新建暗挖隧道下穿既有铁路U型槽的施工影响研究

霍永鹏

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

0 引言

随着我国市政工程建设的持续推进和铁路运营里程的增长,与既有铁路交叉的施工建设需求日益增多,邻近铁路施工对既有铁路结构的影响有着重要的研究价值。许多学者对隧道下穿既有铁路作了研究[1-5],但对下穿U型槽结构的研究较少。本文通过建立“土体-铁路U型槽-电力隧道”三维数值模型,计算并分析新建电力隧道施工对既有铁路轨道及U型槽结构的变形影响,得出的结论与建议可为类似工程作参考。

1 工程概况

北京市定南电力隧道于下穿丰沙铁路U型槽路堑段,拟建场地表层为杂填土,其下为一般第四纪冲洪积松散土层,主要由粉土、细砂、粗圆砾土组成,分布较均匀,地下水埋深15.70 m～16.90 m。既有铁路U型槽结构净宽11.2 m,挖深6 m,两侧设置防护桩,桩间距为1.2 m,桩长12 m,边墙和底板均采用C35防水钢筋混凝土浇筑。

新建电力隧道采用浅埋暗挖法施工,隧道净宽为2.6 m,净高2.9 m,断面全宽3.8 m,总高度为4.1 m,其中拱部矢高0.65 m。初期支护采用C25喷射混凝土,二衬采用模筑C40防水混凝土。

在铁路北侧开挖竖井,从竖井内向南穿越铁路,穿越段长度为79.19 m,竖井向东平行铁路施工,并行段长度为287.5 m。隧道在穿过铁路路基时,路基土较为松散,隧道施工时对路基安全有影响,风险较大,在隧道穿越铁路两侧10 m范围时采用全断面帷幕注浆的措施,加固范围为开挖轮廓外2.5 m 范围。

新建定南电力隧道与丰沙铁路U型槽路堑段的相对位置关系如图1所示。新建电力隧道平行段隧道距离铁路U型槽外轮廓最近5.81 m,下穿段隧道距离铁路U型槽底板最近6.58 m。

2 模型建立

为模拟电力隧道及竖井开挖对既有铁路的影响,消除边界效应,土体模型长度方向(X向)的尺寸取100 m,宽度方向(Y向)的尺寸取100 m,高度方向(Z向)取40 m。

模型中,竖井临时横撑、竖井钢格栅围护结构、铁路轨道采用梁单元,隧道二次衬砌和竖井井壁采用板单元,其余结构和土层均采用实体单元模拟。有限元模型示意图如图1所示。

为准确模拟电力隧道施工对既有铁路的影响,将模型的施工过程分为4个工况,如图2所示。

工况1:既有丰沙线铁路已经完成施工,电力隧道尚未开始施工,此时是位移清零的初始状态。工况2:竖井施工完成。工况3:下穿铁路段电力隧道施工完成。工况4:平行铁路段电力隧道施工完成。

土体采用摩尔库仑模型本构,计算参数如表1所示。

表1 土层计算参数表

建模时用等刚度法将铁路保护桩等效成地下连续墙,将桩墙按抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的壁式地下连续墙进行内力分析,仅考虑桩体竖向受力与变形。等刚度法的转换公式如下[6]:

其中,D为保护桩直径;t为桩间距;h为等效后的地连墙厚度。

铁路、隧道、竖井等结构的力学参数汇总如表2所示。分析中假定这些结构均处于弹性阶段。混凝土结构重度均为24 kN/m3,表中不再赘述。

表2 模型结构体计算参数表

3 数值模拟结果

电力隧道施工期间铁路轨道位移云图如图3所示。竖井开挖完成后(工况2),铁路轨道随着U型槽的下沉而略有下沉,且出现朝向竖井的水平位移。下穿铁路段电力隧道施工完成后(工况3),铁路轨道下方土体松弛下沉,铁路轨道的竖向沉降值和水平位移值均增大。平行铁路段电力隧道施工完成后(工况4),铁路轨道沉降值达到最大值-3.410 mm,水平位移达到最大值3.474 mm,均小于《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》所规定的监控量测沉降控制值。各工况铁路轨道最大位移统计结果见表3。

表3 铁路轨道最大位移统计表

电力隧道施工期间铁路U型槽位移云图如图4所示。竖井开挖完成后(工况2),由于竖井开挖后的卸荷回弹作用,U型槽临近竖井的部分略有下沉,且出现朝向竖井的水平位移。下穿铁路段电力隧道施工完成后(工况3),新建隧道上方土体松弛下沉,U型槽的竖向沉降值和水平位移值均增大。平行铁路段电力隧道施工完成后(工况4),新建隧道上方U型槽沉降值达到最大值-3.896 mm,水平位移达到最大值4.144 mm,均小于《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》所规定的监控量测沉降控制值。各工况铁路U型槽最大位移统计结果见表4。

表4 铁路U型槽最大位移统计表

电力隧道施工期间铁路防护桩位移云图如图5所示。竖井开挖完成后(工况2),由于竖井开挖后的卸荷回弹作用,临近竖井的铁路防护桩略有下沉,且出现朝向竖井的水平位移。下穿铁路段电力隧道施工完成后(工况3),新建隧道上方土体松弛下沉,铁路防护桩的竖向沉降值和水平位移值均增大。平行铁路段电力隧道施工完成后(工况4),新建隧道上方铁路防护桩沉降值达到最大值-7.807 mm,水平位移达到最大值7.684 mm。各工况铁路防护桩最大位移统计结果见表5。

表5 铁路防护桩最大位移统计表

4 结论与建议

1)新建电力隧道施工对既有丰沙铁路U型槽路堑段的影响情况为:铁路轨道沉降最大值为-3.592 mm,水平位移最大值为3.496 mm;U型槽沉降最大值为-3.974 mm,水平位移最大值为4.142 mm,均小于监控量测沉降控制值,因此新建电力隧道下穿丰沙铁路U型槽路堑段总体方案可行,可确保铁路运营安全。

2)施工前应对影响区域内既有铁路U型槽初始状态进行调查及监测。调查及监测项目包括:U型槽结构现状(包括厚度、强度、裂缝及背后空洞)、轨道几何形态、渗漏水情况、相关设施设备运营状况等。并基于此对铁路U型槽安全情况进行校正,必要时对铁路U型槽存在安全隐患的部位进行加固处理。

3)设计及施工中应采取有效措施,严格确保注浆加固范围及质量满足设计要求。帷幕注浆时,与监测单位密切配合,合理调整注浆压力,防止出现线路隆起。

4)下穿段落遵循“管超前,严注浆;短进尺,强支护;早封闭,勤量测”的原则考虑施工措施,同时做好初支背后和二次衬砌背后注浆,减小沉降。施工过程严格控制开挖步距,做到随挖随支。采用信息化设计方法,根据现场监控结果调整支护参数及开挖方法。

5)施工中及施工后应加强对铁路U型槽结构、轨道结构及周围地表的变形监控测量,动态掌握隧道的安全状况。制定专项监测方案,并由专门的单位负责组织实施。建立铁路变形控制指标体系,实行预警值、报警值、控制值三级警示制度,结合既有规范和规定,在充分借鉴已有的工程经验并与相关领域部门和专家确定合理的控制值。在施工中若变形达到报警值,应采取措施并调整施工方案,加强实时监测力度,避免位移继续发展,确保铁路运营安全。