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(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300308)

0 引言

隨著我國市政工程建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)和鐵路運營里程的增長,與既有鐵路交叉的施工建設(shè)需求日益增多,鄰近鐵路施工對既有鐵路結(jié)構(gòu)的影響有著重要的研究價值。許多學(xué)者對隧道下穿既有鐵路作了研究[1-5],但對下穿U型槽結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)的變形影響,得出的結(jié)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(jì)沖洪積松散土層,主要由粉土、細(xì)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(jié)構(gòu)凈寬11.2 m,挖深6 m,兩側(cè)設(shè)置防護(hù)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(hù)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(cè)開挖豎井,從豎井內(nèi)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(fēng)險較大,在隧道穿越鐵路兩側(cè)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(guān)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(yīng),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(hù)結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(zhǔn)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(jīng)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(tài)。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(gòu),計算參數(shù)如表1所示。

表1 土層計算參數(shù)表

建模時用等剛度法將鐵路保護(hù)樁等效成地下連續(xù)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(xù)墻進(jìn)行內(nèi)力分析,僅考慮樁體豎向受力與變形。等剛度法的轉(zhuǎn)換公式如下[6]:

其中,D為保護(hù)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(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。分析中假定這些結(jié)構(gòu)均處于彈性階段。混凝土結(jié)構(gòu)重度均為24 kN/m3,表中不再贅述。

表2 模型結(jié)構(gòu)體計算參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)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(xiàn)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(dá)到最大值-3.410 mm,水平位移達(dá)到最大值3.474 mm,均小于《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》所規(guī)定的監(jiān)控量測沉降控制值。各工況鐵路軌道最大位移統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 鐵路軌道最大位移統(tǒng)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(xiàn)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(dá)到最大值-3.896 mm,水平位移達(dá)到最大值4.144 mm,均小于《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》所規(guī)定的監(jiān)控量測沉降控制值。各工況鐵路U型槽最大位移統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4 鐵路U型槽最大位移統(tǒng)計表

電力隧道施工期間鐵路防護(hù)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(hù)樁略有下沉,且出現(xiàn)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(hù)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(hù)樁沉降值達(dá)到最大值-7.807 mm,水平位移達(dá)到最大值7.684 mm。各工況鐵路防護(hù)樁最大位移統(tǒng)計結(jié)果見表5。

表5 鐵路防護(hù)樁最大位移統(tǒng)計表

4 結(jié)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(jiān)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(yīng)對影響區(qū)域內(nèi)既有鐵路U型槽初始狀態(tài)進(jìn)行調(diào)查及監(jiān)測。調(diào)查及監(jiān)測項目包括:U型槽結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀(包括厚度、強度、裂縫及背后空洞)、軌道幾何形態(tài)、滲漏水情況、相關(guān)設(shè)施設(shè)備運營狀況等。并基于此對鐵路U型槽安全情況進(jìn)行校正,必要時對鐵路U型槽存在安全隱患的部位進(jìn)行加固處理。

3)設(shè)計及施工中應(yīng)采取有效措施,嚴(yán)格確保注漿加固范圍及質(zhì)量滿足設(shè)計要求。帷幕注漿時,與監(jiān)測單位密切配合,合理調(diào)整注漿壓力,防止出現(xiàn)線路隆起。

4)下穿段落遵循“管超前,嚴(yán)注漿;短進(jìn)尺,強支護(hù);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(yán)格控制開挖步距,做到隨挖隨支。采用信息化設(shè)計方法,根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控結(jié)果調(diào)整支護(hù)參數(shù)及開挖方法。

5)施工中及施工后應(yīng)加強對鐵路U型槽結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)及周圍地表的變形監(jiān)控測量,動態(tài)掌握隧道的安全狀況。制定專項監(jiān)測方案,并由專門的單位負(fù)責(zé)組織實施。建立鐵路變形控制指標(biāo)體系,實行預(yù)警值、報警值、控制值三級警示制度,結(jié)合既有規(guī)范和規(guī)定,在充分借鑒已有的工程經(jīng)驗并與相關(guān)領(lǐng)域部門和專家確定合理的控制值。在施工中若變形達(dá)到報警值,應(yīng)采取措施并調(diào)整施工方案,加強實時監(jiān)測力度,避免位移繼續(xù)發(fā)展,確保鐵路運營安全。