南水北調(diào)工程天津干線下穿京九鐵路隧道工程設(shè)計(jì)

王東來 黃福才 李斌

摘要：為研究和解決南水北調(diào)天津干線工程下穿京九鐵路隧道施工安全問題，采用有限元軟件對隧洞開挖過程進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)行了隧洞防滲設(shè)計(jì)和鐵路加固設(shè)計(jì)，最大限度地克服施工期間箱涵與鐵路運(yùn)營之間的相互干擾，保障施工安全。設(shè)計(jì)方案體現(xiàn)了臨時(shí)支護(hù)拆除量少，成洞質(zhì)量高、速度快，對列車限速時(shí)間短等特點(diǎn)，既減少了施工對鐵路運(yùn)營造成的影響，又保證了天津干線箱涵輸水運(yùn)行及檢修安全。推薦的設(shè)計(jì)方案在京廣鐵路和津霸鐵路上進(jìn)行了推廣使用。

關(guān)鍵詞：天津干線；京九鐵路；分離式小凈距；分離布置；雙結(jié)構(gòu)形式；暗挖

中圖分類號：U459；TV68 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1683（2014）06-0196-04

1 工程概況

和有涯輸水段，設(shè)計(jì)斷面主要為單聯(lián)3孔4.4 m×4.4 m現(xiàn)澆混凝土箱涵，設(shè)計(jì)流量為50 m3/s，加大流量為60 m3/s。其中，下穿京九鐵路隧道工程位于有壓流輸水段內(nèi)。

京九鐵路為國鐵Ⅰ級干線，是北京至九龍的主要客運(yùn)及貨運(yùn)通道，近南北向，上下行線間距為4.27 m，上行線軌面高程為12.14 m，線路縱坡為3‰；下行線軌面高程為12.14 m，線路縱坡為3‰；路基頂面寬13.44 m，路基邊坡坡率為1 ∶ 1.5。京九鐵路為非電氣化鐵路，路基兩側(cè)沒有電化立柱。橋位均與鐵路線兩側(cè)通信光纜、電纜相交叉。

天津干線與京九鐵路軸線夾角約為87°，穿越處京九鐵路位于直線上，交叉段地處華北平原東部，屬河北沖積平原。場區(qū)范圍內(nèi)地形平坦、開闊，地面高程8.6～9.3 m，耕地和林木較多。

下穿隧道工程段地表出露及鉆孔揭露的地層為第四系全新統(tǒng)（Q1）松散堆積物，以中細(xì)砂、粉砂及細(xì)砂為主，局部夾少量粉土、壤土等透鏡體。隧道底板位于地下水位以下處于飽和狀態(tài)的粉砂及細(xì)砂層中。工程區(qū)最大凍土深度為0.67 m。建筑物區(qū)勘探期間地下水位埋深12.6～12.8 m，高程-4.14～-4.43 m，地下水位變幅1～2 m。地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，以第四系地層孔隙潛水的形式存在。

2 隧道工程布置

為保證開挖線距鐵路路基坡腳最小保持3.5 m間距的設(shè)計(jì)原則，確定穿越段洞身軸向全長30 m。穿越段建筑物由兩部分組成：穿越段主體工程及其外圍工程。隧道拱頂至地表高度為2 m，距鐵路軌底高度為5.11 m。 工程縱斷面布置見圖1。

3 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 隧道主要襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)

依據(jù)暗挖工法，本工程采用的斷面為分離式小凈距三孔暗挖隧道形式，其過水?dāng)嗝嫦嗷シ蛛x，支護(hù)各成體系，施工期間相互無干擾，臨時(shí)支護(hù)拆除量很少，成洞質(zhì)量高，速度快，對列車限速時(shí)間短[1-3]。

每孔斷面為帶仰拱直墻式暗挖隧道形式，每孔內(nèi)最大凈跨度為7.5 m，凈高為9.55 m。兩孔中心線間距為17.5 m，中間凈土柱寬度不小于10 m。具體隧道橫斷面布置見圖2。

根據(jù)交叉位置處地質(zhì)資料、水文條件、埋置深度、斷面寬度和施工條件等，采用錨桿噴射混凝土作為永久襯砌。噴射混凝土厚度35 cm，分兩次噴射。頂拱、邊墻設(shè)置錨桿，長度2～3 m，間距1 m，最外側(cè)配置一層鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑采用10 mm，網(wǎng)格間距為20 cm，必要時(shí)還需設(shè)置鋼架支護(hù)。二次襯砌應(yīng)在地層和初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的情況下進(jìn)行，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)置封閉式防水隔離層。設(shè)計(jì)時(shí)按組合結(jié)構(gòu)考慮，二次襯砌只考慮承受徑向應(yīng)力。

本隧道為超淺埋小凈距土質(zhì)隧道，地表荷載、列車荷載及拱頂圍巖自重對結(jié)構(gòu)的影響明顯，拱部圍巖彈性應(yīng)力圈自穩(wěn)能力較差。對此類圍巖，超前支護(hù)尤為重要。大直徑夯管帷幕法是近似于大管棚超前支護(hù)法的一種施工方法， 500 mm直徑的大管棚，與已經(jīng)形成的主體結(jié)構(gòu)和未開挖的土體，形成4 m縱向長度的簡支梁結(jié)構(gòu)，其支護(hù)強(qiáng)度滿足拱部全部荷載。利用特殊的夯管設(shè)備，沿隧道輪廓線向隧道縱向夯入帶有連接導(dǎo)向裝置的 500 mm鋼管，鋼管夯通后利用風(fēng)壓將管內(nèi)土壤壓出，然后向鋼管內(nèi)填注有壓細(xì)石混凝土。鋼管和有壓細(xì)石混凝土形成水平的鋼管混凝土帷幕[4-5]。

隧道開挖施工過程中，分別采用邊墻超前注漿錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、格柵鋼架等措施進(jìn)行施工支護(hù)。

隧道施工時(shí)采用雙向作業(yè)，由于各洞之間土柱凈寬度設(shè)計(jì)為10 m，故三個(gè)隧道可同時(shí)開挖施工。各隧道采用臺階法分步開挖，臺階間距為4 m，一次開挖長度為4 m，臨時(shí)仰拱為反拱形式，將上臺階活動荷載以壓應(yīng)力的形式傳遞到邊墻上，更好地控制拱頂?shù)某两?。拱墻設(shè) 10 mm× 10 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距200 mm×200 mm。邊墻設(shè)3 m長的超前注漿小導(dǎo)管，錨桿間距為400 mm×400 mm，梅花型布置。設(shè)2榀/m的四邊形格柵鋼架，并噴射35 cm厚的C20噴混凝土。

模筑襯砌采用C30防水鋼筋混凝土，模筑厚500 mm，鋼筋型號為HRB335i，鋼筋混凝土的抗?jié)B指數(shù)不小于0.8 MPa，抗蝕指數(shù)不小于0.8。

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，采用有限元計(jì)算軟件將隧道襯砌模擬為擱置于彈性地基梁上有限元桿系進(jìn)行計(jì)算[6-8]。計(jì)算中分7步開挖，最終開挖成洞的計(jì)算簡圖見圖3。經(jīng)計(jì)算可知，仰拱及邊墻出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最大內(nèi)力出現(xiàn)在邊墻和仰拱的交接處；按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行配筋，可滿足其承載力的要求；地表最大沉降量為14.5 mm。

3.2 隧道防滲水設(shè)計(jì)

（1）噴層和模筑襯砌之間設(shè)置全斷面防水板，并配合注漿防水，模筑襯砌應(yīng)采用防水混凝土，必要時(shí)可采用補(bǔ)償收縮混凝土[9]。模筑襯砌應(yīng)考慮承受全部靜水壓力，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定模筑襯砌的配筋，并且至少要滿足最小配筋率的要求。

（2）沿隧道縱向在兩側(cè)邊墻頂部設(shè) 50 mm軟式透水管，縱向坡度與隧洞坡度一致，將地下水引出洞外。

（3）水平及環(huán)向施工縫處設(shè)置20 mm×30 mm（厚×寬）遇水膨脹止水條。

（4）洞外漸變段與洞身銜接處設(shè)變形縫一道，澆灌銜接干線暗渠混凝土之前需在襯砌周邊設(shè)紫銅片金屬止水帶。

（5）處理好三縫的防水，施工縫設(shè)止水帶，防水板接頭不宜設(shè)于施工縫處。

（6）防蝕措施，利用結(jié)構(gòu)鋼筋作為雜散電流的導(dǎo)流網(wǎng)進(jìn)行疏解。

（7）鋼筋混凝土的抗?jié)B指數(shù)不小于0.8 MPa，抗蝕指數(shù)不小于0.8[10]。

4 隧道施工方案

根據(jù)地形、地質(zhì)條件，經(jīng)過對大管棚超前支護(hù)頂進(jìn)施工法和大管棚超前支護(hù)暗挖法進(jìn)行分析論證，交叉工程擬采用暗挖隧道下穿鐵路。

針對隧道長度、圍巖類別，以及開挖方式，確定隧道洞身施工采用礦山法施工。

具體施工方法及步驟如下。

（1）管棚支護(hù)。

隧道拱頂至地面最小厚度為2 m，為粉質(zhì)黏土，自穩(wěn)能力差，并且暗渠開挖面積大，這些因素會導(dǎo)致頂板（鐵路路基）松動、下沉。因此，在隧道進(jìn)出口處開挖土方時(shí)，挖掘到坡角時(shí)，從隧道兩側(cè)沿隧道拱頂布置管棚。

管棚的布置形狀：沿隧道拱頂輪廓線布置，并考慮夯管夯入偏差。從隧道兩側(cè)分別夯入，在中部有空隙的對接[11]。

管棚參數(shù)：管棚為熱軋無縫鋼管，外徑500 mm，壁厚14 mm，每根長25 m，外露0.5 m。管棚內(nèi)灌注細(xì)石混凝土。每根管上帶有導(dǎo)向連接器。

夯管錘：采用TT450夯管錘，直徑450 mm/510 mm，長度2 850 mm，重量2 465 kg；耗氣量35 m3，沖擊次數(shù)180次/min。此夯管錘適用直徑為380～2 000 mm，夯擊力為1 160 t/次。選用26.5空壓機(jī)。

上下臺階的開挖及支護(hù)：采用短進(jìn)尺、及時(shí)支護(hù)、及時(shí)架設(shè)臨時(shí)仰拱的原則施工。上下臺階相差步距不大于2 m。待上下臺階挖至同一里程后，先澆筑仰拱及邊強(qiáng)，當(dāng)鋼筋混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后，拆除臨時(shí)仰拱，再及時(shí)澆筑混凝土，封閉二襯[12]。

（2）架設(shè)鋼架。

對開挖面先噴射35 mm厚的噴混凝土，而后架設(shè)格柵鋼架，縱向間距2榀/m。鋼架縱向連接筋為 22 m，環(huán)向間距0.5 m。

在路基影響段內(nèi)，每一組線路按18 m計(jì)，格柵鋼架改為I20型鋼鋼架，以增加防護(hù)。為更好的控制沉降或防止圍巖塌落，架設(shè)型鋼鋼架時(shí)可采取以下措施：在開挖之后沿輪廓線挖出一槽，將鋼架嵌入，起到預(yù)先支護(hù)、防止坍塌的作用。

（3）掛網(wǎng)錨噴。

在暴露圍巖表面噴射混凝土，一則封閉注漿面，二則支護(hù)開挖面。鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格0.15 m×0.15 m，鋼筋直徑為6.5 mm和8 mm。噴層總厚度350 mm，標(biāo)號為噴射C20混凝土。

當(dāng)開挖洞身中部的砂層時(shí)，可適當(dāng)加大注漿量，對圍巖強(qiáng)度進(jìn)行改善。

（4）暗渠洞身永久支護(hù)方式。

暗渠洞身采用C35號模筑防水鋼筋混凝土[13]襯砌，采用先仰拱后拱墻的工序施工。為保證澆筑二襯的混凝土質(zhì)量及防水板的鋪設(shè)，在澆筑前對初支采用聚氨脂堵漏，保證初支無漏水現(xiàn)象；澆筑時(shí)，預(yù)留注漿孔，對模筑襯砌與防水層之間的空隙進(jìn)行充填式注漿[14]。

5 鐵路加固方案

首先在線路上采用扣軌加固，扣軌組合方式不低于3-5-3扣，扣軌采用43軌。然后在路基兩側(cè)設(shè)置鉆孔樁，鉆孔樁上設(shè)置冠梁，將線路一側(cè)的樁連接起來，形成支撐；將線路上的混凝土軌枕更換為木枕，橫梁采用I45b工字鋼，每隔一根木枕穿一根橫梁。橫梁的兩端支承在兩側(cè)的帽梁上，并用U型螺栓或預(yù)埋鋼筋與冠梁連接牢固。由于寬度較大，高度較高，故在加固中應(yīng)加強(qiáng)縱橫向工字鋼的剛度，以確保行車安全。

由于洞頂距離地面較淺，根據(jù)我國一些鐵路隧道的地層加固技術(shù)，地表錨桿是一種有效的地層加固措施[15]。為了保證預(yù)加固效果，錨固砂漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%以上后才可進(jìn)行下方洞體開挖。錨桿直徑采用22 mm；長度采用2～5 m，錨桿間距采用1.5 m，垂直設(shè)置，按梅花形布置；安置地面錨桿的鉆孔直徑不小于50 mm；采用全長粘結(jié)型普通水泥砂漿錨桿。

6 結(jié)語

京九鐵路是連接北京與九龍的主要客運(yùn)及貨運(yùn)通道，同時(shí)本工程隧道尺寸較大，且地質(zhì)條件復(fù)雜，增大了隧道暗挖施工的難度。因此減少施工過程中對鐵路運(yùn)營造成的影響，是本工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本工程采用的隧道結(jié)構(gòu)與輸水箱涵結(jié)構(gòu)分離布置的雙結(jié)構(gòu)形式，受力明確，便于施工。

南水北調(diào)工程關(guān)乎國計(jì)民生，設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命達(dá)到百年，運(yùn)行的安全至關(guān)重要，通過采用上述措施，即保證了鐵路運(yùn)營的安全，又可保障天津干線箱涵長期輸水運(yùn)行的安全。通過頂進(jìn)隧道暗挖施工方法在本工程的成功應(yīng)用，證明暗挖施工具有技術(shù)上比較成熟、施工進(jìn)度快、對既有線路影響小等優(yōu)點(diǎn)。只要采取必要的安全防護(hù)措施，完全可以克服隧道偏高所帶來的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，保證鐵路的安全。在天津干線后期的建設(shè)過程中，京廣鐵路和津霸鐵路穿越施工也成功的采用了這種方法，實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)是一種安全穩(wěn)妥的施工保證。

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