谈暗挖铁路隧道技术
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本文作者：李新乐 窦慧娟 王海涛 单位：大连民族学院 土木建筑工程学院 大连交通大学 土木与安全工程学院
1工程概况
二十里堡隧道为丹(东)到大(连)东便道重点工程，穿越青山。隧道通过中低山及剥蚀丘陵区，地貌形态较复杂。在穿越既有沈大铁路线区段，隧道轴线与路堤边线夹角为60°，该区段隧道拱顶距离地表约3m，隧道围岩破碎，属Ⅴ级围岩。隧道上覆沈大铁路线，铁路线为上行和下行双线铁路，每天共行驶客货运车辆200多次。铁路路基断面呈梯形，路堤断面上边宽15m，下边宽40m。在隧道穿越铁路路基北侧下边线右侧上方紧邻一涵洞通道，涵洞底宽为4.5m，高为5.0m。隧道与路堤立面图如图1所示。原设计施工方案为既有线改线明挖法施工，由于拆迁工程量大、工期长、造价相对较高，为不影响既有沈大铁路的正常运营，变更设计方案为暗挖穿越。暗挖采用管棚支护CRD工法施工技术方案，由于埋深浅、既有铁路行车密度大、且穿越区既有涵洞影响大，施工风险大。因此有必要对此施工技术方案进行研究，评估其安全性。图2管棚支护及CRD工法施工方
2浅埋暗挖施工技术方案
由于隧道埋深较浅，围岩较差，隧道上方为大密度重载客货既有铁路线路，且有一铁路涵洞影响，施工过程中必须保证路堤铁路和涵洞的正常使用，对施工技术方案提出了较高的要求。为最大限度地降低对既有建筑的影响，施工技术方案选择中采用强支护［1］，即在进入路堤前20m开始采取管棚预支护。设计采用双层管棚对浅埋地表围岩进行预支护，管棚设计长度70m，双层管棚支护涵盖涵洞区域，左右不对称设计，如图2所示。在管棚施工过程中要尽量减少对土体的扰动，避免铁路路基的坍塌，以保证施工安全和结构安全。为了施工安全且有效控制路堤地表、隧道拱顶及涵洞沉降，施工开挖采用CRD工法(中壁交叉法)，施工中严格遵守“管超前、严注浆、强支护、勤量测、早封闭”的基本原则。为减小爆破振动对既有路基和涵洞的影响，开挖采用短进尺(循环进尺控制在0.5m)辅以无声爆破方式，直至穿越路堤边线20m后拆除中横支撑。
3管棚支护设计
隧道管棚设计采用荷载结构法，选取管棚间距范围内的路堤面超载和上覆岩土体重量，作为施加在管棚上的线荷载，将管棚下方的连续钢拱架支撑视作连续铰支座，则可将管棚的受力行为简化为受线荷载的等跨连续梁。根据计算结果并考虑隧道穿越铁路线的安全性，管棚最终选取双层159热轧无缝钢管(壁厚10mm)，内外层管棚长度均为70m，呈梅花形布置。钢管为有孔花管，灌以水泥—水玻璃混合液。钢管布设在拱部1800cm范围内，环向间距25cm。钢管内设置3根22钢筋，并用M30水泥砂浆填充，以增强管棚的刚度。
4CRD法施工有限元分析
在实际隧道施工过程中，隧道的预支护参数、施工方法、各工序的衔接情况，对地层的扰动以及地表的位移都会产生较大的影响［2］。为分析施工过程中洞室的稳定性和环境效应，本项目变形预测分析采用Midas-GTS软件进行［3］，该软件主要用于岩土及隧道工程的模拟分析。
4.1有限元模型及参数选取计算模型选取铁路路堤方向(X方向)长度100m，沿涵洞方向(Y方向)长度80m，岩土体高度方向(Z方向)长度40m。路堤断面上顶宽15m，下底宽40m，高8m。涵洞底宽4.5m，高5.0m。隧道暗挖影响区域如图3所示。建立有限元模型如图4所示，选取下层中隔墙底中点为坐标原点。隧道围岩、路堤以及管棚加固区采用六面体单元，其中管棚加固区采用等效方法来提高管棚加固区范围的围岩参数来模拟注浆效果，初期支护、中横支撑以及涵洞固有钢筋混凝土结构采用板单元。路堤顶部超载依据《铁路路基设计规范TB10001—2005》附录A取荷载强度60.2kPa。根据现场实际考察，铁路上的双向轨道并非设置在路堤中间呈对称布置，而是偏向北侧距离路堤边约2m。因此数值模拟分析时，在路堤北侧上边线2m处开始施加荷载，施加荷载宽度为8m。对于岩土体和路堤土体采用莫尔库仑模型，初期支护和中横支撑以及涵洞既有钢筋混凝土结构采取弹性模型。隧道穿越路堤区域围岩节理裂隙发育，岩石强度较破碎，强度较低，属于Ⅴ级围岩。根据实际情况，围岩材料参数参照勘察报告按表1选取。1)初始地应力模拟在地表附近，围岩的初始应力主要由重力应力引起，应力随深度逐渐增大，在数值模拟分析中只考虑岩体的自重应力，忽略其构造应力。计算中取重力加速度9.8m/s2，围岩的侧压力系数取1.0。将围岩材料参数赋值给计算模型后按弹性求解平衡，即得到模型的初始应力场如图5所示。2)管棚支护模拟在实际施工过程中，管棚施工由导洞顶部向两侧分段施工，施工中先进行钻孔，然后推入钢管、注浆形成管棚。从以往类似工程施工的监测数据来看，管棚施工过程中对地表沉降的影响很大。由于管棚的直径与隧道开挖范围相比小很多，很难在数值计算中模拟管棚的实际施工过程;因此对管棚施工过程做了简化处理，即仅在初始应力场的基础上改变管棚加固范围内的材料参数来模拟注浆加固效果［4］。管棚预支护模拟按等效方法考虑且一次性打设完毕。管棚加固区范围见图6所示。在数值模拟分析中，采取杀死单元来模拟隧道的开挖掘进，在每步开挖后，通过激活相应区域的中横支撑以及初期支护单元来模拟开挖后的支护效果［4］。隧道穿越铁路路基约20m远后，通过杀死中横支撑单元来模拟拆除中横支撑后的岩土体、路堤以及涵洞的变形结果。
4.2有限元数值分析结果1)整体沉降整体上看，在隧道穿越路堤南侧下边线20m并拆除支撑后，竖向沉降最大，约为9.2mm，且沉降最大值主要集中在隧道正上方的路堤中轴线附近，具体如图7所示。图中白色线范围为沉降大于8.4mm区域，该区域沿路堤轴线东西长约34.0m，南北宽约5.0m，深约2.5m。2)路堤沉降(图8)从图8中可以看出，随着隧道的开挖，竖向沉降逐渐增大，主要增大区域集中在隧道正上方局部区域。拆除中横支撑后，隧道正上方路堤面沉降由拆除前的8.061mm增加到8.814mm，且两侧区域也有所增加，增大区域沿路堤轴线长约30m。3)隧道围岩沉降隧道围岩在不同开挖阶段的沉降如图9至图10所示。隧道拆除中横支撑后，隧道正上方路堤最大沉降增加到8.814mm，隧道拱顶沉降增加到6.183mm。4)涵洞沉降涵洞轴线处沉降如图11至图12所示。涵洞处最大沉降发生在路堤中轴线北侧，距离中轴线约2m，最大沉降为涵洞顶路堤面6.736mm，涵洞拱顶5.915mm，涵洞底5.643mm。整体上看，涵洞处的沉降主要在隧道开挖施工至路堤北侧边线时发生，在隧道施工进入路堤以后，涵洞的沉降几乎不再增加。
5既有铁路及涵洞安全措施
1)对既有线路应采用扣轨加固，加固区域应延伸到穿越部分两侧各≥50m。2)施工期间应保持对铁路线路的实时监控量测，依据沉降数据，及时调整道砟厚度，保证线路平顺。3)如有可能，应考虑并采取列车减速慢行措施。隧道施工会引起铁路轨面沉降，使线路不平顺，加大冲击荷载。因此列车通过时应减速慢行，同时还可以减小对路堤及地层的扰动。4)为提高路基的刚度，降低地层对地下施工的敏感性，应对线路地基进行注浆加固。5)为了保证开挖过程中涵洞的安全，开挖前可对涵洞和隧道之间土体进行注浆加固。
6结论
综合以上分析，浅埋暗挖穿越既有铁路采用双层大管棚加CRD法施工技术方案是切实可行的。参考类似工程并结合本工程地质特点，最大沉降可控制在20mm以内，同时辅以适当的安全措施和对既有铁路和涵洞进行预加固，可实现洞内施工安全和满足沉降控制要求。与原设计改线明挖法方案对比可减少拆迁量，同时可显著缩短施工工期。