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        下穿鐵路的大跨度隧道支護(hù)形式適應(yīng)性研究

        2021-03-31 01:40:38楊建烽
        四川建筑 2021年1期
        關(guān)鍵詞:施作鐵軌軌道

        楊建烽

        (西南交通大學(xué),四川成都 610031)

        隨著我國交通的發(fā)展,國內(nèi)各城市存在許多城市、城際交通互相穿越的工程[1],線路立交下穿的交叉形式有助于交通環(huán)境與交通組織的管理,但也對既有結(jié)構(gòu)的變形控制提出了挑戰(zhàn)。修建下穿結(jié)構(gòu)時,考慮到經(jīng)濟(jì)性與對穿越結(jié)構(gòu)的變形控制難度,會比選不同形式的支護(hù)結(jié)構(gòu),選擇更利于下穿控制的支護(hù)形式[2-3]。因此,有必要分析采用不同支護(hù)形式修建下穿隧道對既有結(jié)構(gòu)影響的變形規(guī)律,以此評估不同支護(hù)形式在下穿工程中的適應(yīng)性。

        1 工程概況

        國內(nèi)某擬建的軟巖地段修建地鐵出入線段下穿上方普速鐵路工程,普速鐵路的下穿節(jié)點(diǎn)里程為K35+385。本工程分別比選噴錨支護(hù)、整體式襯砌與復(fù)合式襯砌等支護(hù)形式,以此選擇下穿鐵路的大跨度隧道的合適支護(hù)形式。

        大跨度隧道截面為三心圓加仰拱的形式,最大洞寬為15.7 m,最大洞高為12.3 m。新建工程所比選的隧道支護(hù)形式分別如表1所示。

        表1 比選支護(hù)形式

        2 建立模型

        本文計(jì)算采用有限元計(jì)算軟件Midas GTS NX,計(jì)算模型(圖1)長寬高尺寸為80 m×120 m×70 m。隧道拱頂埋深22 m,鐵路路基高8.75 m。

        采用實(shí)體單元模擬圍巖、隧道土體及路基,梁單元模擬鐵路鋼軌,桁架單元模擬錨桿,板殼單元模擬噴混及模筑混凝土。四周及底面設(shè)置法向位移邊界,頂部自由。

        圖1 計(jì)算模型

        2.1 圍巖參數(shù)

        地勘報(bào)告所提供的土體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

        表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

        2.2 支護(hù)參數(shù)

        本工程支護(hù)比選中采用了相同等級的錨桿、噴射與模筑混凝土,物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

        表3 支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

        3 模擬結(jié)果及分析

        不同形式的隧道支護(hù)對下穿體系而言是不同路徑的卸載過程,會導(dǎo)致路基及軌道變形,因此通過分析路基變形及軌道的位移來評價支護(hù)的適應(yīng)性。

        3.1 隧道軸線上方變形分析

        以開挖后的隧道軸線上方地表變形進(jìn)行分析,可以體現(xiàn)隧道開挖對正上方地表變形的影響。各支護(hù)工況下開挖完成后地表變形曲線見圖2。

        圖2 地表變形曲線

        圖2中縱軸為地表沉降,橫軸為模型縱向距離,其中40 m附近為下穿節(jié)點(diǎn)。根據(jù)圖2看出,與自由平面地表不一樣的是,地表的鐵路路基對地表有加固作用,路基有使K35+385斷面下穿處地表變形減小的趨勢,使地表形成上拱,路基沉降在不同支護(hù)形式下約減小0.3~0.5 mm。另外根據(jù)沉降大小的比較,可以看出復(fù)合式襯砌對地表的影響是最小的,K35+385斷面處沉降為1.29 mm;噴錨支護(hù)與整體式支護(hù)影響接近,噴錨支護(hù)的下穿節(jié)點(diǎn)沉降為1.91 mm,整體式襯砌的沉降為1.93 mm。

        3.2 施工后鐵軌變形分析

        施工開挖后,鐵路路基上靠近先開挖方向的鐵軌變形最大,以其為研究對象分析影響。以復(fù)合式襯砌施作后的最大鐵軌變形(圖3)為例,可以看出下穿開挖對鐵路影響較大區(qū)域?yàn)镵35+385斷面前后約50 m的范圍,下穿節(jié)點(diǎn)上方為最大沉降為1.31 mm,變形斜率最大范圍為前后距離20 m處,線路軌道最大10 m弦高低偏差為0.37 mm。

        圖3 最大鐵軌變形(施作復(fù)合式襯砌)

        根據(jù)各支護(hù)形式下的鐵軌變形曲線(圖4)可以看出施作不同形式的支護(hù)對上方軌道變形影響基本一致,上方軌道變形均呈U型曲線,最大變形及最大變形斜率基本相同,施作復(fù)合式襯砌對鐵軌變形影響較小,噴錨支護(hù)與整體式襯砌影響較大且相似。

        3.3 施工過程鐵軌變形分析

        以鐵軌K35+385處斷面為監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測隨下穿開挖的鐵軌變形過程(圖5),橫軸為隧道開挖距離。

        圖4 各支護(hù)形式的最大鐵軌變形曲線

        圖5 施工過程監(jiān)測點(diǎn)變形曲線

        由圖5可以看出,整個施工過程中復(fù)合式襯砌所造成的鐵軌變形均是最小的,但根據(jù)與最大變形的比值可以得知,噴錨支護(hù)形式達(dá)到最大變形的80 %、90 %是最早的,分別是開挖至56 m及64 m處,整體式襯砌落后2~4 m,復(fù)合式襯砌落后2~6 m。采取噴錨支護(hù),鐵軌變形達(dá)到穩(wěn)定的時間更早。

        4 結(jié)論

        本文通過模擬采用不同支護(hù)形式修建大跨度隧道對軌道的影響進(jìn)行適應(yīng)性分析,得出以下結(jié)論:

        (1)鐵路路基對地表有加固作用,可使下穿處地表變形減小,且復(fù)合式襯砌對地表的影響最小。

        (2)不同形式支護(hù)對軌道變形影響基本一致,最大變形及最大變形斜率的位置基本相同,施作復(fù)合式襯砌對鐵軌變形影響最小。

        (3)采取噴錨支護(hù),鐵軌變形穩(wěn)定的時間最早,整體式襯砌次之,復(fù)合式襯砌最晚。

        (4)綜合變形及穩(wěn)定時間分析,支護(hù)成本接近時,復(fù)合式襯砌對此類大跨度下穿工程適應(yīng)性更佳。

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