大跨公路隧道小角度斜交既有線沉降控制

大跨公路隧道小角度斜交既有線沉降控制

0隧道暗挖地表沉降隨既有線路方案現(xiàn)在，我國(guó)公共交通的快速建設(shè)時(shí)代，各種線路的交叉口必然存在高下穿層和低穿層的問(wèn)題，導(dǎo)致高度或下跌形成高度偏差的趨勢(shì)。對(duì)于空間影響較小的下降，人們逐漸喜歡下降。對(duì)于不同的建筑，沉降控制的標(biāo)準(zhǔn)不同，相應(yīng)的加固措施也不同。對(duì)于下降，現(xiàn)在主要使用不同的便條加固自行車道，如尤為明顯的情況。嚴(yán)立忠等人在杭州街隧道通過(guò)上海杭州鐵路段采用三組dd4固定支架加固三個(gè)晉塊，加固三個(gè)晉塊，并在隧道施工后恢復(fù)其原有形狀。馬偉平比較了下穿既有線橋的坍塌加固方案，即減軌梁加固方案、便行梁加固方案和勞動(dòng)梁加固方案，并分析了不同的應(yīng)用條件。然而，這些范圍非常小，與既有直角和大傾角的影響范圍相對(duì)應(yīng)，因此可以采用通用的便行形狀來(lái)加固既有直線。李文江等鐵路站地下隧道地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的研究采用了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)模型，采用了數(shù)學(xué)力學(xué)的基本分析方法，建立了相應(yīng)的隧道施工地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。徐干成,李成學(xué),王后裕等在北京地鐵區(qū)間下穿京津城際鐵路中采用三維仿真數(shù)值模擬研究表明,對(duì)下穿段一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行注漿加固可以有效控制盾構(gòu)隧道施工引起的既有鐵路縱向和橫向沉降及不均勻沉降。1隧道建筑限界寬度某隧道起點(diǎn)樁號(hào)ZK100+175,終點(diǎn)樁號(hào)ZK102+130,全長(zhǎng)1955m,本隧道本溪端于ZK100+262.377下穿本溪至遼陽(yáng)鐵路(見圖1)。鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為單線II級(jí)鐵路,設(shè)計(jì)行車速度120km/h,限制坡度15‰;新建公路隧道為單向雙車道,設(shè)計(jì)速度為60km/h,隧道建筑限界寬度10.5m=(0.75+1.50+2×3.5+0.5+0.75),隧道建筑限界凈高5.0m,檢修道凈高2.5m。概況評(píng)價(jià):新建鐵路隧道中線與既有線相交角度較小,交角22°,且對(duì)軌道影響范圍大,軌道方向隧道開挖跨度約40m;既有線軌面高程為159.996m,隧道頂距軌面10.8m,為淺埋隧道。因此,本工程為淺埋大跨隧道小角度斜穿既有線,工程難度和風(fēng)險(xiǎn)較大。與鐵路交叉段洞身圍巖情況為:(1)人工回填碎石土,約6.0m厚,由碎石粉土組成,碎石占50%~60%。(2)弱風(fēng)化石灰?guī)r,泥質(zhì)膠結(jié),為較堅(jiān)硬巖,節(jié)理裂隙較發(fā)育,沿裂隙有溶蝕現(xiàn)象。(3)微風(fēng)化石灰?guī)r:灰黑色,泥晶結(jié)構(gòu),中厚層狀~厚層狀,泥質(zhì)膠結(jié)。巖石較完整,為較堅(jiān)硬巖。工程區(qū)下部地段有溶洞,圍巖中有地下水,涌水量Q2=80.9m3/d,雨季水量會(huì)大些。2大管棚超前預(yù)支護(hù)方案本工程大跨隧道與既有線小角度斜交,隧道施工對(duì)既有線的影響范圍較大,約40m,若采用便梁加固措施,對(duì)于40m跨的梁而言,必然造成施工難度大以及經(jīng)濟(jì)性較差,故隧道施工考慮一次施作40m長(zhǎng)Φ200大管棚+Φ42小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)加固下穿既有鐵路段,在下穿軌道前5m處設(shè)置一個(gè)15m長(zhǎng)管棚工作腔,斷面加高1.5m左右,如圖2所示。大管棚超前支護(hù)示意圖見圖3。為了增加既有線在隧道施工時(shí)整體協(xié)調(diào)變形能力,可以在隧道施工前對(duì)軌道進(jìn)行3-5-3扣軌預(yù)加固。3軌道橫向傾斜值隧道開挖引起的地表沉降對(duì)既有鐵路線路的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一方面可能造成水平(指線路兩股鋼軌頂面的相對(duì)高差)超限;另一方面可能造成前后高差(指沿線路方向的豎向平順性)超限。參照《鐵路線路修理規(guī)則》中對(duì)軌道需臨時(shí)檢修控制標(biāo)準(zhǔn)值,制定本工程沉降控制基準(zhǔn)值,線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值如下:υmax≤120km/h,臨時(shí)補(bǔ)修,水平8mm,高低(軌道縱向10m)8mm。根據(jù)軌道前后高低不平順決定的軌道變形控制基準(zhǔn),可以推導(dǎo)出軌道縱向斜率容許值式中,[f]為鐵路軌道允許的高低傾斜值;[d]為鐵路軌道允許10m弦量測(cè)的最大矢度值;L為量測(cè)弦長(zhǎng),為10m?？紤]到既有線既有不平順性,將容許最大矢度值減半,按4mm計(jì),可以得知本工程容許軌道縱向斜率值:[f]=4/10000=1/2500。4施工沉降控制模擬計(jì)算4.1垂直方向隧道模型根據(jù)工程實(shí)際情況,計(jì)算模型縱向(沿隧道軸線)取40m,水平方向長(zhǎng)度約為100m;垂直方向隧道底部以下15m,上邊界取近似地表的自由邊界。模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束,地表為自由邊界。隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元,模型共劃分了73310個(gè)節(jié)點(diǎn)和69320個(gè)單元。三維計(jì)算模型如圖4所示。4.2mohs-coolomb準(zhǔn)則巖土材料常用的屈服準(zhǔn)則有Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和Drucker-Prager準(zhǔn)則。在FLAC有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算中,對(duì)松散膠結(jié)體圍巖,采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。Mohr-Coulomb的屈服函數(shù)為式中,c、?分別為黏聚力和內(nèi)摩擦角;σm為平均應(yīng)力,σm=I1/3,其中,I1為應(yīng)力第1不變量;為等效應(yīng)力其中,J2為應(yīng)力偏量第2不變量;θ為L(zhǎng)ode角;規(guī)定拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。4.3層及配件參數(shù)計(jì)算中圍巖材料采用摩爾-庫(kù)侖理想彈塑性模型,圍巖及支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。4.4軌道測(cè)點(diǎn)的布置為了便于數(shù)值模擬分析,在目標(biāo)面地表軌道測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。計(jì)算軌道測(cè)點(diǎn)布置為:模型前端處左軌編號(hào)為1,右軌編號(hào)為“1”,以此類推編號(hào)。以便分析軌道縱向、水平差異變形及軌距差異變形。4.5計(jì)算結(jié)果和分析4.5.1隧道拱頂位移下穿段隧道施工圍巖變形和襯砌結(jié)構(gòu)受力結(jié)果如圖6~圖8所示。由計(jì)算結(jié)果可知,穿越既有線工程中,隧道拱頂豎向位移最大達(dá)到6.3mm,水平最大位移達(dá)到2.2mm。襯砌結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)為1.26MPa,在拱肩附近位置,最大主應(yīng)力為(拉應(yīng)力)1.19MPa,均小于混凝土的極限抗拉和抗壓強(qiáng)度?？芍?下穿段隧道在該工法下開挖圍巖較為穩(wěn)定,襯砌受力滿足要求。4.5.2地表軌道水平差異沉降(1)軌道縱向沉降差分析。隧道進(jìn)尺過(guò)程中,軌道縱向差異沉降變形是控制既有鐵路運(yùn)營(yíng)安全的一個(gè)重要指標(biāo),軌道測(cè)點(diǎn)(分左右軌道)每循環(huán)進(jìn)尺時(shí)軌道縱向曲線分別見圖9、圖10。從圖9和圖10可以看出,隧道開挖過(guò)程中,在掌子面前后1倍洞徑范圍內(nèi),隧道沉降最大,占總沉降的60%左右,對(duì)應(yīng)左右線軌道縱向斜率在掌子面前面1倍洞徑內(nèi)最大,其最大斜率為1/7100,遠(yuǎn)小于軌道縱向容許斜率1/2500。隧道穿越既有線過(guò)程中,地表軌道最大沉降值為3.56mm,分別位于隧道中線與左右軌道交叉處。(2)左右軌道水平高差分析。隨著隧道的開挖進(jìn)尺,兩側(cè)軌道高差比變化如圖11所示。圖11為軌向同里程斷面兩側(cè)軌道每對(duì)測(cè)點(diǎn)(i,‘i’)水平差異沉降(ZDISi-ZDIS‘i’),通過(guò)分析可知,在隧道開挖未到達(dá)軌道正下方時(shí),其差異沉降值為負(fù);在隧道接近軌道下方時(shí)(18m<x<22m),兩側(cè)軌道差異沉降很小,隨著進(jìn)一步開挖(x>22m),左側(cè)軌道沉降大于右線沉降,即二者的差值為正。在隧道穿越既有線范圍過(guò)程中,兩軌道最大水平差異沉降僅為0.5mm。5沉降控制評(píng)估根據(jù)既有線沉降控制基準(zhǔn)值,結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算分析結(jié)果,在施工過(guò)程中做好相應(yīng)的監(jiān)控量測(cè)工作,并制定相應(yīng)的沉降控制標(biāo)準(zhǔn),采用沉降控制基準(zhǔn)值的75%作為預(yù)警值、85%作為施工報(bào)警值,見表2。6地表軌道縱向沉降特征通過(guò)對(duì)大跨隧道小角度下穿既有鐵路工程三維數(shù)值施工模擬計(jì)算結(jié)果及分析,可以得出如下結(jié)論:(1)軌道縱向高低差異沉降。在掌子面前后一倍洞距范圍,地表沉降占總沉降的60%,沉降槽斜率也最大,本工程地表軌道縱向最大斜率為0.014%,均滿足軌道縱向高低差異控制值。(2)軌道水平差異沉降。水平軌差異變形在隧道到達(dá)軌道前,右側(cè)軌道沉降大于左