王東來 黃福才 李斌

摘要：為研究和解決南水北調(diào)天津干線工程下穿京九鐵路隧道施工安全問題，采用有限元軟件對隧洞開挖過程進行分析計算，進行了隧洞防滲設(shè)計和鐵路加固設(shè)計，最大限度地克服施工期間箱涵與鐵路運營之間的相互干擾，保障施工安全。設(shè)計方案體現(xiàn)了臨時支護拆除量少，成洞質(zhì)量高、速度快，對列車限速時間短等特點，既減少了施工對鐵路運營造成的影響，又保證了天津干線箱涵輸水運行及檢修安全。推薦的設(shè)計方案在京廣鐵路和津霸鐵路上進行了推廣使用。

關(guān)鍵詞：天津干線；京九鐵路；分離式小凈距；分離布置；雙結(jié)構(gòu)形式；暗挖

中圖分類號：U459；TV68 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1683（2014）06-0196-04

1 工程概況

和有涯輸水段，設(shè)計斷面主要為單聯(lián)3孔4.4 m×4.4 m現(xiàn)澆混凝土箱涵，設(shè)計流量為50 m3/s，加大流量為60 m3/s。其中，下穿京九鐵路隧道工程位于有壓流輸水段內(nèi)。

京九鐵路為國鐵Ⅰ級干線，是北京至九龍的主要客運及貨運通道，近南北向，上下行線間距為4.27 m，上行線軌面高程為12.14 m，線路縱坡為3‰；下行線軌面高程為12.14 m，線路縱坡為3‰；路基頂面寬13.44 m，路基邊坡坡率為1 ∶ 1.5。京九鐵路為非電氣化鐵路，路基兩側(cè)沒有電化立柱。橋位均與鐵路線兩側(cè)通信光纜、電纜相交叉。

天津干線與京九鐵路軸線夾角約為87°，穿越處京九鐵路位于直線上，交叉段地處華北平原東部，屬河北沖積平原。場區(qū)范圍內(nèi)地形平坦、開闊，地面高程8.6～9.3 m，耕地和林木較多。

下穿隧道工程段地表出露及鉆孔揭露的地層為第四系全新統(tǒng)（Q1）松散堆積物，以中細(xì)砂、粉砂及細(xì)砂為主，局部夾少量粉土、壤土等透鏡體。隧道底板位于地下水位以下處于飽和狀態(tài)的粉砂及細(xì)砂層中。工程區(qū)最大凍土深度為0.67 m。建筑物區(qū)勘探期間地下水位埋深12.6～12.8 m，高程-4.14～-4.43 m，地下水位變幅1～2 m。地下水主要靠大氣降水補給，以第四系地層孔隙潛水的形式存在。

2 隧道工程布置

為保證開挖線距鐵路路基坡腳最小保持3.5 m間距的設(shè)計原則，確定穿越段洞身軸向全長30 m。穿越段建筑物由兩部分組成：穿越段主體工程及其外圍工程。隧道拱頂至地表高度為2 m，距鐵路軌底高度為5.11 m。 工程縱斷面布置見圖1。

3 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 隧道主要襯砌支護設(shè)計

依據(jù)暗挖工法，本工程采用的斷面為分離式小凈距三孔暗挖隧道形式，其過水?dāng)嗝嫦嗷シ蛛x，支護各成體系，施工期間相互無干擾，臨時支護拆除量很少，成洞質(zhì)量高，速度快，對列車限速時間短[1-3]。

每孔斷面為帶仰拱直墻式暗挖隧道形式，每孔內(nèi)最大凈跨度為7.5 m，凈高為9.55 m。兩孔中心線間距為17.5 m，中間凈土柱寬度不小于10 m。具體隧道橫斷面布置見圖2。

根據(jù)交叉位置處地質(zhì)資料、水文條件、埋置深度、斷面寬度和施工條件等，采用錨桿噴射混凝土作為永久襯砌。噴射混凝土厚度35 cm，分兩次噴射。頂拱、邊墻設(shè)置錨桿，長度2～3 m，間距1 m，最外側(cè)配置一層鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑采用10 mm，網(wǎng)格間距為20 cm，必要時還需設(shè)置鋼架支護。二次襯砌應(yīng)在地層和初期支護變形基本穩(wěn)定的情況下進行，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在初期支護和二次襯砌之間設(shè)置封閉式防水隔離層。設(shè)計時按組合結(jié)構(gòu)考慮，二次襯砌只考慮承受徑向應(yīng)力。

本隧道為超淺埋小凈距土質(zhì)隧道，地表荷載、列車荷載及拱頂圍巖自重對結(jié)構(gòu)的影響明顯，拱部圍巖彈性應(yīng)力圈自穩(wěn)能力較差。對此類圍巖，超前支護尤為重要。大直徑夯管帷幕法是近似于大管棚超前支護法的一種施工方法， 500 mm直徑的大管棚，與已經(jīng)形成的主體結(jié)構(gòu)和未開挖的土體，形成4 m縱向長度的簡支梁結(jié)構(gòu)，其支護強度滿足拱部全部荷載。利用特殊的夯管設(shè)備，沿隧道輪廓線向隧道縱向夯入帶有連接導(dǎo)向裝置的 500 mm鋼管，鋼管夯通后利用風(fēng)壓將管內(nèi)土壤壓出，然后向鋼管內(nèi)填注有壓細(xì)石混凝土。鋼管和有壓細(xì)石混凝土形成水平的鋼管混凝土帷幕[4-5]。

隧道開挖施工過程中，分別采用邊墻超前注漿錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、格柵鋼架等措施進行施工支護。

隧道施工時采用雙向作業(yè)，由于各洞之間土柱凈寬度設(shè)計為10 m，故三個隧道可同時開挖施工。各隧道采用臺階法分步開挖，臺階間距為4 m，一次開挖長度為4 m，臨時仰拱為反拱形式，將上臺階活動荷載以壓應(yīng)力的形式傳遞到邊墻上，更好地控制拱頂?shù)某两?。拱墻設(shè) 10 mm× 10 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距200 mm×200 mm。邊墻設(shè)3 m長的超前注漿小導(dǎo)管，錨桿間距為400 mm×400 mm，梅花型布置。設(shè)2榀/m的四邊形格柵鋼架，并噴射35 cm厚的C20噴混凝土。

模筑襯砌采用C30防水鋼筋混凝土，模筑厚500 mm，鋼筋型號為HRB335i，鋼筋混凝土的抗?jié)B指數(shù)不小于0.8 MPa，抗蝕指數(shù)不小于0.8。

為驗證設(shè)計的合理性，采用有限元計算軟件將隧道襯砌模擬為擱置于彈性地基梁上有限元桿系進行計算[6-8]。計算中分7步開挖，最終開挖成洞的計算簡圖見圖3。經(jīng)計算可知，仰拱及邊墻出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最大內(nèi)力出現(xiàn)在邊墻和仰拱的交接處；按偏心受壓構(gòu)件進行配筋，可滿足其承載力的要求；地表最大沉降量為14.5 mm。

3.2 隧道防滲水設(shè)計

（1）噴層和模筑襯砌之間設(shè)置全斷面防水板，并配合注漿防水，模筑襯砌應(yīng)采用防水混凝土，必要時可采用補償收縮混凝土[9]。模筑襯砌應(yīng)考慮承受全部靜水壓力，并根據(jù)計算結(jié)果確定模筑襯砌的配筋，并且至少要滿足最小配筋率的要求。

（2）沿隧道縱向在兩側(cè)邊墻頂部設(shè) 50 mm軟式透水管，縱向坡度與隧洞坡度一致，將地下水引出洞外。

（3）水平及環(huán)向施工縫處設(shè)置20 mm×30 mm（厚×寬）遇水膨脹止水條。

（4）洞外漸變段與洞身銜接處設(shè)變形縫一道，澆灌銜接干線暗渠混凝土之前需在襯砌周邊設(shè)紫銅片金屬止水帶。

（5）處理好三縫的防水，施工縫設(shè)止水帶，防水板接頭不宜設(shè)于施工縫處。

（6）防蝕措施，利用結(jié)構(gòu)鋼筋作為雜散電流的導(dǎo)流網(wǎng)進行疏解。

（7）鋼筋混凝土的抗?jié)B指數(shù)不小于0.8 MPa，抗蝕指數(shù)不小于0.8[10]。

4 隧道施工方案

根據(jù)地形、地質(zhì)條件，經(jīng)過對大管棚超前支護頂進施工法和大管棚超前支護暗挖法進行分析論證，交叉工程擬采用暗挖隧道下穿鐵路。

針對隧道長度、圍巖類別，以及開挖方式，確定隧道洞身施工采用礦山法施工。

具體施工方法及步驟如下。

（1）管棚支護。

隧道拱頂至地面最小厚度為2 m，為粉質(zhì)黏土，自穩(wěn)能力差，并且暗渠開挖面積大，這些因素會導(dǎo)致頂板（鐵路路基）松動、下沉。因此，在隧道進出口處開挖土方時，挖掘到坡角時，從隧道兩側(cè)沿隧道拱頂布置管棚。

管棚的布置形狀：沿隧道拱頂輪廓線布置，并考慮夯管夯入偏差。從隧道兩側(cè)分別夯入，在中部有空隙的對接[11]。

管棚參數(shù)：管棚為熱軋無縫鋼管，外徑500 mm，壁厚14 mm，每根長25 m，外露0.5 m。管棚內(nèi)灌注細(xì)石混凝土。每根管上帶有導(dǎo)向連接器。

夯管錘：采用TT450夯管錘，直徑450 mm/510 mm，長度2 850 mm，重量2 465 kg；耗氣量35 m3，沖擊次數(shù)180次/min。此夯管錘適用直徑為380～2 000 mm，夯擊力為1 160 t/次。選用26.5空壓機。

上下臺階的開挖及支護：采用短進尺、及時支護、及時架設(shè)臨時仰拱的原則施工。上下臺階相差步距不大于2 m。待上下臺階挖至同一里程后，先澆筑仰拱及邊強，當(dāng)鋼筋混凝土強度達到70%后，拆除臨時仰拱，再及時澆筑混凝土，封閉二襯[12]。

（2）架設(shè)鋼架。

對開挖面先噴射35 mm厚的噴混凝土，而后架設(shè)格柵鋼架，縱向間距2榀/m。鋼架縱向連接筋為 22 m，環(huán)向間距0.5 m。

在路基影響段內(nèi)，每一組線路按18 m計，格柵鋼架改為I20型鋼鋼架，以增加防護。為更好的控制沉降或防止圍巖塌落，架設(shè)型鋼鋼架時可采取以下措施：在開挖之后沿輪廓線挖出一槽，將鋼架嵌入，起到預(yù)先支護、防止坍塌的作用。

（3）掛網(wǎng)錨噴。

在暴露圍巖表面噴射混凝土，一則封閉注漿面，二則支護開挖面。鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格0.15 m×0.15 m，鋼筋直徑為6.5 mm和8 mm。噴層總厚度350 mm，標(biāo)號為噴射C20混凝土。

當(dāng)開挖洞身中部的砂層時，可適當(dāng)加大注漿量，對圍巖強度進行改善。

（4）暗渠洞身永久支護方式。

暗渠洞身采用C35號模筑防水鋼筋混凝土[13]襯砌，采用先仰拱后拱墻的工序施工。為保證澆筑二襯的混凝土質(zhì)量及防水板的鋪設(shè)，在澆筑前對初支采用聚氨脂堵漏，保證初支無漏水現(xiàn)象；澆筑時，預(yù)留注漿孔，對模筑襯砌與防水層之間的空隙進行充填式注漿[14]。

5 鐵路加固方案

首先在線路上采用扣軌加固，扣軌組合方式不低于3-5-3扣，扣軌采用43軌。然后在路基兩側(cè)設(shè)置鉆孔樁，鉆孔樁上設(shè)置冠梁，將線路一側(cè)的樁連接起來，形成支撐；將線路上的混凝土軌枕更換為木枕，橫梁采用I45b工字鋼，每隔一根木枕穿一根橫梁。橫梁的兩端支承在兩側(cè)的帽梁上，并用U型螺栓或預(yù)埋鋼筋與冠梁連接牢固。由于寬度較大，高度較高，故在加固中應(yīng)加強縱橫向工字鋼的剛度，以確保行車安全。

由于洞頂距離地面較淺，根據(jù)我國一些鐵路隧道的地層加固技術(shù)，地表錨桿是一種有效的地層加固措施[15]。為了保證預(yù)加固效果，錨固砂漿達到設(shè)計強度70%以上后才可進行下方洞體開挖。錨桿直徑采用22 mm；長度采用2～5 m，錨桿間距采用1.5 m，垂直設(shè)置，按梅花形布置；安置地面錨桿的鉆孔直徑不小于50 mm；采用全長粘結(jié)型普通水泥砂漿錨桿。

6 結(jié)語

京九鐵路是連接北京與九龍的主要客運及貨運通道，同時本工程隧道尺寸較大，且地質(zhì)條件復(fù)雜，增大了隧道暗挖施工的難度。因此減少施工過程中對鐵路運營造成的影響，是本工程設(shè)計的關(guān)鍵。本工程采用的隧道結(jié)構(gòu)與輸水箱涵結(jié)構(gòu)分離布置的雙結(jié)構(gòu)形式，受力明確，便于施工。

南水北調(diào)工程關(guān)乎國計民生，設(shè)計運行壽命達到百年，運行的安全至關(guān)重要，通過采用上述措施，即保證了鐵路運營的安全，又可保障天津干線箱涵長期輸水運行的安全。通過頂進隧道暗挖施工方法在本工程的成功應(yīng)用，證明暗挖施工具有技術(shù)上比較成熟、施工進度快、對既有線路影響小等優(yōu)點。只要采取必要的安全防護措施，完全可以克服隧道偏高所帶來的設(shè)計難點，保證鐵路的安全。在天津干線后期的建設(shè)過程中，京廣鐵路和津霸鐵路穿越施工也成功的采用了這種方法，實踐證明，該設(shè)計是一種安全穩(wěn)妥的施工保證。

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