明挖隧道长距离下穿繁忙铁路站场的分区施工方案

卢裕杰 贾萱 秦丁伊

中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600

城市道路、公路下穿既有铁路时，为了保证铁路安全，需对股道进行加固。如在湘潭市白河大道［1］、韩城市G327 过境公路［2］、南宁市贵广解放路［3］、南京市黄家圩路［4］、佛山市河东中心路［5］等项目中，均采用了钢便梁 + 支撑桩体系，保证下穿铁路顺利实施。

安康北环线位于安康中心城北侧付家河与关庙汉江大桥之间，是城市总体规划中环城干道的重要组成部分，设计时速60 km。道路与既有安康东站平面交叉，以隧道形式下穿车站。安康东站为混合式三级五场车站，年吞吐能力超过60 万吨，在西部大开发和带动陕南经济发展中发挥着重要作用。

下穿工程采用D 型钢便梁对铁路股道进行加固，由于纵梁高于铁路轨面149 ～ 749 mm［6］，被加固的股道无法进行列车技术检查，需要暂停运营。安康东站极其繁忙，需合理规划施工步骤，做到分区施工，以确保下穿工程的可实施性和满足站场最低运营要求。

1 工程概况

安康北环线隧道工程采用明挖法依次下穿安康东站货场线、Ⅴ场1 ～ 10 道、车辆走行线、货车疏解上行线共13股铁路，下穿段全长170 m。其中，Ⅴ场及车辆走行线平行布置，线间距分别为5.0、5.5、6.5 m。隧道中线与货场线、Ⅴ场及货车疏解上行线的夹角分别为78°、64°和71°，如图1所示。

图1 隧道与铁路平面关系及施工分区

隧道采用分离式矩形框架结构，净宽13.0 m，净高6.5 ～ 9.5 m，左右幅净距约7.2 m，隧道顶至轨顶的距离为1.02 ～ 1.84 m。开挖深度范围内地层为第四系全新统人工堆积层杂填土及粉质黏土，Ⅱ级普通土；基底以下为第四系上更新统冲积层卵石土，Ⅲ级硬土；基岩为志留系下统石牛栏组云母片岩，Ⅳ级软石。地下水位于基底以下。

为了保证下穿施工时铁路股道安全，结合隧道分幅布置的特点，采用了D 型钢便梁加固。主跨采用D24 型钢便梁加固隧道上方的股道，副跨采用D16 型钢便梁加固基坑放坡影响范围内的股道。钢便梁支承于ϕ1.5 m 或ϕ1.8 m 的钻孔灌注桩上，主跨、副跨桩长分别为23、16 m，桩底深入卵石层，见图2。

图2 隧道及铁路加固横断面

2 施工方案

为了降低下穿施工对站场的影响，要尽可能减少同一时间段内加固的股道数量，并在隧道施工完成后尽快回填，拆除钢便梁，尽早恢复铁路运营。因此，提出了分区加固、放坡开挖、垂直回填的综合施工方案。

分区加固：为保证站场作业的最低要求，运营的股道数量不得低于总股道的60%，需要对股道加固统筹安排，分段施工，分区加固。

放坡开挖：由于站场内股道密集，无法打设围护桩进行基坑垂直开挖，因此需在股道加固范围内采用放坡开挖。

垂直回填：在隧道结构达到设计强度后，在当前施工分区后方端头设置挡墙，基坑回填后尽早恢复铁路运营，为下一个施工分区提供作业空间。

3 施工关键技术

3.1 施工组织

由于Ⅴ场和车辆走行线较密集，线间距小，因此对隧道下穿该区段进行分析。依据分区加固设计思路，将下穿段分成4个施工分区，参见图1。

1区采用钢便梁加固1 ～ 4道，此时5 ～ 10道及走行线正常运营。加固完成后，开挖1、2道下方的基坑，现浇1、2 道下方隧道。待结构到达设计强度后，回填基坑，恢复铁路运营。

在2 区内，新加固5、6 道，此时1、2、7 ～ 10 道及走行线正常运营。加固完成后开挖3、4 道下方基坑，现浇3、4道下方隧道。

以此类推，直至完成全部下穿工程。分区施工顺序见表1。以2区为例，沿隧道纵向的施工情况见图3。

表1 分区施工顺序

图3 第2施工分区沿隧道纵向的施工情况

3.2 放坡开挖

当基坑采用放坡形式开挖时，先根据地层岩性、地下水位、开挖深度等因素确定坡率。基坑大小也决定了铁路站场受影响的范围。隧道位于粉质黏土层，地下水位于基底以下，最大开挖深度约12.93 m。参照GB 50330 —2013《建筑边坡工程技术规范》，坡率不应大于1∶1。

为研究坡顶变形与坡率关系，确定最大坡率，采用MIDAS/GTS 建立数值模型，对不同坡率条件下边坡变形量进行分析，见图4。

图4 数值模型

考虑边界效应影响，模型的长、宽、高分别为200、100、60 m，长度方向为安康东站铁路股道的走行方向。采用四面体实体单元模拟地层和隧道结构，地层采用Mohr-Coulomb 本构模型，隧道结构采用弹性模型，加固系统和铁路轨道采用梁单元模拟。单元共计108 738个，节点20 137个。

依据地勘报告［7］确定土层计算参数，见表2。

表2 计算参数

不同坡率时坡顶的最大水平位移见图5。可知：坡顶最大水平位移随坡率减少而降低；坡率为1∶1时，坡顶最大水平位移为7.34 mm，满足规范要求。

图5 不同坡率时坡顶的最大水平位移

基坑方案为：坡率1∶1，每6 m 设置一级2 m 宽平台；边坡临空面采用锚喷支护，C25 混凝土，厚10 cm；钢筋网为ϕ8@25 cm × 25 cm；砂浆锚杆为ϕ22@1.5 m ×1.5 m，梅花形布置，长6 m。为了减少基坑影响范围，坑底设置坡脚挡墙收坡，挡墙高度、墙角宽度和墙顶宽度分别为4.0、2.0和1.2 m，如图6所示。

图6 基坑开挖横断面（半幅）

采用TB/ T 3466—2016《铁路列车荷载图式》中的客货共线铁路普通荷载作用于股道上按照表1的施工顺序计算可得不同施工分区基坑开挖时，站场内未加固股道的水平、竖向位移，见表3。水平位移以1 道指向10道为正，反之为负；竖向位移以隆起为正，沉降为负；有的股道处于加固状态，未采集数据。

根据TB 10314—2021《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》，普速铁路轨道水平、竖向位移的控制值分别为 ±7 mm、-8 ～ 3 mm。由表3可知：基坑开挖过程中股道最大水平位移为-1.94 mm，最大竖向位移为-7.77 mm，满足规范要求。

3.3 加筋土挡墙及级配碎石注浆回填

当隧道结构达到设计强度时，其基坑段落应尽快回填，以降低对站场的影响。因为回填挡墙为临时结构，在满足性能要求的同时还应施工简便、快捷。加筋土挡墙是一种由填土、筋带和面板组成的挡土墙，经数值模拟及模型试验研究［8-10］，能够满足上述要求。挡墙采用C25 预制混凝土面板，厚度0.18 m；钢塑土工加筋带长9 m，在基坑10 m 深度范围以内为4 根/m，10 m深度范围以外为6根/m，如图7所示。

图7 加筋土挡墙剖面

回填材料选用级配碎石，最大粒径不超过45 mm，粒径小于0.02 mm 的碎石质量百分率不大于3%，不均匀系数Cu≥ 15、曲率系数Cc为1 ～ 3。

因为回填区域在铁路下方，受净高限制，无法使用大型压实机具。为保证回填密实度和防止浆液残余水沉积在隧道底部不易排出，通过现场试验，确定水与水泥的重量比为1∶1，注浆压力不大于0.5 MPa。

采用压实系数、地基系数作为回填控制指标。基床表层压实系数0.95，地基系数150 MPa/m；基床底层压实系数0.93，地基系数130 MPa/m。验收合格后，拆除挡墙，恢复铁路运营。

通过数值分析得到基坑回填后拆除钢便梁阶段，股道的最大水平、竖向位移，见表4。可知，股道的最大水平位移为1.65 mm，最大竖向位移为-7.42 mm，满足规范要求。

表4 基坑回填后拆除钢便梁阶段股道的最大水平、竖向位移

4 现场实施情况

通过监测结果可知，在基坑开挖和回填阶段，股道最大竖向变形分别为-7.39、-7.01 mm，先后出现在Ⅴ场5 道和4 道。监测结果与数值模拟结果一致，变形值均满足规范要求。

按照分区加固、放坡开挖、垂直回填的施工方案，做好施工组织。安康北环线不仅成功、安全地下穿了安康东站，而且保证了安康东站的正常运营。

5 结论

1）分区加固减少了站场内受影响的股道数量，满足站场的最低运营要求，确保了下穿方案的可行性。

2）1∶1 坡率放坡开挖，辅以坡脚挡墙等措施，减少了基坑开挖的影响范围。

3）在施工分区端头设置加筋土挡墙，使基坑垂直回填后可以尽早恢复铁路运营。选用级配碎石并注浆，保障了回填密实度，解决了铁路下方由于高度受限无法使用大型压实机具的问题。

4）通过数值模拟及现场监测，隧道下穿过程中铁路股道变形满足规范要求，站场的基本作业得到保障，分区加固、放坡开挖、垂直回填的施工方案可行。