南水北调工程天津干线下穿京九铁路隧道工程设计

摘要：为研究和解决南水北调天津干线工程下穿京九铁路隧道施工安全问题，采用有限元软件对隧洞开挖过程进行分析计算，进行了隧洞防渗设计和铁路加固设计，最大限度地克服施工期间箱涵与铁路运营之间的相互干扰，保障施工安全。设计方案体现了临时支护拆除量少，成洞质量高、速度快，对列车限速时间短等特点，既减少了施工对铁路运营造成的影响，又保证了天津干线箱涵输水运行及检修安全。推荐的设计方案在京广铁路和津霸铁路上进行了推广使用。

关键词：天津干线；京九铁路；分离式小净距；分离布置；双结构形式；暗挖

中图分类号：U459；TV68 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0196-04

1 工程概况

和有涯输水段，设计断面主要为单联3孔4.4 m×4.4 m现浇混凝土箱涵，设计流量为50 m3/s，加大流量为60 m3/s。其中，下穿京九铁路隧道工程位于有压流输水段内。

京九铁路为国铁Ⅰ级干线，是北京至九龙的主要客运及货运通道，近南北向，上下行线间距为4.27 m，上行线轨面高程为12.14 m，线路纵坡为3‰；下行线轨面高程为12.14 m，线路纵坡为3‰；路基顶面宽13.44 m，路基边坡坡率为1 ∶ 1.5。京九铁路为非电气化铁路，路基两侧没有电化立柱。桥位均与铁路线两侧通信光缆、电缆相交叉。

天津干线与京九铁路轴线夹角约为87°，穿越处京九铁路位于直线上，交叉段地处华北平原东部，属河北冲积平原。场区范围内地形平坦、开阔，地面高程8.6～9.3 m，耕地和林木较多。

下穿隧道工程段地表出露及钻孔揭露的地层为第四系全新统（Q1）松散堆积物，以中细砂、粉砂及细砂为主，局部夹少量粉土、壤土等透镜体。隧道底板位于地下水位以下处于饱和状态的粉砂及细砂层中。工程区最大冻土深度为0.67 m。建筑物区勘探期间地下水位埋深12.6～12.8 m，高程-4.14～-4.43 m，地下水位变幅1～2 m。地下水主要靠大气降水补给，以第四系地层孔隙潜水的形式存在。

2 隧道工程布置

为保证开挖线距铁路路基坡脚最小保持3.5 m间距的设计原则，确定穿越段洞身轴向全长30 m。穿越段建筑物由两部分组成：穿越段主体工程及其工程。隧道拱顶至地表高度为2 m，距铁路轨底高度为5.11 m。 工程纵断面布置见图1。

3 隧道结构设计

3.1 隧道主要衬砌支护设计

依据暗挖工法，本工程采用的断面为分离式小净距三孔暗挖隧道形式，其过水断面相互分离，支护各成体系，施工期间相互无干扰，临时支护拆除量很少，成洞质量高，速度快，对列车限速时间短[1-3]。

每孔断面为带仰拱直墙式暗挖隧道形式，每孔内最大净跨度为7.5 m，净高为9.55 m。两孔中心线间距为17.5 m，中间净土柱宽度不小于10 m。具体隧道横断面布置见图2。

根据交叉位置处地质资料、水文条件、埋置深度、断面宽度和施工条件等，采用锚杆喷射混凝土作为永久衬砌。喷射混凝土厚度35 cm，分两次喷射。顶拱、边墙设置锚杆，长度2～3 m，间距1 m，最外侧配置一层钢筋网，钢筋直径采用10 mm，网格间距为20 cm，必要时还需设置钢架支护。二次衬砌应在地层和初期支护变形基本稳定的情况下进行，采用钢筋混凝土结构，在初期支护和二次衬砌之间设置封闭式防水隔离层。设计时按组合结构考虑，二次衬砌只考虑承受径向应力。

本隧道为超浅埋小净距土质隧道，地表荷载、列车荷载及拱顶围岩自重对结构的影响明显，拱部围岩弹性应力圈自稳能力较差。对此类围岩，超前支护尤为重要。大直径夯管帷幕法是近似于大管棚超前支护法的一种施工方法， 500 mm直径的大管棚，与已经形成的主体结构和未开挖的土体，形成4 m纵向长度的简支梁结构，其支护强度满足拱部全部荷载。利用特殊的夯管设备，沿隧道轮廓线向隧道纵向夯入带有连接导向装置的 500 mm钢管，钢管夯通后利用风压将管内土壤压出，然后向钢管内填注有压细石混凝土。钢管和有压细石混凝土形成水平的钢管混凝土帷幕[4-5]。

隧道开挖施工过程中，分别采用边墙超前注浆锚杆、钢筋网、喷混凝土、格栅钢架等措施进行施工支护。

隧道施工时采用双向作业，由于各洞之间土柱净宽度设计为10 m，故三个隧道可同时开挖施工。各隧道采用台阶法分步开挖，台阶间距为4 m，一次开挖长度为4 m，临时仰拱为反拱形式，将上台阶活动荷载以压应力的形式传递到边墙上，更好地控制拱顶的沉降。拱墙设 10 mm× 10 mm钢筋网，网格间距200 mm×200 mm。边墙设3 m长的超前注浆小导管，锚杆间距为400 mm×400 mm，梅花型布置。设2榀/m的四边形格栅钢架，并喷射35 cm厚的C20喷混凝土。

模筑衬砌采用C30防水钢筋混凝土，模筑厚500 mm，钢筋型号为HRB335i，钢筋混凝土的抗渗指数不小于0.8 MPa，抗蚀指数不小于0.8。

为验证设计的合理性，采用有限元计算软件将隧道衬砌模拟为搁置于弹性地基梁上有限元杆系进行计算[6-8]。计算中分7步开挖，最终开挖成洞的计算简图见图3。经计算可知，仰拱及边墙出现了应力集中的现象，最大内力出现在边墙和仰拱的交接处；按偏心受压构件进行配筋，可满足其承载力的要求；地表最大沉降量为14.5 mm。

3.2 隧道防渗水设计

（1）喷层和模筑衬砌之间设置全断面防水板，并配合注浆防水，模筑衬砌应采用防水混凝土，必要时可采用补偿收缩混凝土[9]。模筑衬砌应考虑承受全部静水压力，并根据计算结果确定模筑衬砌的配筋，并且至少要满足最小配筋率的要求。

（2）沿隧道纵向在两侧边墙顶部设 50 mm软式透水管，纵向坡度与隧洞坡度一致，将地下水引出洞外。

（3）水平及环向施工缝处设置20 mm×30 mm（厚×宽）遇水膨胀止水条。

（4）洞外渐变段与洞身衔接处设变形缝一道，浇灌衔接干线暗渠混凝土之前需在衬砌周边设紫铜片金属止水带。

（5）处理好三缝的防水，施工缝设止水带，防水板接头不宜设于施工缝处。

（6）防蚀措施，利用结构钢筋作为杂散电流的导流网进行疏解。

（7）钢筋混凝土的抗渗指数不小于0.8 MPa，抗蚀指数不小于0.8[10]。

4 隧道施工方案

根据地形、地质条件，经过对大管棚超前支护顶进施工法和大管棚超前支护暗挖法进行分析论证，交叉工程拟采用暗挖隧道下穿铁路。

针对隧道长度、围岩类别，以及开挖方式，确定隧道洞身施工采用矿山法施工。

具体施工方法及步骤如下。

（1）管棚支护。

隧道拱顶至地面最小厚度为2 m，为粉质黏土，自稳能力差，并且暗渠开挖面积大，这些因素会导致顶板（铁路路基）松动、下沉。因此，在隧道进出口处开挖土方时，挖掘到坡角时，从隧道两侧沿隧道拱顶布置管棚。

管棚的布置形状：沿隧道拱顶轮廓线布置，并考虑夯管夯入偏差。从隧道两侧分别夯入，在中部有空隙的对接[11]。

管棚参数：管棚为热轧无缝钢管，外径500 mm，壁厚14 mm，每根长25 m，外露0.5 m。管棚内灌注细石混凝土。每根管上带有导向连接器。

夯管锤：采用TT450夯管锤，直径450 mm/510 mm，长度2 850 mm，重量2 465 kg；耗气量35 m3，冲击次数180次/min。此夯管锤适用直径为380～2 000 mm，夯击力为1 160 t/次。选用26.5空压机。

上下台阶的开挖及支护：采用短进尺、及时支护、及时架设临时仰拱的原则施工。上下台阶相差步距不大于2 m。待上下台阶挖至同一里程后，先浇筑仰拱及边强，当钢筋混凝土强度达到70%后，拆除临时仰拱，再及时浇筑混凝土，封闭二衬[12]。

（2）架设钢架。

对开挖面先喷射35 mm厚的喷混凝土，而后架设格栅钢架，纵向间距2榀/m。钢架纵向连接筋为 22 m，环向间距0.5 m。

在路基影响段内，每一组线路按18 m计，格栅钢架改为I20型钢钢架，以增加防护。为更好的控制沉降或防止围岩塌落，架设型钢钢架时可采取以下措施：在开挖之后沿轮廓线挖出一槽，将钢架嵌入，起到预先支护、防止坍塌的作用。

（3）挂网锚喷。

在暴露围岩表面喷射混凝土，一则封闭注浆面，二则支护开挖面。钢筋网网格0.15 m×0.15 m，钢筋直径为6.5 mm和8 mm。喷层总厚度350 mm，标号为喷射C20混凝土。

当开挖洞身中部的砂层时，可适当加大注浆量，对围岩强度进行改善。

（4）暗渠洞身永久支护方式。

暗渠洞身采用C35号模筑防水钢筋混凝土[13]衬砌，采用先仰拱后拱墙的工序施工。为保证浇筑二衬的混凝土质量及防水板的铺设，在浇筑前对初支采用聚氨脂堵漏，保证初支无漏水现象；浇筑时，预留注浆孔，对模筑衬砌与防水层之间的空隙进行充填式注浆[14]。

5 铁路加固方案

首先在线路上采用扣轨加固，扣轨组合方式不低于3-5-3扣，扣轨采用43轨。然后在路基两侧设置钻孔桩，钻孔桩上设置冠梁，将线路一侧的桩连接起来，形成支撑；将线路上的混凝土轨枕更换为木枕，横梁采用I45b工字钢，每隔一根木枕穿一根横梁。横梁的两端支承在两侧的帽梁上，并用U型螺栓或预埋钢筋与冠梁连接牢固。由于宽度较大，高度较高，故在加固中应加强纵横向工字钢的刚度，以确保行车安全。

由于洞顶距离地面较浅，根据我国一些铁路隧道的地层加固技术，地表锚杆是一种有效的地层加固措施[15]。为了保证预加固效果，锚固砂浆达到设计强度70%以上后才可进行下方洞体开挖。锚杆直径采用22 mm；长度采用2～5 m，锚杆间距采用1.5 m，垂直设置，按梅花形布置；安置地面锚杆的钻孔直径不小于50 mm；采用全长粘结型普通水泥砂浆锚杆。

6 结语

京九铁路是连接北京与九龙的主要客运及货运通道，同时本工程隧道尺寸较大，且地质条件复杂，增大了隧道暗挖施工的难度。因此减少施工过程中对铁路运营造成的影响，是本工程设计的关键。本工程采用的隧道结构与输水箱涵结构分离布置的双结构形式，受力明确，便于施工。

南水北调工程关乎国计民生，设计运行寿命达到百年，运行的安全至关重要，通过采用上述措施，即保证了铁路运营的安全，又可保障天津干线箱涵长期输水运行的安全。通过顶进隧道暗挖施工方法在本工程的成功应用，证明暗挖施工具有技术上比较成熟、施工进度快、对既有线路影响小等优点。只要采取必要的安全防护措施，完全可以克服隧道偏高所带来的设计难点，保证铁路的安全。在天津干线后期的建设过程中，京广铁路和津霸铁路穿越施工也成功的采用了这种方法，实践证明，该设计是一种安全稳妥的施工保证。

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