快回填，以降低對站場的影響。因為回填擋墻為臨時結(jié)構(gòu)，在滿足性能要求的同時還應(yīng)施工簡便、快捷。加筋土擋墻是一種由填土、筋帶和面板組成的擋土墻，經(jīng)數(shù)值模擬及模型試驗研究［8-10］，能夠滿足上述要求。擋墻采用C25 預制混凝土面板，厚度0.18 m；鋼塑土工加筋帶長9 m，在基坑10 m 深度范圍以內(nèi)為4 根/m，10 m深度范圍以外為6根/m，如圖7所示。

圖7 加筋土擋墻剖面

回填材料選用級配碎石，最大粒徑不超過45 mm，粒徑小于0.02 mm 的碎石質(zhì)量百分率不大于3%，不均勻系數(shù)Cu≥ 15、曲率系數(shù)Cc為1 ～ 3。

因為回填區(qū)域在鐵路下方，受凈高限制，無法使用大型壓實機具。為保證回填密實度和防止?jié){液殘余水沉積在隧道底部不易排出，通過現(xiàn)場試驗，確定水與水泥的重量比為1∶1，注漿壓力不大于0.5 MPa。

采用壓實系數(shù)、地基系數(shù)作為回填控制指標。基床表層壓實系數(shù)0.95，地基系數(shù)150 MPa/m；基床底層壓實系數(shù)0.93，地基系數(shù)130 MPa/m。驗收合格后，拆除擋墻，恢復鐵路運營。

通過數(shù)值分析得到基坑回填后拆除鋼便梁階段，股道的最大水平、豎向位移，見表4。可知，股道的最大水平位移為1.65 mm，最大豎向位移為-7.42 mm，滿足規(guī)范要求。

表4 基坑回填后拆除鋼便梁階段股道的最大水平、豎向位移

4 現(xiàn)場實施情況

通過監(jiān)測結(jié)果可知，在基坑開挖和回填階段，股道最大豎向變形分別為-7.39、-7.01 mm，先后出現(xiàn)在Ⅴ場5 道和4 道。監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，變形值均滿足規(guī)范要求。

按照分區(qū)加固、放坡開挖、垂直回填的施工方案，做好施工組織。安康北環(huán)線不僅成功、安全地下穿了安康東站，而且保證了安康東站的正常運營。

5 結(jié)論

1）分區(qū)加固減少了站場內(nèi)受影響的股道數(shù)量，滿足站場的最低運營要求，確保了下穿方案的可行性。

2）1∶1 坡率放坡開挖，輔以坡腳擋墻等措施，減少了基坑開挖的影響范圍。

3）在施工分區(qū)端頭設(shè)置加筋土擋墻，使基坑垂直回填后可以盡早恢復鐵路運營。選用級配碎石并注漿，保障了回填密實度，解決了鐵路下方由于高度受限無法使用大型壓實機具的問題。

4）通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測，隧道下穿過程中鐵路股道變形滿足規(guī)范要求，站場的基本作業(yè)得到保障，分區(qū)加固、放坡開挖、垂直回填的施工方案可行。