地铁出入口下穿地面轻轨路基施工技术研究

2013-01-15张兴刚

铁道建筑 2013年5期

关键词：卵石降水断面

张兴刚

(沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁沈阳 110013)

地铁出入口下穿地面轻轨路基施工技术研究

张兴刚

(沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁沈阳 110013)

地铁出入口暗挖下穿既有轻轨路基属于重大风险源，所处地层为杂填土层及卵石层，地下水为海水环境，施工难度巨大。本文结合工程实例，对矿山法下穿地面有轨路基施工技术进行研究，包括数值计算、变形控制指标、工程措施及应急预案等，可作为今后类似工程的参考。

地铁结构地面轻轨路基矿山法施工全断面止水大管棚

1 工程概况

地铁出入口下穿202地面轻轨路基，结构拱顶至路基底面的高度6.3～7.5 m，出入口结构拱顶位于杂填土中，洞身位于杂填土及卵石层中，地勘资料的综合围岩级别为Ⅵ级。

根据勘察报告，本工点场区地貌属于凌水河阶地，距离海岸线不足400 m，地势平坦，地面高程4.16～5.16 m。本次勘察深度范围内的地层为第四系全新统冲积层，第四系上更新统坡洪积层，第四系中更新统残积黏土层及卵石层。其中卵石呈灰黄色，饱和，稍密～中密，多呈亚圆形，主要成分为石英岩，粒径20～100 mm，局部含有漂石，间隙充填有砾砂等，层厚1.50～12.00 m，层底高程－10.59～－5.59 m。

由于杂填土的透水性强，稳定性较差，故在地面轻轨路基下方进行矿山法施工难度和风险都是巨大的，有效的超前支护措施是工程施工成功的关键。为有效控制运行中的地面轻轨路基的沉降，施工中采用在暗挖马头门处设置管棚导向墙，打设φ108@300 mm(壁厚12 mm，长45 m)超前大管棚进洞及采取超前支护措施。同时，以φ42@300 mm超前小导管注浆作为辅助超前支护措施。大管棚可以有效地起到刚性支撑的作用，小导管注浆可以有效固结杂填土层。

场区中凌水河于南北两侧穿过，凌水河遇涨潮期海水会沿河道倒灌。本场地范围内地下水主要赋存于素填土层及卵石层中，水量丰富，同时受海水的潮汐影响，地下水位埋深3.1 m。由于结构处于卵石层中，卵石层具中等透水性，渗透系数k=10～12 m/d，对施工造成极严重的影响，故施工中采用井点区域降水辅以全断面止水方案，这样可以保证即使在井点降水失效的情况下，结构仍可以在全断面止水的辅助下进行暗挖施工。

工程采用上下台阶法施工，初支格栅钢架间距500 mm，二衬采用模筑C30混凝土。设计中采用ANSYS大型有限元数值模拟软件进行计算，同时对比国内相似工程经验，确保设计方案合理，有效控制地面轻轨路基安全。

2 数值分析

出入口隧道结构剖面及所处地层关系见图1。主体结构顶部位于杂填土层中，洞身位于粉质黏土及卵石层中，本次计算主要分析结构处于不稳定土体中开挖时的地面沉降值及控制措施的作用。

计算采用平面应变模型，地层均采用平面实体单元模拟，隧道结构采用梁单元模拟。考虑边界效应的影响，计算模型的尺寸取为45 m×25 m。边界条件为左右和底部为法向约束，上部为自由面。计算采用控制应力释放率的方法模拟，隧道采用全断面法施工，开挖释放率为0.3。考虑地表作用20 kPa的活载。有限元模型如图2所示。

初期支护完成后结构内力如图5及图6所示。可见结构最大弯矩为45.173 kN·m，最大轴力233.967 kN。

图1 结构剖面及所处地层(单位:mm)

图2 有限元整体模型

图3 出入口初期支护完成后竖向位移(单位:m)

图4 出入口初期支护完成后路基底面沉降分布

图5 出入口初期支护完成后衬砌弯矩(单位:N·m)

图6 出入口初期支护完成后衬砌轴力(单位:N)

综上分析可知，在超前大管棚作为超前支护的条件下，隧道本体的拱顶沉降达到了12.178 mm，路基基础的最大沉降为5.865 mm，均小于《安全风险技术管理体系》和《铁路线路修理规则》中对既有建筑和线路的控制指标。出入口在格栅+φ108@300 mm超前大管棚+φ42@300 mm超前小导管注浆作为超前支护情况下，结构能满足路基的沉降要求。

但考虑土体结构本身的复杂性，尤其是在进行区域降水的情况下，卵石层的细小颗粒会随着降水井的水流被抽走，从而造成地层的沉降(这部分沉降不在本次计算的模拟范围内)，故在进行施工前，应首先进行降水试验，尽量减小井壁纱布的孔径，降低降水造成的沉降影响。如由于降水造成的土体固结及细小颗粒流失对地层沉降影响明显，应考虑全断面注浆止水的方案。这样不但可以满足矿山法施工条件，还可以避免降水造成的地面沉降。

在施工过程中需要加强对暗挖结构和路基的实时监测，并适时调整支护参数和施工措施，做到动态设计，确保路基和出入口结构的安全。

3 变形控制指标

依据工程实际地质情况，通过有限元计算、以往经验及建筑物沉降控制标准，可以得出以下结论，为了确保路基在区间出入口施工过程中，不致发生结构沉降过大而破坏，确定该路基基础沉降控制标准为:路基绝对沉降控制在20 mm以内，隆起量控制在10 mm以内;穿越轻轨轨道绝对沉降值建议不大于10 mm。线路钢轨静态几何尺寸容许偏差管理值(按列车速度＜120 km/h、经常保养状态):①轨距，+7～－4 mm;②水平，6 mm;③高低，6 mm;④三角线扭曲，6 mm。

4 风险工程保护措施

1)施工前应先对轻轨路基进行地面注浆加固，必要时可以进行地面扣轨，在暗挖施工中应对列车进行限速。

2)控制开挖进尺，每循环控制在0.5 m并及时架设格栅，进行喷射混凝土支护。

3)出入口采用环形台阶法开挖，格栅间距0.5 m。在下台阶卵石地层中，施工时加强超前地质预报，打设超前探水管，保持作业面前方不小于5 m的探测长度，如降水及止水效果没能满足施工要求，应在作业面注水泥水玻璃浆液进行封堵，确保无水作业。

4)施工应遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则。施工时加强地表沉降、渗漏水监测，特别是路基的位移监测，监测频率应适当加密。如有可能应尽量选择枯水季节施工。

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5 应急预案

为保证周边环境和施工的安全，各相关方须通力合作，采取有效的维护及应急措施。当量测中发现指标超限时，应立即停止开挖，全断面封闭作业面，并及时通知业主、监理及设计单位，提供所有资料给有关人员或部门，认真分析与查找原因，提出对策，采取可靠措施后方可恢复掌子面开挖。以下提供的应急措施仅供参考，各项措施应根据需要选用。

1)施工期间应配备必要的抢险设备及材料，例如注浆机、砂包、水泥、速凝剂及钢管等。

2)应配备一定数量的抢险人员，指挥人员应在现场值班。

3)如沉降过大，可对开挖影响范围的土体，尤其是结构与地面轻轨路基间的土体进行加固处理，根据监测情况调整注浆压力和参数。

4)如出现红色预警，可采用注浆、旋喷桩进行跟踪加固。

5)加密监测频率，成立现场指挥小组进驻现场进行24 h的施工管理。