铁路设计论文：小议铁路设计及施工关键

本文作者：苟明中工作单位：中铁二院工程集团有限责任公司

隧道衬砌结构及辅助施工措施

本工程具有周边环境复杂、工程及水文地质条件差、结构形式及受力复杂、施工工序多、地面沉降控制严格、工期紧等特点。由于铁路无法设置便梁等临时保护措施，在临时支撑拆除时为确保隧道有效控制沉降及铁路的运营安全，隧道采用3层衬砌结构［2］（1次初支、2次模筑衬砌），全环设置299超长管幕预加固［5］，按双侧壁导坑六部［6］微台阶开挖方式进行施工。2．1衬砌结构1）初期支护。①喷混凝土：C25耐腐蚀混凝土，厚度35cm；②钢筋网：8钢筋，网格间距15cm×15cm，全环双层；③钢架：I25工字钢架，全环设置，间距60cm。2）一次模筑衬砌。采用C40耐腐蚀防水钢架混凝土，厚40cm，钢架采用25四肢格栅钢架，间距50cm，一次模筑是在中壁临时支护不拆除的情况下施工。3）二次模筑衬砌。采用C40耐腐蚀防水钢筋混凝土，厚50～60cm。在一次模筑衬砌的保护下，分段拆除临时支护后施工。4）中壁临时支护。临时支护采用C25喷混凝土（中壁厚30cm、横撑25cm）、工字钢架（中壁I25、横撑I20a）、8钢筋网联合支护，钢架间距同主钢架，并对掌子面喷混凝土进行封闭。2．2辅助施工措施1）299超长管幕。全环设置299钢管管幕［5］，隧道管幕左线长度110m，右线长度76m。钢管环向间距35cm，与隧道外轮廓净距25cm，钢管采用299×12mm的无缝钢管水平铺设在土体中，299钢管之间打入60钢花管，通过60钢花管对管幕外的土体进行注浆加固并使之与299钢管成为一个整体。钢管之间的连接采用273mm的内接管箍，管箍长400mm，直接对焊连接。2）洞内深孔注浆。管幕施工完成后，采用超细水泥－水玻璃浆液对掌子面进行全断面超前注浆加固地层，防止隧道开挖过程中出现坍塌引发地表下沉。3）地面注浆。为有效保护铁路，采用超细水泥浆对隧道拱部管幕以上1．5m、边墙管幕以外2m范围进行注浆，对管幕以外的松散土体进行加固，防止土体从管幕之间的薄弱环节掉块。

工法选择及施工组织

隧道施工工法根据隧道的结构形式、工程及水文地质和周边环境条件，经综合比选后，隧道采用双侧壁导坑六步微台阶法［6］施工工法，详见图3。1）施工299管幕，全断面注浆，采用双侧壁导坑法分六步分部开挖并支护［5］。2）凿除一次模筑衬砌范围的中壁临时支护喷射混凝土，保留临时支护钢架，施作一次模筑钢架衬砌，每循环长度为6m。3）待一次模筑衬砌达到设计强度后，在其保护下，分段拆除中壁竖向临时支护，铺设防水板，施作二次模筑衬砌底板。4）采用衬砌台车施作拱墙部位的二次模筑衬砌。管幕与注浆施工顺序的选择对于超长管幕与注浆的施工顺序有先施工管幕后注浆和先注浆后管幕2种。1）如采用先施工管幕后注浆，管幕扩孔施工是在原状松软地层中进行，较容易推进，但注浆需要分2种方式，在管幕以内部分需要洞内水平注浆，管幕以外需要在地面垂直注浆，这样就存在2种注浆方式的工序转换，且洞内注浆效果没地面效果好。2）如采用先注浆后管幕，由于埋深较浅，均采用地面注浆方式，施工容易，注浆效果较好，但对管幕的施工影响较大，由于注浆后会提高地层的强度，对管幕的扩孔造成较大的困难，对工期和管幕的施工质量均有较大影响。经综合比较后，选择先施工管幕后注浆的施工顺序。（a）（b）图3隧道双侧壁导坑微台阶法步骤图Fig．3Sequenceoftunnelconstructionbydoublesidedriftminibenchmethod3．3管幕施工工艺为控制地表及铁路沉降，保证铁路运营的安全、畅通，在综合比较108双层大管棚、299钢管管幕、600管幕后，根据施工现场的工程及水文地质条件，并结合目前各施工工艺情况，根据计算和工程类比，确定超前支护采用299钢管管幕。考虑到管幕最长为110m，采用前拉后夯［5］施工工艺进行施工，即首先利用水平导向钻机打设127的水平孔，然后通过前拉后夯工艺将299钢管拉到指定位置。具体施工方法为：采用127钻杆每隔4孔打设一个导向孔，要求导向孔的导向精度控制在5cm以内，利用导向孔进行扩孔作业，扩孔作业要采用挤扩的方法，不能采用通常水循环方法，防止引起地层扰动，导致地面沉降；扩孔完成后采用前拉后夯法，将299钢管连同60注浆管同时拉入；在拉入时，可能会遇到回填及不均匀的硬地层引起卡钻现象，局部用夯锤夯法，在钢管后部施以夯力使钢管顺利通过，直至将钢管拉出对面掌子面。管幕导向孔利用有线和无线2种导向方法，严格控制导向精度。利用高精度有线导向仪及管内光学测量系统，其精度控制在3‰以内；利用无线导向仪器在地表进行测量定位，将偏差控制在5cm以内。为了避免相邻管幕施作后引起地层松动，确保地面无沉降，在管幕施工过程中须适时在管幕外侧进行回填注浆，补偿地层的松散变形，更加有效地控制地层的扰动变形。跟进回填注浆采用60mm钢花管注浆。根据本项目管幕的施工情况统计，一般正常情况下3d可以施工2根长管幕。当地层中遇到障碍物时就会较长，最长1根管幕花了5d才完成。地层条件对管幕的工期影响较大，在选用时应慎重考虑。

铁路保护措施

鹰厦铁路是进入厦门本岛的主要铁路通道，每天有13对客车与17对货车通过，交通十分繁忙。隧道下穿段既有铁路有3～4条股道交错设置，平面布置十分复杂；与拟建下穿隧道交角较小，影响范围长，专用线道岔位于隧道拱顶位置。控制标准根据《铁路线路修理规则》，线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理控制标准值如表1所示。对铁路的保护措施1）采用强大的隧道支护结构和措施，控制隧道及地表变形。隧道采用3层结构，施工阶段荷载由初期支护与一次模筑衬砌承担，使用阶段荷载由一次模筑衬砌与二次模筑衬砌承担。一次模筑衬砌达到强度后，拆除临时施工支护，施作二次模筑衬砌。2）洞口管幕端头设置支撑于桩基的导向墙，从而管幕形成刚度较大的纵梁，控制隧道周边地层变形及地表沉降。3）与铁路工务部门密切配合，为避免沉降累计，影响铁路的正常行车，可分阶段起道填碴或垫钢板（如管幕施工完成、开挖过半、开挖完成等不同阶段），根据监测数据，分别对轨道做出调整。4）隧道施工中，铁路应限速，每趟列车经过前监测一次（由第三方进行自动化监测），轨道变形接近控制标准的70％时，应立即对铁路进行起道填碴或垫钢板，保证铁路的安全畅通。应遵守现行《铁路线路修理规则》、《铁路工务安全规则》等规范。5）左、右线隧道错开30m施工，并采用小于0．7m的短进尺开挖，避免地面沉降累计，降低单位时间的沉降量。6）应有工务部门的专人负责铁路的安全评估，当影响列车通行时，应停止隧道施工，对铁路进行整修和保护。紧急预案1）每趟列车经过前监测一次（由第三方进行自动化监测），轨道变形超过控制值时，应立即与铁路运营部门联系，征求其处理意见，原则上货车应以慢性方式通过，客车应停止通过。并立即组织人员进行抢修，尽快恢复铁路正常的运营。2）隧道施工前，应备齐铁路抢险整修的材料、工具，整修人员到位，保证铁路抢险及时，列车安全通过。3）接受工务部门专人负责铁路的安全评估，整修不到位，严禁列车通行。

工程实施效果及变形分析

管幕直径较大且密排布置，其施工对其周边土体扰动较大，地面及铁路的变形对其影响的敏感性较强。左、右线隧道在下穿铁路段管幕施工引起的地表沉降主要规律及特点如下：1）管幕施工造成的地表变形量较大，刚开始施工时正线甚至出现隆起现象。管幕施工完成后，造成的地表沉降累计一般有40～50mm，多的达70～80mm，最大一天的沉降量为3mm。局部沉降较大，是因为在施工中，当管幕拉进困难时，部分段落采用高压水冲切土体超挖引起的。由于现场采用了起道填碴措施，所以没有对铁路运营造成大的影响，起道填碴频率一般为1～2次／周。2）管幕施工引起的地表沉降有3个原因，分别为成孔时的应力释放、成孔过程中的水土流失、成孔施工偏差及扰动引起的沉降。3）管幕施工引起地表沉降大小除与地层条件、埋深和施工工艺等因素有关外，还与管幕之间的施工间距和施工持续时间有关系。施工间距越大，沉降越小；施工持续时间越长，沉降越大，对周围环境造成的影响也越大，因此应尽量保持管幕施工的连续性。4）一般管幕施工期间都会引起地表沉降，而本工程局部出现隆起现象，是因为在施工过程中，正线下方遇到较多的锤坡石，给拖管或夯管造成一定的难度，强行夯或拖管会导致石块挤压土体，而管幕的埋深较浅，强夯会造成地表或轨面隆起现象。隧道开挖及初期支护施工隧道开挖采用双侧壁六步微台阶法施工，在管幕的保护下，考虑到到初支刚度较大，每循环进尺控制为1m（2榀钢架距离），在开挖后及时进行初期支护和临时支护。上台阶均采用人工开挖，下台阶采用小型挖机配合人工修边开挖。上下台阶的长度均控制在3～5m，待③部开挖支护10m后，隧道中导洞⑤部即展开施工。根据以上施工工序，要完成以上①～⑥步一个循环，最短的长度是23m。在施工开挖及支护施工过程中，由于有管幕对隧道周边的保护和注浆加固对地层的改良，施工进展较顺利，没有发生影响施工及铁路运营安全的事故，在自动化监测和铁路养护部门的配合下，保证了铁路的运营安全。隧道一次模筑衬砌施工隧道一次模筑在初支喷射混凝土达到强度后，即可进行一次格栅钢架模筑混凝土施工。只能凿除一次模筑钢架格栅混凝土范围的临时支护喷射混凝土，保留临时支护钢架，每次凿除长度为6m。一次模筑的格栅钢架和初期支护的型钢支撑间隔布置，格栅钢架的纵向间距与型钢钢架相同，两者的接头也错开位置至少1．0m。为保证隧道拱顶处混凝土的密实性和两者的较好结合，在拱顶采用自流平、免振捣混凝土。隧道二次模筑衬砌施工隧道二次模筑混凝土采用钢筋混凝土，在一筑混凝土强度基本达到设计强度要求后施工。由于初期支护和一次模筑衬砌可以承担全部的荷载，所以可以根据二次模筑台车的长度，逐段全部拆除中间2道临时支护钢架及喷混凝土。先施工仰拱防水层及仰拱混凝土，其超前于边拱混凝土衬砌约30m，然后采用模板台车进行拱墙衬砌的施工。施工监测情况为了确保铁路的正常运营和施工安全，第三方监测对铁路钢轨沉降、地表沉降、隧道拱顶沉降和隧道收敛情况共4个主要项目进行了监测。共布设地表沉降测点152个，拱顶沉降测点108个，围岩收敛测点52个，钢轨沉降测点73个。1）钢轨沉降和地表沉降监测如表2所示，通过表2可以看出，由于下穿铁路隧道地质条件差，土层松软，在管幕施工和隧道开挖期间，两者均发生了较大的沉降，由于现场采用了起道填碴措施，所以没有对铁路运营造成大的影响，起道填碴频率一般为1～2次／周。根据监测数据和各阶段的综合分析，各阶段的累计沉降比例如下：管幕施工阶段约占25％；在上、下台阶开挖阶段差别不大，两者累计约占55％；二次模筑衬砌及拆撑阶段约占20％。从各阶段的沉降比例对比分析，由于采用了二次模筑衬砌，较以前常规采用一次模筑衬砌相比，在拆撑阶段引起的地表沉降比例大大降低，从而体现出采用二次模筑衬砌的重要性。2）隧道拱顶沉降和围岩收敛监测。鉴于下穿铁路隧道地质条件极差，土层疏松，并且隧道上面还有火车动荷载的反复作用，隧道开挖引起的沉降变形较大，拱顶测点和水平收敛测点间距均为5m，具体的监测结果如下：左线隧道①部拱顶最大累计沉降值50mm，③部拱顶最大累计沉降值118mm，⑤部拱顶最大累计沉降值63mm。右线隧道①部拱顶最大累计沉降值74mm，③部拱顶最大累计沉降值84mm，⑤部拱顶最大累计沉降值50mm。左线隧道①部最大累计收敛值－6．54mm，③部最大累计收敛值－7．05mm。右线隧道①部水平收敛最大累计收敛值－7．37mm，③部最大累计收敛值－7．96mm。根据监测数据和各阶段的综合分析，隧道拱顶下沉主要是因为下台阶施工引起的。水平收敛较小，与隧道的支护刚度及强度较大和上下台阶之间的临时仰拱发挥了较大的作用有关。

结构计算

计算条件隧道按荷载－结构模型进行计算。衬砌结构分2种工况进行计算：1）施工阶段，一次模筑混凝土与初期支护共同承受荷载；2）使用阶段，考虑初期支护失效，一次模筑衬砌与二次模筑衬砌共同承受荷载。荷载考虑围岩压力、结构自重和列车活载，覆土厚度3m，围岩压力根据《公路隧道设计规范》确定，结构自重及列车活载根据《铁路桥涵设计基本规范》确定。由于隧道顶覆土厚度h≥1m，不计列车竖向动力作用。施工阶段一次模筑衬砌结构计算在施工阶段，根据《公路隧道设计规范》并考虑初期支护厚度0．35m，一次模筑衬砌的厚度0．45m，按两者的厚度比例并适当考虑初期支护弱于一次模筑衬砌，确定一次模筑衬砌的荷载分摊比例为60％。经模拟计算，一次模筑衬砌主要控制点的内力值如表3所示。使用阶段二次模筑衬砌结构计算在使用阶段，考虑一次模筑衬砌的厚度0．45m，二次模筑衬砌的平均厚度0．55m，按两者的厚度比例并适当考虑一次模筑衬砌性能降低，确定二次模筑衬砌的荷载分摊比例为60％。经模拟计算二次模筑衬砌主要控制点的内力值如表4所示。

结论与建议

结论1）针对超浅埋下穿铁路的工程特点，实施了“水平精密定向、前拉后夯超长管幕施工工法”，成功解决了超浅埋深（2．5m）、超长度（110m）下穿运营铁路隧道超前支护的技术难题，为安全施工提供了保证。2）隧道采用3层衬砌结构，初期支护中间临时支撑在一次模筑衬砌的保护下实施分段拆除，解决了拆撑引起较大沉降的难题。在没有便梁或扣轨等保护措施下，仅通过起道填碴的方式确保了运营铁路的运营安全。3）针对超浅埋土质隧道，采用“双侧壁六部正台阶留核心土法”进行开挖施工，解决了开挖过程中地表下沉和稳定问题，确保了施工和铁路运营安全。存在的问题及建议1）超长管幕在扩孔过程中会遇到地下障碍物破除及处理的难题，本项目在施工中，主要通过高压水冲切或地面导筒工作坑进行处理。在采用高压水冲切过程中，容易导致地面沉降过大。2）3层衬砌的受力分配，未进行衬砌内部变形监测，在下一步应重点研究。3）对于仰拱部位是否需要设置管幕，应根据地层条件综合研究确定。