鐵路設計論文：小議鐵路設計及施工關鍵

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本文作者：茍明中工作單位：中鐵二院工程集團有限責任公司

隧道襯砌結構及輔助施工措施

本工程具有周邊環境復雜、工程及水文地質條件差、結構形式及受力復雜、施工工序多、地面沉降控制嚴格、工期緊等特點。由于鐵路無法設置便梁等臨時保護措施，在臨時支撐拆除時為確保隧道有效控制沉降及鐵路的運營安全，隧道采用3層襯砌結構［2］（1次初支、2次模筑襯砌），全環設置299超長管幕預加固［5］，按雙側壁導坑六部［6］微臺階開挖方式進行施工。2．1襯砌結構1）初期支護。①噴混凝土：C25耐腐蝕混凝土，厚度35cm；②鋼筋網：8鋼筋，網格間距15cm×15cm，全環雙層；③鋼架：I25工字鋼架，全環設置，間距60cm。2）一次模筑襯砌。采用C40耐腐蝕防水鋼架混凝土，厚40cm，鋼架采用25四肢格柵鋼架，間距50cm，一次模筑是在中壁臨時支護不拆除的情況下施工。3）二次模筑襯砌。采用C40耐腐蝕防水鋼筋混凝土，厚50～60cm。在一次模筑襯砌的保護下，分段拆除臨時支護后施工。4）中壁臨時支護。臨時支護采用C25噴混凝土（中壁厚30cm、橫撐25cm）、工字鋼架（中壁I25、橫撐I20a）、8鋼筋網聯合支護，鋼架間距同主鋼架，并對掌子面噴混凝土進行封閉。2．2輔助施工措施1）299超長管幕。全環設置299鋼管管幕［5］，隧道管幕左線長度110m，右線長度76m。鋼管環向間距35cm，與隧道外輪廓凈距25cm，鋼管采用299×12mm的無縫鋼管水平鋪設在土體中，299鋼管之間打入60鋼花管，通過60鋼花管對管幕外的土體進行注漿加固并使之與299鋼管成為一個整體。鋼管之間的連接采用273mm的內接管箍，管箍長400mm，直接對焊連接。2）洞內深孔注漿。管幕施工完成后，采用超細水泥－水玻璃漿液對掌子面進行全斷面超前注漿加固地層，防止隧道開挖過程中出現坍塌引發地表下沉。3）地面注漿。為有效保護鐵路，采用超細水泥漿對隧道拱部管幕以上1．5m、邊墻管幕以外2m范圍進行注漿，對管幕以外的松散土體進行加固，防止土體從管幕之間的薄弱環節掉塊。

工法選擇及施工組織

隧道施工工法根據隧道的結構形式、工程及水文地質和周邊環境條件，經綜合比選后，隧道采用雙側壁導坑六步微臺階法［6］施工工法，詳見圖3。1）施工299管幕，全斷面注漿，采用雙側壁導坑法分六步分部開挖并支護［5］。2）鑿除一次模筑襯砌范圍的中壁臨時支護噴射混凝土，保留臨時支護鋼架，施作一次模筑鋼架襯砌，每循環長度為6m。3）待一次模筑襯砌達到設計強度后，在其保護下，分段拆除中壁豎向臨時支護，鋪設防水板，施作二次模筑襯砌底板。4）采用襯砌臺車施作拱墻部位的二次模筑襯砌。管幕與注漿施工順序的選擇對于超長管幕與注漿的施工順序有先施工管幕后注漿和先注漿后管幕2種。1）如采用先施工管幕后注漿，管幕擴孔施工是在原狀松軟地層中進行，較容易推進，但注漿需要分2種方式，在管幕以內部分需要洞內水平注漿，管幕以外需要在地面垂直注漿，這樣就存在2種注漿方式的工序轉換，且洞內注漿效果沒地面效果好。2）如采用先注漿后管幕，由于埋深較淺，均采用地面注漿方式，施工容易，注漿效果較好，但對管幕的施工影響較大，由于注漿后會提高地層的強度，對管幕的擴孔造成較大的困難，對工期和管幕的施工質量均有較大影響。經綜合比較后，選擇先施工管幕后注漿的施工順序。（a）（b）圖3隧道雙側壁導坑微臺階法步驟圖Fig．3Sequenceoftunnelconstructionbydoublesidedriftminibenchmethod3．3管幕施工工藝為控制地表及鐵路沉降，保證鐵路運營的安全、暢通，在綜合比較108雙層大管棚、299鋼管管幕、600管幕后，根據施工現場的工程及水文地質條件，并結合目前各施工工藝情況，根據計算和工程類比，確定超前支護采用299鋼管管幕。考慮到管幕最長為110m，采用前拉后夯［5］施工工藝進行施工，即首先利用水平導向鉆機打設127的水平孔，然后通過前拉后夯工藝將299鋼管拉到指定位置。具體施工方法為：采用127鉆桿每隔4孔打設一個導向孔，要求導向孔的導向精度控制在5cm以內，利用導向孔進行擴孔作業，擴孔作業要采用擠擴的方法，不能采用通常水循環方法，防止引起地層擾動，導致地面沉降；擴孔完成后采用前拉后夯法，將299鋼管連同60注漿管同時拉入；在拉入時，可能會遇到回填及不均勻的硬地層引起卡鉆現象，局部用夯錘夯法，在鋼管后部施以夯力使鋼管順利通過，直至將鋼管拉出對面掌子面。管幕導向孔利用有線和無線2種導向方法，嚴格控制導向精度。利用高精度有線導向儀及管內光學測量系統，其精度控制在3‰以內；利用無線導向儀器在地表進行測量定位，將偏差控制在5cm以內。為了避免相鄰管幕施作后引起地層松動，確保地面無沉降，在管幕施工過程中須適時在管幕外側進行回填注漿，補償地層的松散變形，更加有效地控制地層的擾動變形。跟進回填注漿采用60mm鋼花管注漿。根據本項目管幕的施工情況統計，一般正常情況下3d可以施工2根長管幕。當地層中遇到障礙物時就會較長，最長1根管幕花了5d才完成。地層條件對管幕的工期影響較大，在選用時應慎重考慮。

鐵路保護措施

鷹廈鐵路是進入廈門本島的主要鐵路通道，每天有13對客車與17對貨車通過，交通十分繁忙。隧道下穿段既有鐵路有3～4條股道交錯設置，平面布置十分復雜；與擬建下穿隧道交角較小，影響范圍長，專用線道岔位于隧道拱頂位置。控制標準根據《鐵路線路修理規則》，線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理控制標準值如表1所示。對鐵路的保護措施1）采用強大的隧道支護結構和措施，控制隧道及地表變形。隧道采用3層結構，施工階段荷載由初期支護與一次模筑襯砌承擔，使用階段荷載由一次模筑襯砌與二次模筑襯砌承擔。一次模筑襯砌達到強度后，拆除臨時施工支護，施作二次模筑襯砌。2）洞口管幕端頭設置支撐于樁基的導向墻，從而管幕形成剛度較大的縱梁，控制隧道周邊地層變形及地表沉降。3）與鐵路工務部門密切配合，為避免沉降累計，影響鐵路的正常行車，可分階段起道填碴或墊鋼板（如管幕施工完成、開挖過半、開挖完成等不同階段），根據監測數據，分別對軌道做出調整。4）隧道施工中，鐵路應限速，每趟列車經過前監測一次（由第三方進行自動化監測），軌道變形接近控制標準的70％時，應立即對鐵路進行起道填碴或墊鋼板，保證鐵路的安全暢通。應遵守現行《鐵路線路修理規則》、《鐵路工務安全規則》等規范。5）左、右線隧道錯開30m施工，并采用小于0．7m的短進尺開挖，避免地面沉降累計，降低單位時間的沉降量。6）應有工務部門的專人負責鐵路的安全評估，當影響列車通行時，應停止隧道施工，對鐵路進行整修和保護。緊急預案1）每趟列車經過前監測一次（由第三方進行自動化監測），軌道變形超過控制值時，應立即與鐵路運營部門聯系，征求其處理意見，原則上貨車應以慢性方式通過，客車應停止通過。并立即組織人員進行搶修，盡快恢復鐵路正常的運營。2）隧道施工前，應備齊鐵路搶險整修的材料、工具，整修人員到位，保證鐵路搶險及時，列車安全通過。3）接受工務部門專人負責鐵路的安全評估，整修不到位，嚴禁列車通行。

工程實施效果及變形分析

管幕直徑較大且密排布置，其施工對其周邊土體擾動較大，地面及鐵路的變形對其影響的敏感性較強。左、右線隧道在下穿鐵路段管幕施工引起的地表沉降主要規律及特點如下：1）管幕施工造成的地表變形量較大，剛開始施工時正線甚至出現隆起現象。管幕施工完成后，造成的地表沉降累計一般有40～50mm，多的達70～80mm，最大一天的沉降量為3mm。局部沉降較大，是因為在施工中，當管幕拉進困難時，部分段落采用高壓水沖切土體超挖引起的。由于現場采用了起道填碴措施，所以沒有對鐵路運營造成大的影響，起道填碴頻率一般為1～2次／周。2）管幕施工引起的地表沉降有3個原因，分別為成孔時的應力釋放、成孔過程中的水土流失、成孔施工偏差及擾動引起的沉降。3）管幕施工引起地表沉降大小除與地層條件、埋深和施工工藝等因素有關外，還與管幕之間的施工間距和施工持續時間有關系。施工間距越大，沉降越??；施工持續時間越長，沉降越大，對周圍環境造成的影響也越大，因此應盡量保持管幕施工的連續性。4）一般管幕施工期間都會引起地表沉降，而本工程局部出現隆起現象，是因為在施工過程中，正線下方遇到較多的錘坡石，給拖管或夯管造成一定的難度，強行夯或拖管會導致石塊擠壓土體，而管幕的埋深較淺，強夯會造成地表或軌面隆起現象。隧道開挖及初期支護施工隧道開挖采用雙側壁六步微臺階法施工，在管幕的保護下，考慮到到初支剛度較大，每循環進尺控制為1m（2榀鋼架距離），在開挖后及時進行初期支護和臨時支護。上臺階均采用人工開挖，下臺階采用小型挖機配合人工修邊開挖。上下臺階的長度均控制在3～5m，待③部開挖支護10m后，隧道中導洞⑤部即展開施工。根據以上施工工序，要完成以上①～⑥步一個循環，最短的長度是23m。在施工開挖及支護施工過程中，由于有管幕對隧道周邊的保護和注漿加固對地層的改良，施工進展較順利，沒有發生影響施工及鐵路運營安全的事故，在自動化監測和鐵路養護部門的配合下，保證了鐵路的運營安全。隧道一次模筑襯砌施工隧道一次模筑在初支噴射混凝土達到強度后，即可進行一次格柵鋼架模筑混凝土施工。只能鑿除一次模筑鋼架格柵混凝土范圍的臨時支護噴射混凝土，保留臨時支護鋼架，每次鑿除長度為6m。一次模筑的格柵鋼架和初期支護的型鋼支撐間隔布置，格柵鋼架的縱向間距與型鋼鋼架相同，兩者的接頭也錯開位置至少1．0m。為保證隧道拱頂處混凝土的密實性和兩者的較好結合，在拱頂采用自流平、免振搗混凝土。隧道二次模筑襯砌施工隧道二次模筑混凝土采用鋼筋混凝土，在一筑混凝土強度基本達到設計強度要求后施工。由于初期支護和一次模筑襯砌可以承擔全部的荷載，所以可以根據二次模筑臺車的長度，逐段全部拆除中間2道臨時支護鋼架及噴混凝土。先施工仰拱防水層及仰拱混凝土，其超前于邊拱混凝土襯砌約30m，然后采用模板臺車進行拱墻襯砌的施工。施工監測情況為了確保鐵路的正常運營和施工安全，第三方監測對鐵路鋼軌沉降、地表沉降、隧道拱頂沉降和隧道收斂情況共4個主要項目進行了監測。共布設地表沉降測點152個，拱頂沉降測點108個，圍巖收斂測點52個，鋼軌沉降測點73個。1）鋼軌沉降和地表沉降監測如表2所示，通過表2可以看出，由于下穿鐵路隧道地質條件差，土層松軟，在管幕施工和隧道開挖期間，兩者均發生了較大的沉降，由于現場采用了起道填碴措施，所以沒有對鐵路運營造成大的影響，起道填碴頻率一般為1～2次／周。根據監測數據和各階段的綜合分析，各階段的累計沉降比例如下：管幕施工階段約占25％；在上、下臺階開挖階段差別不大，兩者累計約占55％；二次模筑襯砌及拆撐階段約占20％。從各階段的沉降比例對比分析，由于采用了二次模筑襯砌，較以前常規采用一次模筑襯砌相比，在拆撐階段引起的地表沉降比例大大降低，從而體現出采用二次模筑襯砌的重要性。2）隧道拱頂沉降和圍巖收斂監測。鑒于下穿鐵路隧道地質條件極差，土層疏松，并且隧道上面還有火車動荷載的反復作用，隧道開挖引起的沉降變形較大，拱頂測點和水平收斂測點間距均為5m，具體的監測結果如下：左線隧道①部拱頂最大累計沉降值50mm，③部拱頂最大累計沉降值118mm，⑤部拱頂最大累計沉降值63mm。右線隧道①部拱頂最大累計沉降值74mm，③部拱頂最大累計沉降值84mm，⑤部拱頂最大累計沉降值50mm。左線隧道①部最大累計收斂值－6．54mm，③部最大累計收斂值－7．05mm。右線隧道①部水平收斂最大累計收斂值－7．37mm，③部最大累計收斂值－7．96mm。根據監測數據和各階段的綜合分析，隧道拱頂下沉主要是因為下臺階施工引起的。水平收斂較小，與隧道的支護剛度及強度較大和上下臺階之間的臨時仰拱發揮了較大的作用有關。

結構計算

計算條件隧道按荷載－結構模型進行計算。襯砌結構分2種工況進行計算：1）施工階段，一次模筑混凝土與初期支護共同承受荷載；2）使用階段，考慮初期支護失效，一次模筑襯砌與二次模筑襯砌共同承受荷載。荷載考慮圍巖壓力、結構自重和列車活載，覆土厚度3m，圍巖壓力根據《公路隧道設計規范》確定，結構自重及列車活載根據《鐵路橋涵設計基本規范》確定。由于隧道頂覆土厚度h≥1m，不計列車豎向動力作用。施工階段一次模筑襯砌結構計算在施工階段，根據《公路隧道設計規范》并考慮初期支護厚度0．35m，一次模筑襯砌的厚度0．45m，按兩者的厚度比例并適當考慮初期支護弱于一次模筑襯砌，確定一次模筑襯砌的荷載分攤比例為60％。經模擬計算，一次模筑襯砌主要控制點的內力值如表3所示。使用階段二次模筑襯砌結構計算在使用階段，考慮一次模筑襯砌的厚度0．45m，二次模筑襯砌的平均厚度0．55m，按兩者的厚度比例并適當考慮一次模筑襯砌性能降低，確定二次模筑襯砌的荷載分攤比例為60％。經模擬計算二次模筑襯砌主要控制點的內力值如表4所示。

結論與建議

結論1）針對超淺埋下穿鐵路的工程特點，實施了“水平精密定向、前拉后夯超長管幕施工工法”，成功解決了超淺埋深（2．5m）、超長度（110m）下穿運營鐵路隧道超前支護的技術難題，為安全施工提供了保證。2）隧道采用3層襯砌結構，初期支護中間臨時支撐在一次模筑襯砌的保護下實施分段拆除，解決了拆撐引起較大沉降的難題。在沒有便梁或扣軌等保護措施下，僅通過起道填碴的方式確保了運營鐵路的運營安全。3）針對超淺埋土質隧道，采用“雙側壁六部正臺階留核心土法”進行開挖施工，解決了開挖過程中地表下沉和穩定問題，確保了施工和鐵路運營安全。存在的問題及建議1）超長管幕在擴孔過程中會遇到地下障礙物破除及處理的難題，本項目在施工中，主要通過高壓水沖切或地面導筒工作坑進行處理。在采用高壓水沖切過程中，容易導致地面沉降過大。2）3層襯砌的受力分配，未進行襯砌內部變形監測，在下一步應重點研究。3）對于仰拱部位是否需要設置管幕，應根據地層條件綜合研究確定。