【摘 要】廈門(mén)杏林大橋主體工程C標(biāo)段，下穿鐵路隧道部分洞頂覆土厚度1.6～2.5m，采用直徑φ299mm管幕超前支護(hù)的施工方法。本工程通過(guò)對(duì)列車動(dòng)載對(duì)管幕施工摩阻力、精度的影響分析研究，首先從理論上得出相關(guān)結(jié)論并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，順利地完成了下穿鐵路隧道的管幕施工，有效地控制了管幕施工精度。

【關(guān)鍵詞】下穿鐵路隧道 列車動(dòng)載 超前管幕支護(hù) 摩阻力 精度影響 研究

一、工程概況

廈門(mén)杏林大橋主體工程C標(biāo)段，是連接杏林大橋和廈門(mén)高崎機(jī)場(chǎng)的公路過(guò)渡段。其中下穿鐵路隧道部分洞頂覆土厚度1.6m～2.5m，鐵路隧道左線長(zhǎng)78m，右線長(zhǎng)110m。暗挖隧道為分離式。隧道主體結(jié)構(gòu)采用單層單跨的微拱形，開(kāi)挖斷面13.37m寬×9.25m高。為控制地表及鐵路沉降，保證鐵路的安全、暢通，超前支護(hù)采用φ299mm×6mm鋼管管幕，并注漿加固掌子面地層，采用三層結(jié)構(gòu)形式，即由噴混凝土、工字鋼架、鋼筋網(wǎng)組成的初期支護(hù)與兩層模筑鋼筋混凝土組成。本工程科技含量高，施工難度大，被列為福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳2008年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃。

本工程隧道斷面設(shè)計(jì)如圖1所示，隧道與鐵路平面關(guān)系如圖2所示。

二、列車動(dòng)荷載對(duì)管幕施工影響

本工程上覆土厚度最為1.6m，施工期間，鐵路仍需正常運(yùn)營(yíng)，列車通過(guò)時(shí)對(duì)管幕的成孔、進(jìn)管均會(huì)產(chǎn)生影響，對(duì)控制管幕施工精度極為不利。本工程管幕施工采用導(dǎo)向鉆進(jìn)、前拉后夯的施工工藝，該工藝分為鉆導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔、進(jìn)管三部分，施工導(dǎo)向孔采用直徑φ159的鉆頭成孔，擴(kuò)孔采用不大于管幕鋼管的外徑擴(kuò)孔，然后進(jìn)行拉管。

（一）、列車荷載對(duì)管幕施工摩阻力影響

管壁與孔壁之間的摩擦力計(jì)算公式為：

式中：w-管壁與孔壁之間摩擦力

p-土對(duì)管線的壓力

p0-管線每米的重量

R0-主動(dòng)土壓力系數(shù)（一般取0.3）

f-土與管壁間的摩擦系數(shù)（取0.2～0.6）

L-管幕長(zhǎng)度

管幕按照110m考慮，通過(guò)計(jì)算不考慮列車荷載時(shí)最大摩阻力約630KN，考慮列車荷載作用時(shí)，最大摩阻力約1260KN。

本工程采用TT-350氣動(dòng)夯錘，該夯錘單次夯擊力3000～5000KN，夯擊力滿足施工。 （二）、列車荷載對(duì)管幕施工精度影響

本工程管幕施工允許誤差3‰，上方有列車動(dòng)載時(shí)管幕施工誤差控制更加嚴(yán)格。為明確本工程中考慮列車動(dòng)荷載管幕施工的合理允許誤差值，擬利用動(dòng)力有限元計(jì)算法進(jìn)行研究。

2.1 研究的總體思路

計(jì)算考慮兩條鐵路共同作用下不利情況。根據(jù)路基下動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)散特點(diǎn)（如圖3所示），即當(dāng)管幕埋深超過(guò)臨界深度h0時(shí)，相鄰兩條鐵路動(dòng)應(yīng)力在線路中間出現(xiàn)疊加，即最大動(dòng)位移位置出現(xiàn)在兩線路中軸線對(duì)稱的中心位置上（即觀察點(diǎn)A）；當(dāng)管幕埋深小于臨界深度h0時(shí)，該埋深下管幕端部出現(xiàn)最大動(dòng)位移的位置是鐵路正下方（即觀察點(diǎn)B），此時(shí)即使有多條鐵路，管幕最大動(dòng)位移也可以只按照一條鐵路考慮。

鑒于此，這里通過(guò)動(dòng)力有限元分析法，首先確定出動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)散角度，然后按照兩線路的最小允許間距找出管幕臨界深度h0，分小于和大于臨界深度h0的兩種工況。

2.2 動(dòng)力有限元模型及動(dòng)力計(jì)算參數(shù)

（1）動(dòng)力有限元模型

有限元模型如圖4 所示，其中地表作用有兩條鐵路線，按最小中心線間距4m布置。通過(guò)輸入不同車速下路基面上的不同反力譜來(lái)探討列車動(dòng)載對(duì)管幕施工的影響。模型中土體采用線彈性模型，管幕根據(jù)抗彎等效原則采用等截面的實(shí)心鋼管模擬。

（2）動(dòng)力計(jì)算參數(shù)

（3）輸入列車荷載

在管幕施工期間，客車限速80～90km/h，將機(jī)車通過(guò)道床下的動(dòng)荷載作為輸入荷載，并考慮三維實(shí)際與二維計(jì)算結(jié)果之間等效荷載折減系數(shù)0.5，確定出本計(jì)算分析中的輸入荷載形式及其大小，如圖5 所示。

圖5 等效列車荷載圖示

2.3 結(jié)果分析

通過(guò)分析可知，由于列車動(dòng)荷載大小、線路間距、管幕埋深和地質(zhì)條件不同，導(dǎo)致動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)散角度不同，從而鐵路下方管幕端部出現(xiàn)最大動(dòng)位移位置亦不同。為指導(dǎo)施工并保證施工精度，需定量地確定出管幕臨界深度h0。

通過(guò)分析最小間距條件下管幕施工控制的臨界深度，反推出動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)散角度，進(jìn)而利用線路間距、動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)散角度和臨界深度的幾何關(guān)系建立出該地質(zhì)條件下臨界深度的計(jì)算公式，并在此基礎(chǔ)上討論不同管幕入土深度和埋深條件下的最大允許偏差。

（1）動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)散角度及管幕施工控制臨界深度的確定

列車車速80km/h時(shí)，最小中心間距豎向動(dòng)應(yīng)力的分布如圖6 所示。

圖6豎向動(dòng)應(yīng)力分布情況 圖7 動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)散角示意圖

為找出臨界深度，可在動(dòng)荷載出現(xiàn)最大幅值時(shí)，觀察鐵路下方同一深度位置上的動(dòng)位移變化情況。盡管由于阻尼的存在，動(dòng)荷載最大時(shí)刻與動(dòng)位移最大時(shí)刻并非同一時(shí)刻（動(dòng)位移滯后于動(dòng)荷載），但在淺埋條件下偏差可忽略不計(jì)。

經(jīng)過(guò)分析可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)中心間距為4m，在列車車速80km/h（120km/h）引起的動(dòng)荷載最大幅值時(shí)刻，地表以下2.5m（3m）深度上下位置最大動(dòng)位移出現(xiàn)的位置不同，在埋深小于2.5m（3m）時(shí)，兩條鐵路線路中任意條鐵路正下方動(dòng)位移最大；而在埋深大于2.5m（3m）時(shí)，兩條鐵路中軸線正下方動(dòng)位移最大，如圖7 所示。

（a）列車車速80km/h （b）列車車速120km/h

圖4.17 動(dòng)荷載最大時(shí)刻不同深度位置的最大動(dòng)位移

利用公式（I）計(jì)算出不同荷載條件下動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)散角度。

（I）

列車車速80km/h（120km/h）時(shí)動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)散角度是26度（22度），可見(jiàn)列車動(dòng)載越大其引發(fā)的動(dòng)應(yīng)力向下擴(kuò)散的角度就越小，如圖8 所示。不同車速、不同線路間距下管幕施工控制的臨界深度列于表2中。

下面按施工期列車車速80km/h且線路間距按4m考慮來(lái)分析不同管幕入土長(zhǎng)度和埋深條件下的最大允許偏差。由上分析知，在鐵路間距4m，列車荷載在距地表2.5m處疊加。

（2）考慮動(dòng)荷載不同管幕進(jìn)尺和埋深條件下的最大允許偏差

當(dāng)管幕在臨界深度之下時(shí)，管幕最大動(dòng)位移發(fā)生在線路中間位置。由于精度控制標(biāo)準(zhǔn)與管幕進(jìn)尺的長(zhǎng)度成正比（管幕進(jìn)尺的3‰），雖然列車通過(guò)時(shí)管幕的動(dòng)位移最大值出現(xiàn)在線路中間位置。以下分別計(jì)算了埋深2.5m管幕進(jìn)尺到第一條鐵路和第二條鐵路下方時(shí)的動(dòng)位移，結(jié)果如圖9所示：

a） 管幕進(jìn)尺到第一條鐵路下方

b） 管幕進(jìn)尺到第二條鐵路下方

圖9 管幕豎向動(dòng)位移圖

從上可知，進(jìn)尺到第一條鐵路下方的管幕最大動(dòng)位移為11mm，第二種工況下管幕最大動(dòng)位移為15mm，兩種情況下的最大動(dòng)位移相差4mm。因此，以作用在第一條鐵路下方作為精度的控制點(diǎn)。

鑒于此，以管幕進(jìn)尺到第一條鐵路下方作為控制點(diǎn)，討論車速80km/h時(shí)，不同管幕進(jìn)尺和埋深條件下的動(dòng)位移所占偏差比例。具體結(jié)果見(jiàn)表3 。

由上可知，隨著管幕進(jìn)尺與埋深增加，列車荷載產(chǎn)生動(dòng)位移占施工總控制偏差的比例顯著減小。當(dāng)進(jìn)尺較短時(shí)（10m），動(dòng)位移占控制偏差比例最高達(dá)50%。如對(duì)于進(jìn)尺較短、埋深淺，除動(dòng)荷載外的其他施工因素導(dǎo)致的施工偏差應(yīng)控制在1.5‰。本工程管幕進(jìn)口處距離第一條鐵路正下方最小距離為9m，施工該位置管幕時(shí)應(yīng)特別注意動(dòng)荷載的影響。

三、采取的應(yīng)對(duì)措施

由以上分析可知，列車荷載對(duì)管幕的受力、精度均有不利影響。由于受力的增加，成孔過(guò)程中發(fā)生塌孔的概率增加。同時(shí)由于變形的增加，最終管幕向下的傾斜量也會(huì)增加。因此施工過(guò)程中必須采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

（一）、為避免成孔過(guò)程塌孔，采取如下措施：

3.1改變擴(kuò)孔方式，由導(dǎo)向時(shí)擴(kuò)孔改為進(jìn)管時(shí)擴(kuò)孔，并減少?gòu)某煽淄瓿傻竭M(jìn)管時(shí)間間隔；

3.2提前將設(shè)備、材料準(zhǔn)備好，擴(kuò)孔達(dá)到要求后立即進(jìn)行拉管作業(yè)。

3.3導(dǎo)向孔擴(kuò)孔施工至鐵路下方而有列車通過(guò)時(shí)，停止施工，避免列車荷載對(duì)管幕施工的影響。

3.4在列車荷載作用下，成孔、拉管過(guò)程中機(jī)械所受阻力增大約630KN，對(duì)施工機(jī)械的參數(shù)及機(jī)械安裝穩(wěn)定性提出更高要求。本工程夯管錘提供夯擊力為300～500t/次，因此認(rèn)為阻力增大不影響施工機(jī)械選擇。

3.5由于本工程右線隧道進(jìn)口左側(cè)距離鐵路近，該位置列車荷載對(duì)管幕施工精度的影響大，因此施工該位置管幕時(shí)采取相應(yīng)措施，如縮短單次進(jìn)尺、提高進(jìn)尺間的連接質(zhì)量等，以控制管幕的施工精度。

3.6本工程管幕尺寸φ229×6mm，直徑大而壁厚小，為避免列車荷載作用下管幕的變形，進(jìn)管完后盡快注漿以提高管幕剛度。

3.7在管幕施工前可對(duì)列車下方土層進(jìn)行注漿加固，以減少列車荷載對(duì)管幕施工的不利影響。

作者簡(jiǎn)介：何方，男，33歲，漢族。學(xué)歷：本科；職稱：工程師。單位：中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司廈門(mén)分公司。