明挖隧道下穿复杂铁路站场关键技术研究

2019-07-18卢裕杰

铁道建筑技术 2019年4期

卢裕杰

（中铁第五勘察设计院集团有限公司北京 102600）

1 引言

一般而言，铁路站场股道密集，设备繁多，工程建设条件复杂，市政道路在不可避免穿越时，通常优先采用桥梁上跨方案［1-2］，但存在着与周边景观协调困难、运营期道路抛洒或养护可能影响铁路安全等缺点。因此，隧道下穿铁路站场的案例逐年增加［3-4］，越来越受到了工程技术人员的关注。

隧道下穿铁路站场的施工方法主要有盾构法、暗挖法、顶进法、明挖现浇法等。其中，明挖现浇法不受长度限制、铁路沉降可控、风险小、工期短、投资省，在下穿铁路工程中应用较广［5-8］。但该法必须以铁路不间断运营为前提，在下穿复杂铁路站场时，存在着总体布置、线路加固、施工组织、设备迁改等一系列技术问题。基于此，本文以某市政道路下穿安康货运东站为例，对明挖隧道下穿铁路站场关键技术进行研究。

2 工程概况及主要技术难点

市政道路明挖隧道由南向北分幅依次下穿安康货运东站内货场联络线、V场1道～10道、车辆段走行线、货车疏解上行线共13股道，两幅隧道净距7.2 m。隧道与安康货运东站铁路位置关系如图1所示。

图1 隧道与安康货运东站铁路位置关系（单位：m）

安康货运东站为混合式三级五场一等编组站，是连接西北、西南、华中地区的重要铁路枢纽，年吞吐能力高达60余万t，为西部大开发和带动陕南经济发展发挥着重要作用。

隧址处自上而下地层分别为第四系全新统人工堆积层杂填土（Qml4），第四系上更新冲积层粉质黏土（Qal＋pl13）、卵石土（Qal＋pl63），志留系下统石牛栏组云母片岩（Sph1）。隧道主要在杂填土及粉质黏土层中穿越。

综合考虑两端接线条件、铁路沉降控制、施工难度、风险、工期、投资等因素，本隧道采用明挖现浇法施工。其主要技术难点包括：

（1）安康货运东站内13股铁路走向、轨道类型、轨面高程等均差异较大，隧道布置困难。

（2）隧道与铁路股道斜交，夹角64°，使得铁路加固跨度大，加固方式受限。

（3）安康货运东站内货检、列检等作业繁忙，施工组织的优劣直接影响到铁路站场的正常运营。

（4）隧道影响铁路通信、信号光电缆12组，电力电缆3条、接触网软横跨4组等，尤其是接触网，受隧道斜穿影响，迁改实施难度大。

3 大高差条件下的隧道纵向布置技术

下穿铁路明挖隧道的纵向布置，从隧道顶面至轨道顶面的覆土是重要的考量因素。一般而言，在满足轨下结构尺寸要求的前提下，不宜过大，以免造成铁路后期运营的沉降。本隧道下穿13股铁路，轨面高程差异较大，从279.77 m（货场联络线）到284.28 m（货车疏解上行线），高差4.51 m，对隧道纵向布置影响很大。

图2 有限元计算模型

为选择合理的覆土厚度，利用商业有限元软件 MIDAS-GTS［9］建立数值模型，如图2所示，对不同覆土条件下股道的沉降进行分析。在模型中，基坑开挖范围采用级配碎石注浆回填，回填土压实度按大于0.93考虑。

根据安康货运东站轨道结构型式及相关要求，覆土厚度应不小于0.8 m。因此，在覆土0.8～2.4 m区间内间隔0.2 m进行一次分析，得到铁路轨道沉降（指10 m弦测量的最大矢度值，下同）与覆土厚度关系，如图3所示。

图3 铁路轨道沉降与覆土关系

图3显示，随着覆土厚度的增加，轨道沉降随之增加。根据《铁路线路维修准则》［10］，对于设计行车速度不大于120 km／h的普速铁路，轨道沉降值不宜大于4 mm。以此为控制值，则为了确保铁路的运营安全，覆土厚度不应超过1.9 m。

综合考虑隧道两端接线条件、纵坡等因素，若隧道纵向采用常规的等截面形式，则在股道大高差的条件下，部分铁路后期沉降预测将超过控制值，给铁路运营造成不利影响，甚至危及行车安全。因此，经综合考虑，隧道纵向采用变截面布置形式，如图4所示。通过加高隧道内净空，控制隧道结构顶面至轨道顶面覆土在1.02～1.82 m之间，既满足铁路沉降要求，同时也有利于增强隧道的行车舒适感。

图4 变截面隧道纵向布置（单位：m）

4 小夹角条件下的铁路加固技术

为了不中断既有铁路行车，在明挖隧道下穿铁路站场的施工过程中，必须对铁路采用安全合理的加固措施。

一般而言，既有铁路的加固方式主要有D型便梁法和工字钢“横抬纵挑”法［11］。D型便梁为制式构件，有 D12、D16、D20、D24四种类型，分别适用于12.06、16.08、20.10、24.12 m跨度，不需要进行结构检算［12］。工字钢“横抬纵挑”法则是利用工字钢作为纵横梁进行现场拼装，横梁从枕木底穿过，将枕木与钢轨一并抬起，纵梁安装在铁路两侧位置并置于由枕木底伸出的横梁上。纵梁常用 100，横梁常用 45或 56。该方法跨度可灵活布置，但需要进行结构检算。

具体到本工程而言，考虑到隧道下穿13股道，当地D型便梁备料不足，外运成本高。从降低工程造价的角度出发，宜优先选用工字钢“横抬纵挑”法。

根据材料力学原理，当采用 100作为纵梁时，在不同跨度条件下，“横抬纵挑”法加固系统纵梁的跨中挠度如图 5所示。以l／400（l为跨度，单位mm）作为容许挠度，则加固跨度应小于14 m。

图5 纵梁跨中挠度与跨度关系

本隧道以64°小夹角斜穿安康货运东站V场1～10道，单幅隧道15m，两幅隧道净距7.2 m。为避免支点桩（直径1.5 m）与隧道空间冲突，取两幅隧道净距中部作为一个支点，则本次加固系统主跨最小需要（7.2／2＋15）／sin64°＋1.5＝22.2（m），采用工字钢“横抬纵挑”法挠度不能满足使用要求，需采用D24便梁进行加固。

基于此，为确保既有铁路安全运营的同时，最大限度减少便梁租赁及运输费用，降低投资，本工程加固系统主跨选用D24便梁，其余跨选用工字钢“横抬纵挑”法进行加固，其布置如图6所示。

图6 铁路加固系统示意（单位：m）

采用D24便梁进行线路架空，施工顺序优化为调整枕距→穿横梁→纵梁就位，均在封锁点内进行。

（1）调整枕距

先将轨枕的位置按670 mm的间距用白油漆标志在钢轨外侧轨腰处，将多余的轨枕抽出。D型纵梁架设就位后按照位置进行调整枕距作业，确保轨枕与线路垂直，并调平轨面。

（2）穿横梁

横梁事先由人工抬运至施工地点，施工时先穿入定位横梁，连接定位角钢，然后穿入其他横梁，保证各组横梁位置正确，用便梁扣件将横梁与钢轨连接。至少在一根钢轨下需要垫大块绝缘橡胶轨垫，防止轨道电路短路，影响信号和行车。塞入横梁时要对准联接板并定位，同时上好扣件，垫好橡胶轨垫。并及时对道床进行捣实，认真做好线路检查，发现变化及时维修。

（3）纵梁就位

纵梁在封锁点前按顺序吊装至轨道车上，并固定牢固。给封锁点后运至施工现场，卸于架空区段，用短枕木支撑固定，然后人工配合顶镐准确就位，连接纵横梁节点板和上下牛腿，形成架空体系。

5 繁忙运输条件下的施工组织技术

对铁路采用加固措施，虽然确保了隧道施工过程中既有铁路不中断行车，但铁路站场内诸如货检、列检等作业会受影响。为最大限度地降低线路加固及隧道施工对既有铁路站场的影响，考虑采用“线路分区加固，隧道分段施工”的施工组织方式。

根据安康货运东站内铁路分布情况，北端货车疏解上行线与南端货场联络线距离相对较远，可单独架空加固及开挖，其余11股铁路线间距约5.0～6.5 m，分为4个区域进行加固，如图7所示。

图7 铁路线路加固分区示意

V场加固第一区：线路同时架空加固V场1～4道，5～10道可正常进行作业；加固完成后进行V场1、2道下方的隧道施工。

V场加固第二区：线路架空加固V场5、6道，释放1、2道，1、2、7～10道可正常进行作业；加固完成后进行V场3、4道下方的隧道施工。

V场加固第三区：线路架空加固V场7、8道，释放3、4道，1～4、9、10道可正常进行作业；加固完成后进行V场5、6道下方的隧道施工。

V场加固第四区：线路架空加固V场9、10道、车辆段走行线，释放5、6道，1～6道可正常进行作业；加固完成后分段进行剩余隧道的施工。

施工时可先进行南端货场联络线的架空加固及施工，由南向北分区分段进行，隧道弃渣从已完成隧道内运出。根据工期情况，北端货车疏解上行线的加固及下方隧道可同时进行施工。

“分区加固、分段施工”的提出，保证了安康货运东站内在任何时刻均保持60%的正常作业能力，将施工对繁忙运输条件下铁路站场的运营降低至可接受范围。

6 小夹角条件下的接触网迁改技术

安康货运东站设备繁多，一旦在隧道施工过程中发生破坏，将危及行车安全，必须在施工前进行迁改。在隧道小夹角下穿的情况下，V场内受影响的4组软横跨格构式钢柱基础迁改实施难度较大。其主要迁改方案如图8所示。

在距 V65、V66、V67＃支柱 5 m处新立 XV65、XV66、XV67＃软横跨支柱形成2组新软横跨；在距V62、V64＃支柱 5 m处新立 XV62、XV64＃软横跨支柱，形成1组新大跨度软横跨；在距V59、V60、V61＃支柱8 m处新立 XV59、XV60、XV61＃软横跨支柱，形成2组新软横跨；在距 V56、V57、V58＃支柱4 m处新立 XV56、XV57、XV58＃软横跨支柱，形成 2组新软横跨。