龙脖山隧道下穿铁路既有线及涵洞施工安全分析

December,2008

文章编号:1003 1995(2008)12 0050 05

龙脖山隧道下穿铁路既有线及涵洞施工安全分析

孙河川1

,杨慧林2

,李兴高3

,丁德云

3

(1 中国中铁电气化局集团有限公司,北京 100036;2 中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100020;

3 北京交通大学土建学院,北京 100044)

摘要:龙脖山公路隧道下穿既有铁路5股道、铁路排水涵及行人盖板涵,施工风险较大。为评价隧道施工对铁路线和既有涵洞的影响,建立了三维有限元模型,对施工过程中的力学转换进行了仿真分析,重点研究了地表沉降和既有涵洞的附加变形。在此基础上,就工程施工控制措施提出了结论和建议。

关键词:隧道下穿施工 既有铁路线 三维有限元分析 工程控制措施中图分类号:U455 49 文献标识码:B

收稿日期:2008 05 29;修回日期:2008 10 18

作者简介:孙河川(1968 ),男,吉林榆树人,高级工程师,博士。

1 工程情况

龙脖山隧道为山西省沁水县城梅杏大道工程的一部分,是连接县城南北的重要通道,隧道起始里程K0+460 0,终点里程K1+055 5,全长595 5m 。隧道下穿5条铁路线后出洞。现况铁路为侯月线正线及3股到发线,线间距分别为6 12、5 00、11 44、5 20m,轨道为60kg m 轨,路基为高路基,路基下部设置了排水渠宽(圆拱涵)约6 0m,铁路东侧有一行人铁路箱涵(盖板涵),宽约4 7m 。由于地势所限,隧道内设置R =350 0m 的曲线,隧道与铁路侯月线交点里程为K102+762。线路走向及周边环境情况见图1、图2所示。

图1 隧道线路走向及周边环境情况(单位:mm)

隧址区地质构造较简单,围岩受地质构造影响轻

图2 隧道与行人箱涵、铁路排水渠位置关系剖面(单位:m m)

微,地质构造对工程危害较小。隧道穿越部分的上覆地层主要以杂填土和风化的泥岩、砂岩为主。

隧道施工首先施工中洞,再施工左、右洞,中洞采用台阶法施工,边洞采用C RD 法施工,具体施工方法和步骤见图3所示。

2 施工中存在的主要风险

1)隧道埋深较浅且下穿5股运营铁路,下穿行人铁路箱涵,侧穿铁路排水渠,施工风险较大;

2)两端洞口局部地质条件较差,隧道进出口边坡稳定性差,下伏基岩风化面埋藏较浅、较陡,出口处洞顶覆盖层很薄,施工时需采取加强措施,加强结构及防

排水措施,以保证施工安全和结构安全;

3)隧道围岩多为强~微风化泥岩,暴露岩体风化速度很快,必须配合开挖及时支护,确保施工安全。

4)施工过程中必须保证地面铁路和行人箱涵的正常使用,对施工技术提出了较高的要求,需要严格的管理。

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图3 隧道施工方法和施工步骤(单位:mm)

5)隧道断面施工步骤较多,施工力学体系转换复杂,施工风险较大。

6)洞体内虽无地下水贮存,但存在层间裂隙水,水量微弱,水文地质条件中等。层间裂隙水的下渗对工程有影响,洞体掘进施工中应该注意防排水工作。

7)由于地质条件在勘察阶段难以完全预测,建议施工阶段采用动态信息反馈施工法,及时预报、预测围岩状况及地质灾害,进行设计调整。

8)隧道距排水渠涵最近处只有2 8m(图2),施工风险大。

9)填方路基与下部地层存在一倾斜弱面,受下部隧道开挖卸荷的影响,上部路基存在滑坡的可能。

3 计算与分析

本工程变形预测分析采用Midas GTS 软件进行,该软件是由韩国浦项集团开发的Midas 公司的系列商用软件之一,主要用于岩土及隧道工程的模拟分析。该软件在处理几何建模及网格划分方面具有其它商用软件无法比拟的优势,直观逼真的三维建模、自动生成网格等功能使得许多复杂工程问题得到较好的模拟。另外,该软件在多种材料本构模型、卓越的分析速度、能够提供直观易于整理的分析结果等方面也有一定的优势。

3 1 力学模型与参数

模型上边界取到地表,竖向取50m,既有铁路线

方向取106m,隧道考虑其曲线线形,推进方向取72

m,由此建立的计算模型如图4所示。

图4 计算模型

地表荷载考虑钢轨荷载、路基荷载和列车静荷载。到发线三、到发线四和到发线六仅考虑钢轨荷载和路基荷载,侯月上行线和下行线另外还要考虑列车静荷载。钢轨每延米荷载为1 2kN,路基每延米荷载为34 94kN 。在上部荷载通过路基向下传递的过程中,考虑45 的扩散角,则钢轨和路基共同作用等效的静荷载为12 91kPa 。列车按!中 活载∀考虑,计算中取最不利位置,即相向而行的火车正好位于隧道正上方。模型的其它五个面均采用滚轴约束。共划分了187341个单元,30975个节点。地表计算荷载及网格划分见图5所示。

计算中采用不同的本构模型模拟不同的材料,对于衬砌应用线弹性模型,而各层土体采用莫尔 库仑(MC)模型。新建公路隧道的初衬、既有涵洞的初衬和二次衬砌均采用程序中的板单元模拟。模型中材料的

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图5 地表计算荷载及网格划分

物理力学参数取值如表1所示,其中各地层参数按照地质勘察资料选取。

表1 计算力学参数

项目

E

GPa

C

/MPa

/() (kg/m3)

本构

填方路基0 50 300 03362400M C

强风化泥岩1 50 400 60402480M C 弱风化砂岩12 50 2120 00552600M C 弱风化泥岩2 00 351 00502530M C 微风化泥岩4 50 301 00552560M C 注浆加固6 00 351 50592600M C 初衬15 00 202400弹性二次衬砌30 00 202600弹性圆拱涵拱部25 00 202400弹性圆拱涵底部15 00 202400弹性盖板涵顶部25 00 202400弹性盖板涵侧壁20 00 202400弹性盖板涵底部15 00 202400弹性 注:h、E、 、C、 和分别代表材料厚度、弹模、泊松比、黏聚力、内摩擦角和密度。

3 2 施工过程模拟

数值分析中模拟了公路隧道衬砌的施作过程。根据公路隧道施工设计图,计算中对公路隧道的各施工步序的模拟情况为:隧道施工开挖共66个阶段,每步开挖进尺3m。先开挖中洞,左洞1滞后中洞21m开挖并初支,左洞2、3、4分别滞后上一步6m开挖并初支,右洞1#滞后左洞4距离为6m后开挖并初支,右洞2#、3#、4#分别滞后上一步6m开挖并初支。中洞开挖进尺18m后,施做二次衬砌,每次进尺3m。左右洞开挖初支完成后再做二次衬砌。左洞施做二次衬砌每次进尺6m,右洞滞后左洞54m施做二次衬砌,每次进尺

也是6m。施工中洞、左洞及右洞划分见图4。3 3 计算结果与分析

3 3 1 计算点位置

1)地表计算点位置

选取隧道开挖中线方向上的地表计算点,位于5条铁路线两钢轨中间位置,计算点的节点号分别为: 25877、25600、25384、24919、28583,如图6所示。

2)圆拱涵计算点

圆拱涵分别在入口、中间和出口选取了1 1、1 2、和1 3共3个断面,每一断面又选取了涵底左计算点、涵底中计算点、涵底右计算点和涵顶计算点4个计算点,具体见图7。

3)盖板涵计算点

盖板涵分别在入口、中间和出口选取2 1、2 2、和2 3共3个断面,每一断面又选取涵底左计算点、涵底中计算点、涵底右计算点、涵顶左计算点、涵顶中计算点、涵顶右计算点6个计算点,具体见图7。

图6 地表计算点位置

图7 计算断面及计算点位置

3 3 2 计算结果分析

1)沉降分析

地表沉降云图如图8所示。隧道开挖完成后,地表的最大沉降为15 9mm。隧道顶部周围地表沉降稍大。

位于5条铁路线两钢轨中间位置计算点最终沉降值见表2。由表2可见,虽然侯月上行线和侯月下行线处的地表荷载较大,但是对应的地表沉降值却是到发线四和到发线六处的为大。结合地层分布情况可

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图8 地表沉降云图

知,填方路基与下部地层存在一倾斜弱面,对应地表处的沉降值较大,说明受下部隧道开挖卸荷的影响,上部路基存在下滑的可能,印证了前面的分析。

表2 地表计算点最终沉降值

测点位置到发线三侯月下行线侯月上行线到发线四到发线六节点号2587725600253842491928583沉降值 mm

13 9

14 6

14 9

15 2

15

1

图11 盖板涵结构

底板竖向变形

图12 圆拱涵结构底板竖向

变形

图13 圆拱涵结构

底板水平位移变形

图14 盖板涵结构底板水平位移变形

在图9中,给出工程完成后最终位移矢量图。可以看出,受下部隧道开挖卸荷的影响,填方路基有向下滑动的趋势,其运运方向与下部弱面的夹角较小,说明路基有滑动的可能,

必须采取加固措施。

图9 最终位移矢量图

2)既有结构变形

既有涵洞结构竖向位移云图如图10所示。由图

10可知,既有隧道结构竖向位移基本为负值,表明结构产生了沉降,最大沉降值为11 4mm,盖板涵由于位于新建隧道上方,沉降值较大。圆拱涵和盖板涵入口

处的沉降值小于出口处的沉降值。对于盖板涵,其出口处顶板左右角点的沉降也存在一定的差值。总体看来,受施工的影响,

盖板涵发生了一定的扭转。

图10 盖板涵和圆拱涵结构竖向位移云图

沿盖板涵结构纵向,底板左、中、右计算点的竖向沉降值见图11。沿圆拱涵结构纵向,底板左、中、右对

应计算点的竖向沉降值见图12。沿圆拱涵结构纵向,底板左、中、右对应计算点的水平位移值见图13。沿盖板涵结构纵向,底板左、中、右对应计算点的水平位移值见图14。

由图11可见,盖板涵在结构纵向上入口和出口部位存在10mm 左右的差异沉降,隧道施工对其影响较大。而且在出口部位,由于距离新建施工点较近,受施工影响较大。同时,从出口部位左右测点的沉降值可以看出,出口部位结构横向也存在一定的差异沉降。可以判断,受邻近施工的影响,盖板涵出口部位结构纵向存在一定扭转。在此部位施工时,应加强工程控制措施,同时加强对盖板涵的监测,确保过往行人的安全。由图12可见,圆拱涵在结构纵向最多只存在3mm 左右的差异沉降,隧道施工对其影响不大。由图13可见,由于距离新建施工点较近,圆拱涵在入口部位产生的水平位移较大。在此部位施工时,应加强工

程控制措施,如采取隔离桩,同时加强监测,确保结构安全。由图14可见,受邻近施工的影响,盖板涵结构纵向产生了2~4mm 左右的水平位移,隧道施工对其影响不大。

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4 1 地表沉降控制标准

依据本工程的特征,参考类似工程沉降控制标准,本工程推荐地表沉降控制标准为20mm。尚应控制其变化速率(单位时间内的变化量)不应过大,指标应变化平稳。如出现变化速率的异常变化,应采取必要的工程措施。地层(含地表)沉降速率控制指标不应超过3mm d。

4 2 工程施工技术及辅助工程措施

本隧道由于埋深较浅,且下穿5股道铁路线,下穿人行箱涵,侧穿铁路排水渠,施工组织较复杂,为保证在工程施工过程中铁路和人行箱涵的正常运营,建议采取以下措施:

1)施工中应严格遵循!管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测∀浅埋隧道施工原则。格栅钢架的架设和喷混凝土应及时,尽快形成封闭受力环。

2)本段施工时,必须采用完备的辅助措施。

∃为了保证顺利进洞和铁路运营安全采用管棚加超前小导管注浆加固及格栅拱架支护,并及时施作洞门。

%下穿铁路段施工前需对铁路路基边坡进行注浆或砂浆锚杆加固,以保证开挖过程中边坡的稳定。

&对隧道上方的电气化接触网杆进行临时的转移,对接触网杆基础进行注浆加固,并对铁路线进行实时监控。

∋要认真考虑线路加固,以满足施工期间限速45km h要求。线路加固采用成熟的加固方案,横梁采用I45a工字钢,铺设间距1 0m左右,横梁的穿入要基本垂直于线路,先中间后两侧。沿线路方向在线路两侧采用I45a工字钢的纵梁,共3根。线路之间局部地段打设直径1200mm的支撑桩。

(排水涵入口位于隧道一侧边墙附近,隧道开挖前可对排水涵和隧道之间土体进行注浆加固。盖板涵离隧道较近端也可进行注浆加固。

)针对上部填方路基存在滑坡可能,必须采取措施对边坡进行加固,加固点深入到原岩。

3)隧道施工应严格按新奥法原理进行信息化施工,必须加强监控量测,本工程监控量测系统分为以下部分:

∃暗挖隧道结构整个施工期间的内力及变形进行监控量测。

%既有铁路及路基施工期间的监控量测:本监测项目主要监测侯月线铁路路基及铁轨沉降及相对沉降情况,在垂直隧道轴线方向每5m设一铁轨沉降观测断面,铁轨上沉降观测计算点的布置应遵循铁路部门的相关规定,主要控制标准均应遵循铁路部门各技术要求。

&既有排水涵洞和人行涵洞的监控量测:隧道开挖施工期间应加强对两个涵洞的沉降监测。人行涵洞位于公路隧道斜上方,为浆砌片石墙身盖板涵,对沉降变形比较敏感,为确保过往行人的安全应加强变形观察和监测。

4)为保证铁路大动脉的绝对安全,铁路方面应采取以下工程措施:

∃对既有线路应采用扣轨加固,加固区域应延伸到穿越部分两侧各∗20m。

%施工期间应保持对铁路线路的实时监控量测,依据沉降数据,及时调整道砟厚度,保证线路平顺。

&如有可能,应考虑并采取列车减速慢行措施。隧道施工会引起铁路轨面沉降,使线路不平顺,加大冲击荷载;因此列车通过时应减速慢行,同时还可以减小对地层的扰动。

∋为提高路基的刚度,降低地层对地下施工的敏感性,应对线路下地层进行注浆加固,注浆材料可采用水泥单液浆。

(隧道施工完成后至少三个月内,仍然要保持监测;确定地层变形收敛完成后,方可解除监测,否则应延续监测并采取措施。

5)加强工程抢险应急预案建设,根据现场的实际情况,应设立必要的工程应急预案,具体内容如下:∃施工单位应和铁路工务部门密切配合及时补填路基道砟并捣密,确保铁路在施工中的安全运营。

%铁路路基沉降过大时,应在隧道内拱部范围打设径向小导管进行顶升注浆,控制路基沉降,并保证多台泵同时顶升,不能单泵作业。

&根据现场监测情况,铁路路基沉降影响过往列车通行的的安全时,应通知单位提前采取封闭铁路措施。

∋根据现场监测情况,铁路箱涵变形影响过往行人安全时,应通知相关单位提前采取封闭箱涵措施。

参考文献

[1]北京迈达斯技术有限公司.MIDAS GTS用户手册[R].北京:北京迈达斯技术有限公司,2005

[2]中铁工程设计咨询集团有限公司.山西省泌水县龙脖山隧道(下穿侯月线路段)初步设计[R].北京:中铁工程设计咨询集团有限公司,2005.

(责任审编 王天威)

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