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        高鐵黃土隧道近接下穿運營鐵路變形控制技術(shù)分析

        2022-05-05 13:35:50中鐵四局集團有限公司安徽合肥230000
        安徽建筑 2022年4期
        關(guān)鍵詞:圍巖變形施工

        張 超 (中鐵四局集團有限公司,安徽 合肥 230000)

        1 引言

        我國廣泛分布著黃土地層,黃土屬特殊土質(zhì),隧道開挖過程中,變形大、穩(wěn)定性差,特別是大斷面黃土隧道下穿既有建構(gòu)筑物時,造成地表沉降超限,給地表建構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全帶來了嚴重的影響。

        現(xiàn)已有若干隧道下穿建構(gòu)筑物的案例,如表1所示。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,黃土隧道下穿既有建構(gòu)筑物時,采用的施工方法主要是以CRD和雙側(cè)壁導坑法這類有臨時豎撐的分部開挖方法為主;臺階法等非減跨方法也有部分應用,但黃土性質(zhì)較差時,則難以保證地表沉降滿足要求。

        部分黃土隧道下穿既有建構(gòu)筑情況統(tǒng)計表 表1

        黃土隧道下穿既有建構(gòu)筑物時變形要求嚴格,設計中常采用中隔壁、交叉中隔壁、雙側(cè)壁導坑法等有豎向臨時支撐的分部開挖法,然而這類開挖方法分部多,施工速度慢,嚴重限制了大型機械的使用,臨時豎撐拆除的過程中又存在著“關(guān)門”風險。因此在黃土隧道下穿建構(gòu)筑物施工中,研究施工速度快、效率高、效益好的施工方法,是科研工作者和工程實施者的共同目標。針對黃土隧道變形控制的措施,國內(nèi)外大量學者進行了研究,認為初期支護快速閉合、提高支護剛度、增加超前支護、采用大拱腳支護等措施是可以有效控制圍巖變形的。

        2 依托工程

        2.1 工程概況

        銀(川)西(安)鐵路干堡隧道位于陜西省咸陽市永壽縣境內(nèi),隧道全長1969.62m,設計速度250km/h。隧道為單洞雙線隧道,開挖斷面160m2,最大埋深45m,屬于超大斷面隧道。DK105+013~DK105+097段下穿西(安)—平(涼)鐵路,設計時速120 km/h。兩線路中線夾角55°,隧道下穿影響段長度約84m,隧道埋深32m,線路位置關(guān)系如圖1所示。

        圖1 干堡隧道與西平鐵路空間位置圖

        干堡隧道所通過的地層主要為第四系新統(tǒng)風積黏質(zhì)黃土。

        2.2 初步設計情況

        隧道施工期間西平鐵路保持正常運營,根據(jù)《鐵路軌道工程質(zhì)量檢驗評定標準》(TB10413-2018)規(guī)定的軌道中線高程允許偏差量,將地表沉降控制值設置為30mm。設計建議采用雙側(cè)壁導坑法或交叉中隔壁法(CRD法),由于此兩種工法的施工效率難于滿足工期要求,同時本隧道穿越的黃土地層為Q2黏質(zhì)黃土,整體穩(wěn)定性較好,施工過程中是否可以減少開挖分部,通過增加控制變形輔助措施,達到變形控制的目的,進而提高施工效率。

        2.3 施工優(yōu)化情況

        基于以上背景,結(jié)合已有的研究成果,課題組提出如下方案:

        通過超長管棚加強超前支護,在上、中臺階設置臨時仰拱快速形成初期支護閉合,減少臺階長度等措施,應可實現(xiàn)變形控制的目標。具體如下:在隧道洞身拱頂140o范圍內(nèi),布置φ159mm長管棚+φ42mm小導管進行超前支護,使隧道在下穿西平鐵路前,預先在拱頂設置縱向支撐體系結(jié)構(gòu)(超長管棚)。

        為確保洞內(nèi)管棚一次性通過下穿西平鐵路段,需要施作管棚工作室以提供管棚作業(yè)空間,如圖2所示,管棚工作室范圍內(nèi),初期支護輪廓放大80cm,長度12m(含2m過渡段)。采用導向跟管鉆進法施工大管棚,即直接用管棚鋼管做鉆桿,前端加特制導向鉆頭鉆至預定深度,鋼管及鉆頭留在孔內(nèi),然后注漿。鉆進過程中用安裝于鉆頭后部的導向儀探頭隨時監(jiān)控鉆進方向并及時作出校正。

        施工步序及支護結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

        圖2 管棚工作室圖

        圖3 施工步序圖

        圖4 三臺階設臨時仰拱法施工工序圖

        初期支護中鋼架采用工20b型鋼,間距0.6m,C25噴射混凝土厚度為28cm,臨時仰拱采用工18型鋼,噴射混凝土厚度18cm,間距0.6m,鎖腳采用φ 42錨管,長度4m。

        3 數(shù)值模擬分析

        3.1 模型及參數(shù)選取

        根據(jù)原設計,干堡隧道下穿西平鐵路開挖工法采用雙側(cè)壁導坑法,超前支護采用長度9m的?89短管棚,為加快施工進度,現(xiàn)擬采用三臺階設臨時仰拱的開挖方法,并采用長度84m的?159長管棚。為比較不同工法開挖對地表路基沉降以及支護安全等的影響,現(xiàn)利用數(shù)值計算軟件FLAC3D進行模擬分析,在保證安全施工和提高施工進度的基礎上,選擇較合理的開挖工法。

        計算模型選取范圍:根據(jù)隧道開挖圍巖受影響范圍,設定隧道左右邊界距離隧道外邊墻5倍洞徑,隧道下邊界距離隧道底部3倍洞徑,根據(jù)埋深將隧道上邊界設置為距隧道拱頂32m,根據(jù)實際工程情況沿開挖方向取120m;約束情況為前后、左右方向受水平約束,垂直方向底面受豎向約束,頂面為自由面。

        圖5 開挖方法的模型圖

        干堡隧道與西平鐵路相交區(qū)域位于里程DK105+040~DK105+080段內(nèi),隧道穿越的地層主要為黃土地層,模型僅選取單一土層作為計算對象,其計算參數(shù)參照鄭西高速黃土鐵路隧道選取。隧道開挖前打設管棚進行超前預支護,管棚參數(shù)參照相近工程選??;開挖后及時施作初期支護及噴射混凝土,其計算參數(shù)由剛度等效及重度等效方法得到,混凝土計算參數(shù)根據(jù)《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB 10003-2005)的相關(guān)規(guī)定選取,計算參數(shù)如表2所示。

        計算參數(shù)表 表2

        3.2 變形分析

        選取最具有代表性的地表沉降的數(shù)據(jù)(模型的中間斷面)進行分析,兩個工法各階段的最大沉降數(shù)據(jù)如表3所示,地表變化規(guī)律分別如圖6和圖7所示。

        各階段地表路基最大沉降統(tǒng)計表 表3

        圖6 雙側(cè)壁導坑法開挖路基沉降曲線

        圖7 臺階法開挖路基沉降曲線

        2種工況的整體沉降規(guī)律是一致的,地表沉降表現(xiàn)為在掌子面到達沉降觀測點前,沉降已經(jīng)產(chǎn)生,隨著支護的施作,整體的變形趨于穩(wěn)定;地表沉降整體呈現(xiàn)出先緩慢增加,后加速增加,最后趨于穩(wěn)定。從地表沉降的最大值比較來看,雙側(cè)壁導坑法的確在變形控制上有較好的效果,但是兩種工法的最大沉降量均小于30mm的變形控制要求。

        基于數(shù)值計算的結(jié)果,初步證實采用超長管棚+臨時仰拱形成的縱橫支撐體系能夠控制變形,滿足本項目的變形要求。

        4 現(xiàn)場實測及分析

        4.1 測試項目

        為保障現(xiàn)場施工過程安全及變形量控制要求,并驗證數(shù)值計算結(jié)果的正確性,進行了圍巖壓力、初期支護鋼架應力的力學監(jiān)測,以及初期支護拱頂沉降、地表沉降的監(jiān)測。

        4.2 測試方法

        由于初期支護力學監(jiān)測屬于常規(guī)內(nèi)容,已有成熟的監(jiān)測方法介紹,本文不再贅述。

        4.3 測點布置

        在下穿西平鐵路的正下方布置三個測試斷面,見表6所示。其中初期支護設置8個測點,每個測點布置3個元件(1個土壓力盒,2個鋼架表面應變計),各監(jiān)測單元的元件布置如圖8所示。

        圖8 監(jiān)測元件布置示意圖

        4.4 測試數(shù)據(jù)及分析

        4.4.1 初期支護圍巖壓力

        初期支護的圍巖壓力直接反映出地層對隧道結(jié)構(gòu)的荷載大小,DK105+062斷面的初期支護圍巖壓力隨監(jiān)測時間的增長規(guī)律如圖9所示。隨著監(jiān)測時間的增加,圍巖壓力逐漸增加,呈現(xiàn)出先快速增加后逐步趨于穩(wěn)定的規(guī)律,當仰拱封閉后,圍巖壓力趨于穩(wěn)定,最終圍巖壓力的分布如圖10所示。

        量測典型斷面及量測內(nèi)容 表4

        圖9 DK105+062斷面初期支護圍巖壓力圖

        圖10 各斷面圍巖壓力分布規(guī)律圖(單位:MPa)

        圖9和圖10中顯示,初期支護的圍巖壓力值總體較小,最大值為0.079MPa,換算為土柱高度僅3.7m;分布規(guī)律為拱部數(shù)值較小,拱腳部位數(shù)值較大,仰拱部位數(shù)值處于拱部和拱腳數(shù)值之間。

        4.4.2 鋼架應力

        初期支護中鋼架作為重要的支護結(jié)構(gòu),起到快速承載的作用,如圖11所示,DK105+062斷面的鋼架應力整體呈現(xiàn)出先快速增加后趨于穩(wěn)定的規(guī)律,同圍巖壓力的規(guī)律一致,當仰拱封閉后,測試數(shù)值趨于穩(wěn)定。整體呈現(xiàn)出受壓的狀態(tài),數(shù)值較小,三個斷面各測點的最大鋼架應力分布如圖12所示。

        圖11 DK105+062斷面鋼架應力圖

        圖12 各斷面鋼架應力分布圖(單位:MPa)

        從圖11和圖12中可以明顯看出:鋼架總體應力較小,最大值為183.64MPa,未超過材料的極限強度(210MPa),鋼架的整體穩(wěn)定性較好,鋼架整體處于受壓狀態(tài),且應力分布較均勻,未出現(xiàn)明顯的應力集中。

        綜合初期支護圍巖壓力及鋼架應力的監(jiān)測值可知,作用于初期支護上的荷載較小,結(jié)構(gòu)安全性較高。

        4.4.3 地表沉降

        地表沉降槽的數(shù)據(jù)如圖13所示,現(xiàn)場實測和數(shù)值計算的結(jié)果對比如圖14所示,從沉降的變形規(guī)律來看,和數(shù)值計算分析的結(jié)果是一致的,即先快速增加后逐漸趨于穩(wěn)定。

        圖13 DK105+061斷面地表沉降槽曲線

        圖14 現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬地表沉降對比圖

        地表沉降的實測數(shù)據(jù)有2個點位比數(shù)值計算得到的數(shù)據(jù)大,其余則都是差別不大,但整體的最大沉降值并未超過30mm的限值。

        5 結(jié)論

        ①超大斷面黃土隧道下穿既有運營鐵路時,開挖方法的選擇是以變形控制為準,結(jié)構(gòu)的安全為輔。

        ②采用臨時仰拱臺階法,輔以超長管棚進行變形控制是滿足變形控制要求的,其中超長管棚和臨時仰拱組成的“縱橫支撐”體系將豎向荷載可沿縱向較大范圍地傳遞至鋼架及穩(wěn)定圍巖中,減少掌子面附近荷載集中,取代了臨時豎撐,增大了開挖面積,有利于加快施工速度。

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