三孔小凈距隧洞下穿鐵路干線地表沉降控制基準(zhǔn)研究

付書鋒

(中鐵六局集團(tuán) 石家莊鐵路建設(shè)有限公司，河北 石家莊　050010)

?

三孔小凈距隧洞下穿鐵路干線地表沉降控制基準(zhǔn)研究

付書鋒

(中鐵六局集團(tuán) 石家莊鐵路建設(shè)有限公司，河北 石家莊050010)

摘要：以南水北調(diào)中線一期工程下穿京九鐵路隧洞工程為背景，以鐵路軌道靜態(tài)容許偏差管理值和容許高低傾斜值為基礎(chǔ)，結(jié)合工程特點(diǎn)，通過對(duì)比經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提出了三孔小凈距隧洞下穿鐵路干線地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，并采用總控制指標(biāo)與分階段控制指標(biāo)相結(jié)合的方式建立監(jiān)控量測(cè)管理標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際工程通過采用系列控制措施，施工全過程可控，實(shí)測(cè)地表沉降小于控制標(biāo)準(zhǔn)值，保證了鐵路正常運(yùn)營安全、隧洞施工安全和施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：三孔小凈距隧洞；下穿鐵路；地表沉降；控制基準(zhǔn)

0引言

隨著各種基礎(chǔ)設(shè)施工程的發(fā)展，以隧道方式下穿各種既有建(構(gòu))筑物的近接工程越來越多，工程也日趨多樣化和復(fù)雜化。這類工程具有覆土埋深淺、地層松散破碎、對(duì)地表沉降要求特別嚴(yán)格等普遍特點(diǎn)。如工程措施或施工控制不到位往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和極不利的社會(huì)影響。根據(jù)不同工程特點(diǎn)制定適應(yīng)具體工程的地表沉降控制基準(zhǔn)，是制定工程措施的依據(jù)，也是工程安全的保證。目前國內(nèi)大多類似工程中往往是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)籠統(tǒng)地確定地面沉降控制值為30 mm[1]。實(shí)際上，具體工程環(huán)境條件不同，工程本身?xiàng)l件不同，其地表沉降的控制值應(yīng)有所不同。

以隧道(洞)方式下穿既有鐵路，主要矛盾集中在隧道(洞)開挖施工及工后沉降對(duì)既有鐵路運(yùn)營安全的影響，如地表沉降過大，將引起路基下沉、道床下沉、軌道下沉、軌道不平順，進(jìn)而影響到既有鐵路的運(yùn)營安全[2]。軌道下沉及不平順是影響鐵路運(yùn)營的直接指標(biāo)，洞室、地表、路基及道床位移控制均應(yīng)服從于軌道結(jié)構(gòu)位移控制指標(biāo)，從而保證列車運(yùn)行安全。因此，在制定控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)以軌道結(jié)構(gòu)的要求出發(fā)。

鐵路安全部門要求施工期間應(yīng)每天對(duì)線路進(jìn)行檢查和保養(yǎng)，因此對(duì)鐵路線路的變形控制可按《鐵路線路修理規(guī)則》(鐵運(yùn)[2006]146號(hào))[3]規(guī)定取值。該規(guī)則規(guī)定了經(jīng)常保養(yǎng)狀態(tài)下軌道靜態(tài)幾何尺寸允許偏差管理值，該管理值可作為工程施工日變形量限值，也即軌道變形控制指標(biāo)限值。不同線路等級(jí)和設(shè)計(jì)時(shí)速條件下，其允許偏差值不同。

1依托工程概況

圖1　單孔隧洞結(jié)構(gòu)形式及地質(zhì)柱狀圖(單位：mm)

南水北調(diào)中線一期工程天津干線工程在XW88+133處下穿京九鐵路(120 km/h)，隧洞軸線與鐵路軸線夾角87°。隧洞斷面形式為分離式小凈距三孔暗挖隧洞形式，單孔洞身長42 m，其中暗挖段長32 m，明挖段長10 m。每孔斷面形式最大跨度為7.5 m，高9.95 m。每?jī)煽字虚g凈土柱寬度10 m。隧道拱頂至地面最小高度僅為1.69 m，距鐵路路肩高度為4.33 m。工程區(qū)域內(nèi)主要位于粉、細(xì)、中砂層等，隧洞拱頂處填土層結(jié)構(gòu)松散，土體自穩(wěn)能力差，圍巖分級(jí)為Ⅵ級(jí)。結(jié)構(gòu)上方鐵路線列車行車頻繁，路基震動(dòng)大，隧道開挖多次擾動(dòng)有可能導(dǎo)致鐵路路基沉降超標(biāo)，影響既有線設(shè)備的正常運(yùn)營。如圖1為單孔隧洞結(jié)構(gòu)形式及地質(zhì)柱狀圖。

2既有線軌道變形允許的偏差及沉降變形傾斜率

下穿既有鐵路線路的隧道施工引起地表沉降對(duì)既有鐵路線路的影響主要表現(xiàn)在：一是可能引起軌道相對(duì)高差超限(即線路兩股鋼軌頂面的相對(duì)高差，也即水平偏差)；二是有可能引起鋼軌沿線路方向的豎向平順性超限(高低偏差：指沿線路方向的豎向平順性，10 m弦測(cè)量的最大矢度值)。隧道正交或較大角度斜交下穿鐵路施工時(shí)，一般情況下，沿線路方向前后高低偏差是主要控制因素[4-6]。

一般情況下，當(dāng)水平偏差超限時(shí)，可能引起車輛運(yùn)行過程中左右擺動(dòng)和鋼軌受力不均，從而引起鋼軌不均勻磨損；三角坑的存在將引起一側(cè)車輪懸空或減載。而當(dāng)高低不平順時(shí)可能引起車輛運(yùn)行過程中的上下起伏，其危害性更大，其破壞作用與高低偏差值成正比，與不平順長度成反比，一般要求以10 m弦長的高低偏差和軌向偏差值來確定。

《鐵路線路修理規(guī)則》(鐵運(yùn)[2006]146號(hào))[3]規(guī)定了軌道靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的幾何尺寸容許偏差管理值。

通常情況下，軌道結(jié)構(gòu)可視為沿線路方向的無限長柔性結(jié)構(gòu)，軌道結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律與地表變形規(guī)律是一致的，因此認(rèn)為對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的變形控制值與對(duì)地表的變形控制值是一致的。

根據(jù)鐵路線路的不平順值，以鐵路軌道允許的傾斜值來表達(dá)

[f]=[δ]/L

(1)

式中，[f]為軌道允許的高低傾斜值；[δ]為鐵路軌道允許弦長量測(cè)的最大矢度值；L為量測(cè)弦長。

根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》中軌道靜態(tài)和動(dòng)態(tài)經(jīng)常保養(yǎng)的容許偏差管理值代入式(1)，可得軌道靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的高低和水平傾斜值，如表1。

表1　鐵路軌道容許的高低和水平傾斜值

由表1可見，不同等級(jí)和不同設(shè)計(jì)時(shí)速鐵路容許的高低傾斜值及水平傾斜值不同，靜態(tài)條件和動(dòng)態(tài)條件不同，靜態(tài)條件下容許的傾斜值要求高于動(dòng)態(tài)條件下容許的傾斜值要求。隧道下穿施工中對(duì)軌道水平偏差和軌向偏差的影響很小，因此以靜態(tài)條件下軌道容許的高低傾斜值(0.000 6)為控制基準(zhǔn)，從而進(jìn)一步確定地表沉降控制基準(zhǔn)。

3經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)值計(jì)算結(jié)果

墨西哥學(xué)者Peck根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)提出的隧道施工引起的地表沉降曲線，可作為地表沉降規(guī)律分析的對(duì)比方法之一。Peck曲線呈下態(tài)分布，其曲線近似描述如圖2所示。其方程為

(2)

圖2　地表沉降橫向預(yù)測(cè)示意圖

式中，x為距隧道中心線地距離；S為距隧道中心線為x的地表沉降量；Smax為隧道中心線處最大沉降量；i為沉降槽寬度系數(shù)，可由下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

(3)

式中，H為覆土厚度；R為隧道水力半徑。

圖2中W為沉降槽寬度，Cording(美國)等人根據(jù)莫爾-庫侖理論，推導(dǎo)出W與i滿足W=5i的關(guān)系。

根據(jù)本工程三孔小凈距隧洞的實(shí)際情況，采用開挖面積等效法換算單個(gè)隧洞水力半徑R=4.67 m，地層加權(quán)平均內(nèi)摩擦角φ=22.5°，隧洞洞頂覆土層厚度H=4.33 m，由式(3)得單個(gè)隧洞沉降槽寬度系數(shù)i=5.37 m，則沉降槽寬度為26.85 m。對(duì)于三孔隧洞可采用疊加方法，將i=5.37 m代入式(2)，得

(4)

式中，Smax為單孔隧洞中心線處最大地表沉降量，17.5為相鄰隧洞中心間距(m)。

如圖3為按Perk經(jīng)驗(yàn)公式，單孔隧洞與三孔隧洞疊加后地表沉降曲線。因單孔隧洞影響半徑(13.43 m)小于相鄰隧洞中心間距(17.5 m)，故疊加后的地表沉降最大值與單孔隧洞的地表沉降值Smax基本相當(dāng)，邊洞及中洞的最大地表沉降值分別為1.005Smax、1.010Smax，三孔疊加后地表沉降影響范圍約為68m。

圖3　按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算三孔隧洞地表沉降曲線

為研究三孔隧洞開挖施工引起的既有鐵路地表沉降分布規(guī)律，研究中建立三維有限元模型，采用有限元程序?qū)κ┕?shí)際工況(邊洞超前中洞20m施工)進(jìn)行模擬分析，地表計(jì)算地表沉降分布規(guī)律如圖4所示。計(jì)算結(jié)果顯示，地表最大沉降為7.9mm，沉降槽寬度約94m。

圖4　計(jì)算地表沉降分布規(guī)律

4暗挖隧洞下穿鐵路干線地表沉降控制基準(zhǔn)

通過上述分析，暗挖隧洞下穿鐵路干線地表沉降控制基準(zhǔn)應(yīng)以軌道靜態(tài)容許高低傾斜值為控制基準(zhǔn)。根據(jù)式(2)的數(shù)學(xué)意義，曲線在x=i處為反彎點(diǎn)位置，此處斜率取得最大值，其最大值為

可得[Smax]≤5.3 mm。

實(shí)際上按式(2)計(jì)算的地表沉降的影響范圍偏小，造成三孔隧洞施工基本上不存在相互影響，這與工程實(shí)際不相符。

如采用模擬計(jì)算結(jié)果，由單個(gè)隧洞W=5i，則i=(94-35)/5=11.8m，則得到[Smax] ≤11.6mm。

以上計(jì)算結(jié)果是在假定軌道完全平順的情況下得出的，如考慮軌道初始不平順性，上述計(jì)算指標(biāo)應(yīng)適當(dāng)折減。研究中根據(jù)既有鐵路的修建年限、地層條件及既有軌道的平順程度，最終暗挖隧洞的地表沉降的控制值取為10mm。

結(jié)合具體工程，在確定地表沉降控制基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，建立如表2所示的監(jiān)控量測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)；并采用總控制指標(biāo)與分階段控制指標(biāo)相結(jié)合的方式建立Ⅲ級(jí)監(jiān)控量測(cè)管理標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表2　監(jiān)控量測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)表

表3　監(jiān)控量測(cè)管理標(biāo)準(zhǔn)

注：(1)管幕施工及地表加固階段控制項(xiàng)目包括地表隆起及軌頂位移；

(2)開挖支護(hù)及總控制項(xiàng)目包括地表沉降、軌頂位移、拱頂下沉、邊墻位移、底部隆起。

如表2及表3，在信息化施工過程中，監(jiān)控量測(cè)所得數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行分析整理，與上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，判定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和鐵路運(yùn)營安全性，將監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋到施工中，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施。在表3中Ⅲ級(jí)管理標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)以下安全等級(jí)：

Ⅲ級(jí)管理：可正常施工。

Ⅱ級(jí)管理：加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，適當(dāng)調(diào)整施工步序，并采取加強(qiáng)措施。

Ⅰ級(jí)管理：停止施工，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，調(diào)整施工計(jì)劃，必要時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。

5施工控制效果分析

實(shí)際施工中采用了Φ500超前管幕與注漿小導(dǎo)管聯(lián)合預(yù)支護(hù)技術(shù)、地層注漿加固技術(shù)、線路加固技術(shù)、四臺(tái)階預(yù)留核心土輔以水平橫撐開挖技術(shù)等施工控制技術(shù)措施。施工時(shí)對(duì)地表沉降、軌面高程、地層位移、電氣化網(wǎng)桿的傾斜和沉降、隧洞內(nèi)拱頂下沉、洞內(nèi)收斂、底部隆起監(jiān)測(cè)進(jìn)行不間斷測(cè)量監(jiān)測(cè)。通過及時(shí)的信息反饋，施工全過程可控。施工結(jié)束后實(shí)測(cè)最大地表沉降值6.2 mm，最大拱頂下沉7.5 mm，最大水平收斂11.9 mm，最大軌面隆起5 mm，最大軌面沉降8 mm。監(jiān)測(cè)結(jié)果均在控制范圍以內(nèi)，施工安全和施工質(zhì)量得以保證，同時(shí)保證了鐵路的正常行車安全。

參考文獻(xiàn)

[1]朱永全，宋玉香. 地下鐵道[M]. 北京：中國鐵道出版社，2012.

[2] 婁國充. 鐵路隧道下穿既有路基沉降規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2012.

[3] 中華人民共和國鐵道部. 鐵運(yùn)[2006]146號(hào) 鐵路線路修理規(guī)則[S]. 北京：中國鐵道出版社，2008.

[4] 李文江，劉志春，朱永全. 鐵路站場(chǎng)下暗挖隧道地表沉降控制基準(zhǔn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2005，26(7):1165-1169.

[5] 王劍晨，張頂立，張成平，等. 北京地區(qū)淺埋暗挖法下穿施工既有隧道變形特點(diǎn)及預(yù)測(cè)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(5)：947-956.

[6] 尚淑萍，胡玉嬌，徐彥妮. 基于既有線平順性淺埋暗挖隧道地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12(2)：95-99.

Research on the Surface Subsidence Control Standard of Small Spacing Three-hole Tunnels Underneath-crossing Trunk Railway

Fu Shufeng

(Shijiazhuang Railway Construction Co., Ltd., China Railway 6th Engineering Bureau Group, Shijiazhuang 050010,China)

Abstract:Based on the tunnel of south-to-north water transfer first-stage project underneath-passing Beijing-Kowloon railway, the surface subsidence control standard of small spacing three-hole tunnels is studied. According to the engineering characteristics and tolerance and inclination value of railway track, comparing the empirical formula result and numerical calculation result, the author puts forward the proposal of surface subsidence control standard of small spacing three-hole tunnels underneath-passing trunk railway and monitoring management standards of general and staged control indicators. In practical engineering, construction monitoring indicators are controlled by systematic technical control measure, and thus the railway operation safety and tunnel construction safety are ensured.

Key words:three pipes small spacing tunnels; underneath pass railway; surface subsidence; control standard

中圖分類號(hào)：TU94

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-0373(2016)01-0033-05

作者簡(jiǎn)介：付書鋒(1975-)，男，高級(jí)工程師，主要從事于土木工程施工現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理的研究。E-mail:

收稿日期：2015-03-15責(zé)任編輯:車軒玉

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.06

付書鋒.三孔小凈距隧洞下穿鐵路干線地表沉降控制基準(zhǔn)研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(1):33-37.