引水隧道下穿铁路站场施工方案分析.pdf

第6 期（总第2 9 0 期）2023年6 月D0I:10.16799/ki.csdqyfh.2023.06.046城市道桥与防洪URBANROADSBRIDGES&FLOODCONTROL管理施工引水隧道下穿铁路站场施工方案分析张征亮（江西省交通设计研究院有限责任公司，江西南昌330 0 2 5）摘要：为明确隧道下穿铁路站场时最佳预加固方案，基于数值模拟，分析了超前小导管与超前长管棚两种超前预加固措施效果。结果表明：随着支护刚度的增加，地表沉降、拱顶沉降等不断减小。管棚支护刚度较大，注浆后能形成梁拱效应，有效改善围岩应力状态，控制围岩变形，可作为隧道下穿铁路轨道时超前支护推荐方案。关键词：数值模拟；预加固；地表沉降；梁拱效应中图分类号：TV672+.1文献标志码：B文章编号：10 0 9-7 7 16(2 0 2 3)0 6-0 17 2-0 4扩散至地表，引起铁路路基产生沉降变形。若沉降不0引言均匀，则进而造成轨道枕木倾斜，对铁轨产生附加应随着城市公共基础设施不断发展与完善，地下结力及变形18 。差异沉降越大，铁轨产生的附加应力及构下穿铁路及铁路站场的工程案例也越来越多-3,变形亦更大，当其超过结构容许值，将影响列车的安地下结构施工引起既有火车轨道沉降是面临的首要全运行。上述过程可总结为：铁路路基稳定一新建隧问题。根据以往工程案例，地下结构下穿火车轨道施道下穿施工，打破原有应力平衡一下穿区围岩应力进工风险高、轨道沉降变形控制要求严，受到业界重行重分布，拱顶围岩产生向隧道净空的沉降，形成围视。为此，一批学者根据具体工程项目就地下结构开岩松动圈一不断扩展至地表，路基不均匀沉降一铁轨挖对站场既有结构影响进行了系列研究，并取得了产生变形及附加应力。隧道下穿轨道开挖过程中产生诸多经验和研究成果，如陶勇虎等 4 以贵阳市轨道的地层沉降，在向上拓展的过程中，会逐渐减弱，即：交通1号线火车站站一沙冲路站暗挖区间隧道为研隧道掘进时，拱顶产生向隧道净空沉降变形，该沉降究对象，就地铁暗挖隧道下穿火车站场施工安全性逐渐向路基扩展产生不均匀沉降，引起铁轨产生变形进行了评估；徐干成等 5 以北京地铁14 号线永定门及附加应力 9 ,其发展路径如图1所示。外大街站盾构区间隧道为对象，就注浆加固对控制一轨道沉降效果进行了研究；王效文 6 对苏州轨道交通2#铁路路基线盾构与站场的交叉施工方案比较进行了研究。基于以往研究，本文依托某山洪防治及生态补水工程下穿火车站场为对象，采用MIDAS-GTS对隧道超前预加固效果进行研究，以期为相似工程案例提供参考。1隧道下穿轨道变形机理分析隧道在下穿铁路轨道施工前，铁路轨道路基已完成工后沉降，铁轨、路基以及围岩处于应力平衡状态 7 。隧道施工过程中,破坏了周边地层环境原有的应力平衡场，将引起隧道拱顶围岩产生向隧道净空的变形，使得拱顶围岩形成一个松动圈，由隧道拱顶收稿日期：2 0 2 2-0 6-2 6作者简介：张征亮（19 8 6 一），男，硕士，工程师，从事桥隧设计工作。地层沉降传递曲线一隧道图1地层沉降传递曲线示意总结以往的工程案例，隧道下穿掘进时拱顶围岩沉降是造成地表沉降的主要原因。所以，为减小隧道施工对轨道的影响，可通过减小隧道拱顶围岩竖向变形来达到。2工程概况如图2 所示，该项目位于福州市闽江下游鼓山镇魁岐村,鼓山山麓与闽江一级阶地交接处，属丘陵区及河流冲积阶地地区。丘陵区，相对高差约50 m，自然坡度2 5 4 5。山体多呈V字形及马鞍状，山上植1722023年第6 期张征亮：引水隧道下穿铁路站场施工方案分析城市道桥与防洪被发育，多为灌木、杉木等。冲积阶地区，地形平坦开阔，主要下穿福马铁路货运站，江滨东大道魁歧高架桥、台江港务公司平台等，交通非常便利。魁站边界#鼓山隧道下穿鼓山至东迅储运仓库后山，再向北依次下穿东迅2 号仓库及魁岐站内8 道、汇丰物流2号仓库、站内5道，福马正线、站内货物堆场，站内10道、7 道，及魁岐站内2 号库，再下穿台江港务公司原大门后由魁岐高架桥第2 0 号、第2 1号桥墩之间下穿过，并于台江港务公司两码头空隙间穿出后入闽江。隧道直径为8 m，衬砌结构采用复合式衬砌，初期支护采用C25喷射混凝土，内设工字钢钢架，二衬采用6 0 cm厚钢筋混凝土结构。靠鼓山侧设置一个15m13m工作坑,靠闽江侧设置一个15m15m的明挖工作坑。场地内地层结构较为简单，按其形成时代及成因自新至老分别为第四系全新统长乐组冲海积层（Q 4 ma l）、第四系残坡积层（Ql+dl）及燕山早期侵人的花岗岩（3(3)。3超前支护方案3.1超前小导管加固超前小导管加固是以导管为骨架，对隧道拱顶一定范围内的软弱围岩进行注浆，提高其强度,水泥与围岩胶结成有一定承载能力的弧形拱圈，以承担隧道施工产生的围岩松动压力，有效避免因施工引起围岩变形过大而产生的塌现象。超前小导管沿开挖外轮廓以一定的外插角打人围岩，通过注浆起到一定的加固和预支护作用。3.2超前大管棚如图3所示，管棚采用180单排超前长管棚两端对打，管棚环向间距30 cm。搭接长度不小于3m，钢管与隧道轴线外插角成1 2，管壁四周钻15 mm压浆孔。通过管棚注浆加固，使得拱圈上部围岩与管棚形成“梁拱效应”，从而提升围岩承载能力，减小拱顶沉降。管棚中心线17#10#d180mmX6mm钢管0-0-0-0-0-0环向间距4 0 cm150%隧洞电心线混凝土套拱#二次村砌闽江1200图2 隧道平面位置图图3管棚正面布置图（单位：mm）3.3加固效果数值分析3.3.1计算模型及参数选取本隧道采用三台阶法施工，利用MIDAS-GTS软件进行开挖模拟。根据隧道开挖影响范围,左右及底部边界取5倍的洞径，纵向取6 0 m进行模拟。围岩本构模型采用莫尔一库仑模型，初期支护、二衬及临时支护采用弹性模型。采用三种计算工况：工况一：无超前支护措施；工况二：超前小导管支护；工况三：超前大管棚支护；计算模型如图4(a)和(b)所示。（a）超前小导支护计算模型图4 计算模型隧道所在地层围岩力学参数根据相应地勘报告取得。各材料物理力学参数见表1。3.3.2围岩竖向位移分析通过采用有限元软件分别建立采用小导管和超前管棚的支护后，对比各超前支护对地表控制沉降的效果。各工况竖向位移云图分别如图5至图7 所示。通过上述竖向位移云图可得出最大变形值见表2。通过计算结果可知：（1)地表沉降变形工况二较工况一减小30%；工况三较工况一减小6 1%，较工况二减小4 3%。（2)拱顶沉降工况二较工况一减小4 0%；工况三较工况一减小7 4%，较工况二减小57%。（3）底部隆起工况二较工况一减小2 8%；超工况三较工17324#35003500（b）超前大管棚支护计算模型009000f33#00861200000f城市道桥与防洪张征亮：引水隧道下穿铁路站场施工方案分析2023 年第6 期表1围岩与衬砌力学指标弹性密度/黏聚力/内摩擦角/材料名称泊松比模量/Pa(kgm)kPa人工填土12 106中砂501060.27强风化花岗岩1.21090.30碎块状强风化1.8 109千枚岩初期支护200100.20(25 cm)二次衬砌31 109临时支护241090.20(20 cm)图5无预支护措施施工步竖向位移云图DISPLACEMENTUNTCm)46.074340-0025.497576-002+4.92081e-002+4.34405e-002+3.76728e-00243.190526-0024+2.613760-0022.038990-002+1.46023e-00248.83466e-0033.067030-00346823e-003.42359e-0022.00035e-0022.57711e-0023,15300e-002图6 超前小导管支护施工步竖向位移云图DSLACEMENTUNTOmO+2.711350-002+2.480350-002+2.209370-002+1.958300-002+1.707380-002+1455390-002+1,205400-002+9:544090-00347.034176-003+4:52425e-003+2.014336-0034.95584e-0043.00550e-0035.51542e-0038.02534e-0031.05953e-0021,30452e-002表2 围岩变形支护方案地表竖向变拱顶竖向变形(）工况一0.371.7002.1002.1000.3022002.3000.262.5007850单位：mm拱底隆起11.852.2161602430253225SPLACEMENTT(m)+8.58065e-002+7:71926e-002+6.857870-002+5.99648e-0025.13509e-0024.27370e-0023.41231e-0022.55092e-0021,68953e-0028:2814Se-00324416-004946330-00356020-0022.61741e-0023.47000-0024.340190-0025.201588-00285.1工况二8.2工况三4.6浆加固作为预加固措施。4施工安全保证措施及监测4.1施工安全保证措施(1)股道加固在隧道拱顶采用超前长管棚进行注浆加固的同时，为进一步避免隧道开挖对列车正常运营产生影响，从技术经济、适用性等方面进行比较，并结合工程现场实际情况，采用D便梁对线路进行加固。在对隧道上方的铁路股道进行加固时，先施工挖孔桩，再架设便梁、抬梁，最后进行隧道施工。隧道正上方轨道采用D24型钢便梁，而线路两侧采用D16型便梁加固，即（16+2 4+16)D型便梁加固布置形式，具体加固方案如图8 所示。1640161608D16型施工便梁挖孔桩150d=1.5m挖孔桩b=1.8m(2.0m)(2)采用三台阶法分部开挖，严格控制开挖步距，减小开挖产生的沉降；围岩较差时可增设临时仰拱。临时仰拱宜设为弧形，各步施工封闭成环。(3)加强监控量测，根据监测结果优化施工方案。（4)及时施作二衬混凝土。当衬砌施工完成后，应通过预埋注浆孔注浆，确保二衬背后拱部不留空。31.313.42450161192412D24型施工便梁轨面9.8 082600011227.50090026000802507.00/2000/250g25097001500500图8 线路加固立面图（单位：cm）60.727.1164019161608D16型施工便梁挖孔=1.5m50009000T挖孔桩1227.5d=1.8 m(2.0 m)洞R4心线（5）为确保列车行车运营安全，隧道施工期间，列车行车速度限制为4 5km/h。且列车通过时不得进行爆破作业。图7 施加管棚预支护施工步竖向位移云图况一减小6 8%，较工况二减小55%。可见，超前支护刚度越大，注浆后隧道拱部围岩形成的“梁拱效应”越显著，改善围岩应力状态越好，越能有效控制围岩变形。因此,本项目在下穿施工中推荐超前长管棚注(6)隧道开挖采用光面爆破，以减少扰动，减小地表沉降。隧道开挖进尺不宜过大，应根据监测数据实时优化爆破参数及相关工艺。(7)为确保衬砌对围岩的支护效果，衬砌超挖后应回填密实，并与衬砌同时进行。墙脚以上1m范围1742023年第6 期张征亮：引水隧道下穿铁路站场施工方案分析城市道桥与防洪内和拱部的超挖应用同级混凝土回填；隧底超挖部分应用与隧底结构同级混凝土回填。(8)施工前、中、后应采用地下水监测系统对地下水的水压、渗漏水量、地表水流失状况、隧道上方含水层压力、水质等进行监测，弄清地下水连通情况，以便调整设计。4.2监控量测隧道下穿站场5条股道，且暗挖隧道断面较大，围岩条件较差，在施工过程中将不可避免地会对既有构（筑）物造成影响。在施工过程中可能产生地表塌陷之处设置观测点，地表下沉观测点按普通水准基点埋设。并在预计破裂面以外35倍洞径处设水准基点，作为各观测点高程测量的基准，从而测出各观测点的下沉量，具体监测断面位置如图9 所示。45角范围隧道范围围4 5角范围45范围外745范围外图9 地表沉降监测断面位置示意图（前视图）铁路路基沉降监测点基础采用30 cm30cm30cmC15混凝土基础,埋入20mm的钢筋,钢筋外套A100mmPVC管，钢筋顶端高于PVC管10 mm，如下图10、图11所示。90008300图10C15混凝土观测桩侧面图90外套d100mmPVC管L=490mm109300图11C15混凝土观测桩平面图（单位：mm）铁路轨道静态几何尺寸容许偏差见表4。表4 铁路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值单位：mm项目轨距货场线+9,-4隧道浅埋、下穿建筑物地段，当拱顶下沉、水平收敛监测速率达5mm/d或位移累计达10 0 mm时，应暂停施工，并及时分析原因，优化支护参数及施工工艺。4.3路基沉降槽监测为了实时掌握隧道下穿火车站站场段对既有铁路沉降的影响，分析路基的竖向沉降,选取断面监测隧道从开挖至二次衬砌施工完毕整个过程中路基竖向沉降路基沉降槽变化如图12 所示。1130-20/2图12 路基沉降槽监测结果由图12 可知，隧道下穿站场施工过程中，路基沉降槽分布近似正态分布曲线，与Peck提出的地表沉降槽基本一致。影响范围为隧道中线左右侧2 0 m左右范围，最大沉降值为5.3mm，从数值上来看，由于隧道开挖的“空间与时间效应”，监测值大于数值模拟值。5结论与建议本文运用数值模拟计算对比分析了隧道下穿铁路站场时采用超前小导管和超前长管棚预加固措施，得出了不同预加固措施下地表沉降控制效果，得到以下结论与建议：(1)随着超前支护刚度的增加，地表沉降、拱顶N1d20沉降等不断减小。超前长管棚支护刚度大，注浆后隧外套d100mmPVC管L=490mm左右线轨道高差及沉降8-10距离/m-6J道拱部围岩形成的“梁拱效应”显著，改善围岩应力状态好，能有效控制围岩变形。（2）下穿站场浅埋暗挖段不宜采用小导管进行超前预支护。首先超前支护加固范围较小，超前预加固会受到地面列车、交通等荷载冲击，易发生失稳；其次由于小导管加固形成的加固圈刚度小，施工过程中容易在外力作用下发生塌，造成不良影响，鉴于施工期间不能影响过往列车的行驶及站内交通。（3）为确保列车行车运营安全，隧道施工期间，列车行车速度限制为4 5km/h。且列车通过时不得进行爆破作业。同时加强监测，根据监测结果优化施工方案。参考文献：1张俊龙.地铁区间隧道下穿某火车站设计与研究 .土工基础,2 0 12，26(3):57.2严开荣，李俊伟，宋书显.盾构隧道下穿火车站站场风险控制研究J.地下空间与工程学报，2 0 12,6(8):132 8-1332.（下转第2 2 5页）17510-23-4520302023年第6 期付勇高：基于不确定性推理的大跨度斜拉桥综合评估研究城市道桥与防洪加权平均方法仅是对数值的平均，掩盖了子指标之间的差异性。例如，钢箱梁的评估中，加权平均定其状态等级为2 类；但实综合评估方法表明，子指标主要分布于1 类和3 类状态下。直接加权平均方法容易造成对较差子指标状况的忽视。多级模糊综合评价方法和D-S证据推理评定方法对桥梁各部件及全桥整体综合状态评估分布基本相近。两种评估方法下，全桥最终评估结果的可信度分散且数值较低。因此，养护单位需要及时关注子部件的情况。4.2全桥状态可信度从二级指标推理到全桥最终状态连续推理的过程，可直接对加权平均得到的一级指标进行得到分信息的融合，从而得到全桥状态等级可信度分布，具体如图5所示。1.00.80.6F0.40.2F0图5一级指标加权数据融合的全桥等级可信度分布全桥状态的可信度分布主要集中在二类，其中D-S证据理论更加明显。实际年检报告中评定此桥梁状态为二类。可见D-S证据理论方法比模糊证据理论更为接近实际情况。进一步地，直接从加权数据推得的全桥状态丢失了桥梁可能处于三类状态的信息；而从二级指标逐层推理得到的全桥结果，更能保留更多有效信息，并在可信度分散的情况下有针对性的逐层向下找到评级较低的子指标，这更加体现出传统加权方法的不足。5结论本文为解决传统加权平均方法掩盖子指标差异性的缺陷，引入模糊综合评判方法，利用新的模糊合成算子，将主因素突出和加权平均两种模型的合成算子进行结合；引人D-S证据理论方法，将不确定度分配作为另一种权重的表现形式，得到不确定度的概率分配指派，从而计算时减小不同证据之间的冲突情况。可以得出以下结论：(1)D-S证据推理评定方法更能体现子指标之间的差异性，保留更多准确的评估信息。(2)多级模糊综合评价方法和D-S证据推理评定方法对桥梁各部件及全桥综合状态评估结果相接近。（3）当子部件安全状态可信度分散时，管理人员应及时检查子指标的实际状况。参考文献：1王永平，张宝银，张树仁.桥梁使用性能模糊评估专家系统 .中国12桥梁状态类别345公路学报，1 996(2)：6 2-6 7.2刘小玲.多源信息融合技术在钢结构斜拉桥状态评估中的应用研究D.南京：东南大学,2 0 1 7.3王维康.基于层次分析法和模糊理论的矮塔斜拉桥状态综合评估D.西安：长安大学,2 0 1 4.4张婷，翟明玉，张海滨，等.基于不确定性推理的变电站拓扑错误辨识 J.电力系统自动化,2 0 1 4（6)：49-54.(上接第1 7 5页）3洪开荣.盾构隧道穿越广州火车站站场的设计与施工 J.现代隧道技术,2 0 0 2,3 9(6):3 4-3 7.4陶勇虎，饶军应，熊鹏，等.地铁暗挖隧道下穿既有火车站站场施工方案安全性评估 J.隧道与地下工程灾害防治，2 0 2 0,2（4)：7 4-8 2.5徐干成，李成学,王后裕，等.地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析 J.岩土力学，2 0 0 93 0（增2)：2 6 9-2 7 3.6王效文.盾构隧道下穿火车站站场保护方案的探讨 .现代交通技术,2 0 0 9(6):7 2-7 4.7蒋红光.高速铁路板式轨道结构路基动力相互作用及累积沉降研究 D.杭州：浙江大学，2 0 1 4.8 张强.开挖卸荷下既有地铁隧道的竖向变形及其控制研究 D.北京：北京交通大学，2 0 1 2.9郑钦文.浅埋暗挖黄土隧道下穿火车站场区变形控制技术研究 D西安：西安建筑科技大学，2 0 1 7.225be paid to the displacement of each lifting fulcrum,and also the displacement limiting measuresshould be taken.The stress direction of beam bottom is basically consistent with the difference ofvertical displacement of bridge.The jacking construction is safe and reliable.The additional stress ofsection is more sensitive on the displacement deviation of the middle piers.Keywords:continuous box girder;synchronous jacking finite element;displacement deviationWater Traffic Organization for Multiple Bridge Construction in Inland WaterwayAbstract:Combined with the example of the water traffic organization for the construction of 20 bridgesspanning the waterway in Dalu Line Channel Regulation Phase II Project,the specific trafficorganization measures taken for this project are expounded in detail,including the introduction of athird party warning unit,the setup of temporary berthing space,the establishment of water traffic safetymanagement system,the deployment of the overall scheme for water traffic,the setup of waternavigation safety signs,and the preparation of safety emergency plan.These measures have played animportant role in the smooth progress of the Dalu Line Project,and can provide the reference andexperience for the water traffic organization of multi-bridge construction in the inland waterway in thefuture,which have the extensive promotion value.Keywords:inland waterway;bridge construction;watertraffic organizationResearch on Key Construction Technology and Control Essentials of Long-span Steel-concrete Composite Beam:JIANG Kai,CHEN Zepeng,SUN Zongshen(167)Abstract:For the long-span steel-concrete composite beam,its stress structure is complex,itsconstruction procedures are more and its technology is complex,but the construction examples are few.The key construction technologies such as the segmental installation,jacking and multiple superpositionof steel-concrete composite beams in the construction process of long-span steel-concrete compositebeams of the ring expressway bridge in Hangzhou are analyzed in detail.The key construction controlpoints such as the fine processing,accurate installation and positioning,synchronous jacking,settlement,displacement and deformation control of steel beams are summarized and put forward.The actualmeasurement shows that the steel-concrete composite beam controlled according to the relevanttechnology is completed with high accuracy,and the relevant indicators meet the requirements of thedesign documents and specifications.Keywords:steel-concrete composite beam;long-span;jacking;superposition;construction technique;control essentialsAnalysis on Construction Scheme of Diversion Tunnel Passing through Railway Station and Yard:Abstract:In order to clarify the best pre-reinforcement scheme when the tunnel passes through therailway station and yard,and based on the numerical simulation,the effects of two advancedpre-reinforcement measures of the advanced small pipe and the advanced long pipe shed are analyzed.The results show that with the increase of support stiffness,the ground surface settlement and vaultsettlement decrease continuously.The support stffness of the pipe shed is relatively large,and thebeam-arch effect can be formed after grouting,which can effectively improve the stress state of thesurrounding rock and control the deformation of the surrounding rock.This scheme can be recommendedfor the advanced support when the tunnel passes through the railway line.LIU Aimin(164)ZHANG Zhengliang(172)Keywords:numerical simulation;pre-reinforcement;ground surface settlement;beam-arch effectStudy on Subgrade Treatment of Adjacent Subway Road Based on Scheme Comparison.Abstract:With the day-by-day improvement of infrastructure construction,more critical roads are beingbuilt in the central urban area,but will face the complex environment of old road reconstruction andadjacent subways,facing complex environments such as the demolition of old buildings and the adjacentsubway,which puts forward the higher and more precise requirements and challenges for subgradetreatment.Taking the treatment of the subgrade in an old urban area with the subway line as an example,based on the concept of cost-effective and project characteristics,and combined with the comprehensiveanalysis of project needs,safety requirements and cost,a recommended scheme is achieved,which canprovide some reference for similar projects.Keywords:scheme comparison;adjacent metro;subgrade treatment.SHI Jing(176)Brief Analysis on Design Management of Interval Node in Opening Excavation of Up-crossing Metro:.LIUXiaoxi(180)Abstract:In recent years,with the rapid development of engineering construction in China,the problemsencountered in the urban construction become more and more complicated.Based on an example,thedesign of Suzhou Xinggang Street Tunnel up-crossing the interval node of Metro Line 1 is introduced.How to manage the design process of similar engineering nodes in the mode of design planning,designinput,design control and design output is explained.By clarifying the design process of key engineeringnodes,the node design work can be carried out more precisely,comprehensively and effectively in order toimprove the design quality of the node.Keywords:opening excavation;up-crossing metro;design managementStudy on V-shaped Pier Construction of Jingzhou City Chengbei Expressway ProjectWANG Hongqiang(184)Abstract:The V-shaped continuous rigid-frame bridge with the large rigidity and reasonable stress caneffectively reduce the building height of the main girder,and increase the spanning capacity of the maingirder to some extent.Taking the V-shaped pier continuous rigid-frame bridge crossing Jingxiang Riverin Chengbei Expressway of Jingzhou City as the study object,the reasonable sequence of bracket erection,segmenting and pouring in the construction of V-shaped piers are analyzed.The bridge construction issuccessfully completed by the scheme optimization,process monitoring and other means to enhance theconstruction quality and construction efficiency.This method has some referring values in the constructionof V-shaped pier rigid-frame bridges.Keywords:V-shaped pier;support;pouringKey Techniques for Foundation Construction of Beijiang Bridge in Guangfozhao Expressway.SHANG Qingguo,HEMinghui(188)Abstract:The 33#pier of Beijiang Bridge is adopted of bored pile and separated base slab.The base slabis located in the range of weathered mudstone,the water level at the pier is deep and the water velocity isfast.The foundation construction technology is difficult.After research,the construction method ofdrilling platform+steel sheet pile cofferdam is determined.The key technologies of rotary drilling rigpilot hole and underwater high-pressure grouting are adopted for the construction of steel sheet pile