三孔小净距隧洞下穿铁路干线的暗挖施工变形控制方法

摘要

本发明公开了一种三孔小净距隧洞下穿铁路干线的暗挖施工变形控制方法，属于隧道(洞)浅埋土质地层施工技术领域。首先根据既有铁路干线轨道平顺性要求确定施工地表沉降控制标准；然后利用三维有限元静力及动力数值试验确定三孔隧洞的施工方案和施工参数；施工按线路加固→地表注浆加固→超前管幕施工→洞门施工→隧洞破口施工→边墙及掌子面注浆加固→隧洞开挖→隧洞支护→隧洞二衬→线路恢复，监控量测贯穿整个施工过程。施工过程中按预定方案及工序严格控制施工质量，采用信息化施工技术及时反馈调整施工参数，保障既有线的运营安全和隧洞结构稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道(洞) 浅埋土质地层施工技术领域，尤其是一种三孔小净距隧洞下穿铁路干线的暗挖施工变形控制方法。

背景技术

随着基础设施建设的发展，各种工程间近接施工相互影响越来越严重。引水干渠穿越既有铁路成为必然，保证隧洞下穿期间的施工安全和铁路运营安全是一项新课题。

当施工隧道下穿铁路时，不可避免地会对铁路干线产生如隆起、沉降等不利影响。为了确保隧道施工和铁路行车的安全，已有的施工方法所采取的措施有：严格控制并优化隧道施工参数，必要时采取辅助施工措施。

从目前隧道施工过程中来看，有单线或双线盾构隧道下穿铁路的工程，在不中断列车行车的情况下，还未见有在列车时速140km/h未减速情况下三线小净距隧道相继穿越铁路的盾构施工方法。三线隧道近接施工，无论三线同时施工或先后施工，必然存在复杂的相互影响，尤其是先建隧道将会受到后建隧道旋工的影响，而且列车行驶的振动也会对隧道的应力重分布和地层位移产生显著影响，给隧道施工增加了难度，属复合近接施工问题。另一方面，在三线隧道相继穿越铁路的盾构施工过程中，存在对地层的多次扰动和影响的叠加，很容易使地表和铁路干线的沉降超限，在铁路运行不允许被中断的情况下，三线隧道相继穿越铁路的盾构施工对于高速营运的列车存在着严重的危害。

涉及穿铁路干线的隧洞施工技术的专利，如申请号为200710050138.2，该专利为三线并行下穿铁路干线隧道的盾构施工方法，施工方法包括以下步骤：利用三维有限元对各施工顺序和方法进行模拟分析，选择盾构施工顺序；根据动应力的影响程度，选择铁路路基加固的方案；采用荷载结构模型，计算确立铁路列车动载下的盾构管片配筋加强方案；根据试验结果和盾构机性能选择施工参数，包括合理设定正面土压力、加强同步注浆、严格控制掘进速度、严格控制轴线偏差、利用预埋注浆孔进行壁后二次注浆、加注泡沫或泥浆；采用严密的监测措施监测盾构施工过程，使施工单位能够及时调整施工参数，保障施工的安全进行。本发明给出了具体的施工方法，但未明确说明在施工过程中，对隧洞的变形控制所采取的措施。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三孔小净距隧洞下穿铁路干线的暗挖施工变形控制方法，该方法可以在不中断列车行车的情况下，实现了三孔隧洞的下穿，保障既有线路的运营安全和隧洞结构稳定。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种三孔小净距隧洞下穿铁路干线的暗挖施工变形控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1）施工准备：根据既有铁路干线轨道平顺性要求，结合工程实际情况，确定施工地表沉降控制标准；利用有限元程序建立三维静力和动力数值模型，计算模拟不同加固方案、不同施工方案和不同施工参数工况下各施工阶段的地表位移、洞内位移及结构内力变化，从而确定三孔隧洞的施工方案和施工参数；

2）线路加固：首先在线路两侧搭设钻孔桩作为支撑桩，对线路采用吊轨纵横梁法加固；线路加固61m范围内，每隔2根混凝土枕穿入1根木枕；横梁采用工字钢，横梁两端支撑在桩顶冠梁上，采用螺栓将横梁与吊轨联接牢固；线路两侧及中间纵梁采用工字钢，两根一束布置，置于横梁上，用U型螺栓与横梁联接，两端置于枕木垛上；吊轨梁采用钢轨，组装方式为3-5-3扣，钢轨接头错开，两端与纵梁平齐，并加设临时梭头；吊枕与其下面的枕木用U型螺栓连接在一起以增强其整体性，并设轨距杆；横梁在横向与两侧冠梁固定；

3）地表注浆加固：采用小导管注浆施工方法，对洞顶以上路基压注水泥浆液进行加固处理；采用二重管注浆施工方法，对隧道边墙以外2m范围土体压注水泥—水玻璃双液浆进行加固处理；

4）超前管幕施工：在隧道拱部沿隧道中线方向夯入带有连接互锁导向装置的热压无缝钢管；钢管夯通后在夯进侧采用螺旋钻出土，然后向钢管内填注有压细石混凝土，形成水平向的钢管混凝土帷幕；

5）洞门及洞口施工：在隧道洞口两侧钻孔灌注桩；在隧道入口侧施做环框梁；隧道洞口管幕钢管上方土体和管幕钢管与支护桩之间土体采用砂浆锚杆支护；洞口部位两榀格栅并架，进口段附近格栅加密并和管幕钢管用钢筋焊接牢固；环框门完成后在隧道进口处再分台阶破口掘进；

6）边墙及掌子面注浆加固：边墙小导管沿开挖轮廓线从格栅腹部穿过；掌子面上台阶小导管顺隧道中线方向打设；

7）隧洞开挖：采用四台阶预留核心土加临时横撑法施工，开挖按一、二、三、四台阶顺序施工，台阶长度控制在3～5m，开挖步长0.5m；先施工左右两侧隧洞，再破口掘进中间隧洞；

8）隧洞支护：全环喷射混凝土，厚度至350mm，线路下方土体部分采用钢架支护； 

9）隧洞二衬：二次衬砌采用防水混凝土；二次衬砌施工由简易衬砌拱架、定型模板联合支护完成；首先施作隧洞底板衬砌，隧洞贯通后先施工线路下方的衬砌，由隧道中间向两侧推进；按跳段施工法，每段隧道每次同时进行两段的底板衬砌；在一段底板衬砌完后即开始进行隧道拱墙衬砌；二衬混凝土达到设计强度后立即对二衬与初衬之间压浆；

10）监控量测：线路恢复后，监控量测贯穿整个施工过程，直至恢复线路后15天后；监测项目包括洞内外观测、地表沉降、轨面高程、地层位移、电气化网杆的倾斜和沉降、隧道内拱顶下沉、洞内收敛、底部隆起监测；监测结果直接反馈到施工过程中，及时调整施工参数。

所述隧洞开挖步骤中，临时支撑采用钢管搭设在二台阶处；在一台阶掌子面打设超前注浆小导管，并注浆固化掌子面土体；在一、二、三台阶拱脚打设锁脚锚管，每榀格栅每侧各打设两根，并注浆加固土体。

所述超前管幕施工步骤中，搭设管幕钢管采用热轧无缝钢管，布设在隧道拱部范围内，环向间距550～600mm，距开挖轮廓线至少10cm，钢管采用10m和12m的管节，坡口满焊连接，相邻钢管接头处相互错开，隧道同一横断面的接头数不大于50%。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明首先采用理论及经验方法确定地表沉降控制标准，然后根据理论分析结果确定施工方案和施工参数，具有理论支持，提高施工可靠性；本方法在施工过程中采用信息化施工技术，根据量测信息及时反馈到施工中，及时调整施工方案和施工参数，保障施工安全；本方法中的设备采用小型机具，操作简单，利用传统技术，施工简便，工序简单，劳动强度较低；本方法施工过程严格施工工序，施工过程安全可控，保证作业安全；该方法可以在不中断列车行车的情况下，实现了三孔隧洞的下穿，保障既有线路的运营安全和隧洞结构稳定，施工所需场地小，不影响正常的铁路运输秩序；建筑垃圾很少，对环境污染小。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

本发明具体设计一种三孔小净距隧洞下穿铁路干线的暗挖施工变形控制方法，适用于隧道(洞)浅埋土质地层中下穿铁路既有线施工作业。

首先根据既有铁路干线轨道平顺性要求确定施工地表沉降控制标准；然后利用三维有限元静力数值试验确定三孔隧洞的施工先后顺序、开挖方法、支护时机；再利用三维有限元静力和动力数值试验选择合理的线路加固、隧洞超前加固方案，以及台阶长度、台阶高度、支护封闭时机、二次衬砌施作时机、超前加固范围、路基及线路加固范围等施工参数。施工按线路加固→地表注浆加固→超前管幕施工→洞门施工→隧洞破口施工→边墙及掌子面注浆加固→隧洞开挖→隧洞支护→隧洞二衬→线路恢复，监控量测贯穿整个施工过程。施工过程中按预定方案及工序严格控制施工质量，采用信息化施工技术及时反馈调整施工参数，保障既有线的运营安全和隧洞结构稳定。

根据附图1可以看出，以某工程为例，来详细叙述本发明具体施工工艺步骤如下。

1）确定地表沉降控制标准

根据既有铁路干线轨道平顺性要求，结合工程实际情况，确定三孔小净距隧洞下穿铁路干线的施工地表沉降控制标准。

2）确定施工方案和施工参数

利用有限元程序建立三维静力和动力数值模型，计算模拟不同加固方案、不同施工方案和不同施工参数工况下各施工阶段的地表位移、洞内位移及结构内力变化，从而确定三孔隧洞的线路加固、路基加固、超前加固、洞内加固、开挖施工及支护方案，并确定路基及线路加固范围、超前及洞内加固范围、台阶长度、台阶高度、支护时机、二次衬砌施作时机等施工参数。

3）线路加固方案

首先在线路两侧各设10根钻孔桩作为支撑桩，对线路采用吊轨纵横梁法加固。线路加固61m范围内，每隔2根混凝土枕穿入1根木枕。横梁采用I40b工字钢，横梁两端支撑在桩顶冠梁上，采用Ф22U型螺栓将横梁与吊轨联接牢固。线路两侧及中间纵梁采用I45b工字钢，两根一束布置，置于横梁上，用U型螺栓与横梁联接，两端置于枕木垛上。吊轨梁采用43kg/m钢轨，组装方式为3-5-3扣，钢轨接头须错开1.0米以上，两端与纵梁平齐，并加设临时梭头。吊枕与其下面的枕木用U型螺栓连接在一起以增强其整体性，并设轨距杆。为使线路加固的整体刚度加大，横梁在横向与两侧冠梁固定。

4) 地表注浆加固：采用小导管注浆施工方法，对洞顶以上路基压注水泥浆液进行加固处理，从而固化路基土体，提高路基稳定性；采用二重管注浆施工方法，对隧道边墙以外2m范围土体压注水泥—水玻璃双液浆进行加固处理，从而固化隧道边墙以外土体，防止隧道掘进时，边墙侧塌。

5）超前管幕施工

大管棚采用Φ500mm热轧无缝钢管，壁厚14mm，长度32m，布设在隧道拱部范围内，环向间距595mm，距开挖轮廓线10cm，每条隧道19根，三条隧道累计57根，管棚采用10m和12m的管节，坡口满焊连接，相邻钢管接头处相互错开2m的距离，隧道同一横断面的接头数不大于50%。利用TT450型夯管锤，在隧道拱部沿隧道中线方向夯入带有连接互锁导向装置的Ф500*14热压无缝钢管。钢管夯通后在夯进侧采用螺旋钻出土，然后向钢管内填注有压细石混凝土，形成水平向的钢管混凝土帷幕。

6）洞门及洞口施工

为保证隧道施工时既有线路基安全，在隧道洞口两侧各设2根直径800mm的钻孔灌注桩。在隧道入口侧，施做环框梁。隧道洞口管棚上方土体和管棚与支护桩之间土体采用Φ22砂浆锚杆支护。

洞口部位两榀格栅并架，进口段2m格栅加密并和大管棚用钢筋焊接牢固。环框门完成后在隧道进口处再分台阶破口掘进。

7）边墙及掌子面注浆加固

掌子面小导管顺隧道中线方向打设，间距100cm，单根长3.0m。纵向每3.0m打设一排小导管、两排小导管纵向不搭接。边墙小导管沿开挖轮廓线从格栅腹部穿过，间距30cm，单根长3.0m，仰角及外插角10°～15°。纵向每0.5m打设一排小导管、两排小导管纵向搭接长度不小于2.5m。

8） 隧洞开挖

采用四台阶预留核心土加临时横撑法施工，开挖按一、二、三、四台阶顺序施工，台阶长度控制在3～5m，开挖步长0.5m。先施工左右两侧隧洞，掘进20m后再破口掘进中间隧洞。采用人工开挖，小型机具运输。

临时支撑采用直径Φ159壁厚10mm钢管，设在二台阶处；在一台阶掌子面打设超前注浆小导管，并注浆固化掌子面土体，小导管采用Φ42，长3.0m，前后搭接0.5m，间距1m；在一、二、三台阶拱脚打设锁脚锚管，每榀格栅每侧各打设两根，采用Φ42，长3m，并注浆加固土体。

9）隧洞支护

初期支护采用C25早强喷射混凝土，全环厚度350mm。格栅采用洞外分段加工，洞内安装，纵向间距500mm。纵向连接筋采用Φ20，环向间距1000mm；格栅内侧设置钢筋网（φ6×φ8钢筋，间距150mm×150mm）。隧洞穿越线路下方14m范围内，采用I25a型钢钢架，纵向间距500mm，以增加防护。

10）隧洞二衬

二次衬砌采用C30防水混凝土。二次衬砌施工由简易衬砌拱架、定型模板联合支护完成。二衬纵向6m一个单元，每条隧道分为6个单元。首先施作隧洞底板衬砌，隧洞贯通后先施工线路下方的衬砌，由隧道中间向东、西两侧推进。按跳段施工法，每段隧道每次同时进行两段的底板衬砌。在一段底板衬砌完后即开始进行隧道拱墙衬砌，每条隧道各用6m模板施工。混凝土采用泵车泵送，人力捣固。二衬混凝土达到设计强度后立即对二衬与初衬之间压浆，保证二衬与初衬密贴。

11）监控量测

线路恢复后，监控量测贯穿整个施工过程，直至恢复线路后15天后。监控量测控制标准为地表沉降10mm，拱顶下沉10mm，水平收敛20mm。监测项目包括洞内外观测、地表沉降、轨面高程、地层位移、电气化网杆的倾斜和沉降、隧道内拱顶下沉、洞内收敛、底部隆起监测。监测结果直接反馈到施工过程中，及时调整施工参数。

工程实例一  

隧道中线与某铁路上行线相交处铁路里程为：K88+056.20，隧道轴线与铁路轴线夹角为87°。本工程包括明、暗挖隧道主体工程。隧道拱顶至地面高度为2m，距铁路路肩高度为4.33m。单孔隧道洞身长42m，其中暗挖段长度为32m，明挖段长度为10m。3孔隧道暗挖段共96m，明挖段共30m。

铁路上下行线间距为4.27m， 上行线轨面高程为12.14m，线路纵坡为3‰；下行线轨面高程为12.14m，线路纵坡为3‰；路基顶面宽13.44m，路基边坡坡率为1:1.5。铁路为电气化铁路，路基两侧设有电化立柱。隧道均与铁路线两侧通信光缆、电缆相交叉。铁路两侧均有电力贯通线。

隧道断面形式为分离式小净距三孔暗挖隧道形式。每孔断面形式为带仰拱直墙式暗挖隧道形式，每孔开挖断面最大跨度为7.5m，高为9.95m。两孔中心线间距为17.5m，中间净土柱宽度10m。

工程区域内主要位于粉、细、中砂层。隧道开挖时由于地层多次扰动或支护不当有可能导致铁路路基沉降超标，影响既有线设备的正常运营是工程的风险。围岩土体松散，自稳能力差，易坍塌；结构上方铁路线列车频繁，路基震动大，更增加了土体的不稳定性。

利用本发明的方法进行施工，监测数据如下：实测地表沉降最大值为6.2mm，发生在西测线中洞位置，东测线中洞位置最大地表沉降5.9mm。地表沉降曲线形态基本呈三峰形态，左右侧洞顶地表沉降峰值略小。实测最大拱顶下沉7.5mm，发生在中洞位置，左右洞最大拱顶下沉分别为5.6mm、4.9mm；实测最大水平收敛11.9mm，发生在左洞位置，中洞及右洞最大水平收敛分别为11.5mm、8.4mm。从监测结果分析，施工过程中地表沉降及洞周变形均被控制在允许范围以内，说明隧洞施工安全和施工质量得到保证，而且保障了列车的正常行车安全，本方法在下穿该铁路隧道工程中的应用是成功的。

在工程实施过程中采用“三孔小净距隧洞下穿铁路干线暗挖施工变形控制方法”，成功地实现了三孔隧洞的下穿，保障了隧道施工安全和铁路线的正常行车安全。

工程实例一  

隧道中线与某铁路上行线相交处铁路里程为：K66+833，隧道轴线与铁路轴线夹角为46.8°。本工程包括明、暗挖隧道主体工程。隧道拱顶至地面高度为2m，距铁路路肩高度为5.92m。隧道洞身进口桩号为XW93+753，出口桩号XW93+823，单孔隧道洞身长70m，其中暗挖段长度为45m，明挖段长度为25m。3孔隧道暗挖段共135m，明挖段共75m。

铁路上下行线间距为4.6m，上行线轨面高程为12.32m，线路纵坡为-0.8‰；下行线轨面高程为12.34m，线路纵坡为-0.8‰；路基顶面宽12.3m，路基边坡坡率为1：1.5。铁路为电气化铁路，路基两侧设有接触网杆。铁路线两侧通信光缆、电缆相交叉。铁路两侧均有电力贯通线。

隧道断面形式为分离式小净距三孔暗挖隧道形式。每孔断面形式为带仰拱直墙式暗挖隧道形式，每孔开挖断面最大跨度为7.5m，高为9.95m。两孔中心线间距为17.5m，中间净土柱宽度10m。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。二次衬砌采用钢筋混凝土结构，在初期支护和二次衬砌之间设置自粘式ECB防水板。三条隧道均为带仰拱直墙结构形式，暗挖段45m采用台阶法施工。

利用本发明的方法进行施工，监测数据如下：实测地表沉降最大值为7.8mm，发生在西测线中洞位置，东测线中洞位置最大地表沉降6.1mm。地表沉降曲线形态基本呈三峰形态，左右侧洞顶地表沉降峰值略小。实测最大拱顶下沉8.5mm，发生在中洞位置，左右洞最大拱顶下沉分别为5.4mm、6.3mm；实测最大水平收敛12.3mm，发生在中洞位置，左洞及右洞最大水平收敛分别为10.8mm、9.5mm。从监测结果分析，施工过程中地表沉降及洞周变形均被控制在允许范围以内，说明隧洞施工安全和施工质量得到保证，而且保障了列车的正常行车安全，本方法在下穿该铁路隧道工程中的应用是成功的。

在工程实施过程中采用“三孔小净距隧洞下穿铁路干线暗挖施工变形控制方法”，成功地实现了三孔隧洞的下穿，保障了隧道施工安全和铁路线的正常行车安全。