1、二坪子隧道近接施工设计分析第 25 卷第 3 期2005 年 6 月碍 t 建TurmelComtruaia25(3):2022,26June.2OO5二坪子隧道近接施工设计分析汪正军(中铁成都铁路勘测设计院成都 610081)摘要二坪子隧道为浅埋,病害,土质铁路隧道.隧道正上方新建煤矸石电厂.为保证隧道运营安全,电厂顺利修建以及电厂生产安全,须对隧道进行加固设计.本文针对电厂近接施工设计作简略分析.关键词铁路隧道煤矸石电厂近接施工l 工程概况攀枝花市煤矸石山发育,为了合理开发能源,推动地方经济发展,攀煤集团拟建煤矸石发电厂.由于场地限制,电厂主厂区拟建于二坪子铁路隧道正上方.二坪子隧道位于成
2、昆线渡口支线上,中心里程K29+584.5,全长 635m.隧道埋深 13m 一 27m,洞身穿越的岩层主要为卵石土,粘砂土,粉砂土,个别地段隧底位于泥岩夹粉砂岩层上.地下水丰富.围岩级别分类为 V 级.隧道修建于 1969 年 4 月至1970 年 4 月.由于当时施工条件较差,隧道衬砌质量较低.隧道渗漏水严重,衬砌破损变形严重.隧道衬砌地质雷达检测结果大致为:衬砌背后存在不密实或脱空现象共 25 处.拱顶 4 处,实测厚度36era 一 58era;拱腰 l2 处, 其中左拱腰有 6 处,实测厚度在 30era 一 55era,右拱腰也有 6 处,实测厚度29em 一 75era;边墙有
3、9 处,其中左边墙 3 处,实测厚度 29cm 一 57era,右边墙 6 处,实测厚度 33em 一56era.隧道劣化度安全评定为 B 级.电厂主厂区场地北侧紧邻攀煤集团老煤矸石电厂,南侧为金沙江临江高边坡.二坪子隧道以半径R=550m 的弧线从场地中部穿过.厂区影响隧道长度约为 385m.电厂平面布置如图 l 所示.图 1 电厂平面2 电厂施工对隧道的影响因素分析a.隧道上部挖方由于隧道上方挖方卸载,隧道发生向上方的拉伸变形与位移,引起残留埋深变小,隧道周边围岩应力重分布,使作用于隧道衬砌上的荷载发生变化.其影响因素有:原埋深和残留埋深的比,残留埋深的大小,挖方平面的宽度,挖方前后的地形
4、,挖方的施工方法,地质条件,既有隧道的结构和劣化度等.b.隧道上部填土浅埋隧道上部填土时,隧道衬砌的上覆荷载增大,衬砌发生挤压变形,位移.在偏压地形条件下的上部填土,或对隧道进行偏压填土,隧道衬砌将受到非对称的荷载.c.隧道上部有结构物基础隧道上部新建结构物时,基础的荷载通过围岩作用在衬砌上.荷载增加的程度决定于地层应力第 3 期汪正军二坪子隧道近接施工设计分析 21分布.d.隧道附近有桩基础当电厂结构物桩基础与隧道近接时对既有隧道结构产生影响,如施工方法不当,加固措施不力会对隧道产生不可估量的损失,如何进行预测,采取何种相应的对策都应进行仔细分析.e.施工荷载施工荷载包括运输车辆荷载,施工机
5、具,施工材料及土方堆载,施工进程中的扰动等.f.后期电厂生产荷载的影响电厂投人生产后.材料运输及生活车辆的影响,电厂生产机具振动.包括由此引起桩基础振动的影响等.3 电厂修建对既有隧道产生影响的最不利断面确定选取最不利最有代表性的断面分析计算对设计及施工乃至投资都具有实际意义.根据电厂平面设计及既有隧道情况共选取 5 个具有代表性的断面分析,如图 1 所示.本文限于篇幅仅示 33 断面,如图 2 所示.图 233 断面断面 1 一 l 地面拟建自然通风冷却塔,断面位于隧道里程 K29+365 处.地表高程在 1079m 一1076m 之间.场平标高在 1079.00m.未施工时.隧道拱顶距地面
6、 21m.施工后.地面将形成 l:1 的斜坡.且隧道中线拱顶处距地面 10m.冷却塔的下底半径为 42.812m.并有宽为 4m.高为 1.5m 环形基础承重.其基础埋深为 3.9m;环基础有 45 个长 1.5m,宽 1.5m 的端承桩承载.桩基深入隧道底板以下,距隧道中线最近 14m,每根桩作用荷载 6695kN.断面 22 地面拟建高备电.断面位于隧道里程K294-482 处.高备电重 35t,底面长宽为:5m2.4m;其基础基底压应力为 29.2kPa.断面 33 地面拟建电除尘器 1,断面位于隧道里程 K29+517 处.地形呈 25 度的斜坡,地表高程载 1093m 一 1083m
7、 之间.场平标高在 1086.3m,由于受场地限制 1#和 2#除尘器均跨二坪子铁路隧道布置.采用端承载桩,桩端进入隧道底板以下.断面 44 地面拟建电除尘器 2,断面位于隧道里程 K29+575 处.与 33 断面类同.断面 55 位于隧道里程 K29+675 处.在未施工时.隧道横穿独家沟,隧道上覆土体厚近 1m;隧道上部填土后.拱顶至地表的深度约为 13m.原冲沟位置上方修建一条与隧道纵向近似垂直的厂区公路.隧道上部增加填土,车辆和人群荷载.4 加固结构形式初步拟定结合各近接施工影响因素,并考虑铁路运营主管部门,建设方,施工方等单位的意见,综合确定加固结构形式.根据工程类比经验,针对不同
8、情况采取各不相同的合理加固措施.如衬砌外围岩一定范围内注浆,衬砌锚网喷补强,嵌轨或型钢拱架补强,衬砌置换,外套拱等手段.5 数值计算分析5.1 计算模型计算程序采用目前广泛使用的 ANSYS 程序,围岩材料选用弹塑性模型.使用 Druekerplayer 屈服准则.支护结构近似为线弹性材料.采用二维分析,按平面应变模式计算.计算模型采用围岩结构模式.计算荷载采用自重应力场.隧道衬砌采用梁单元模拟,围岩及衬砌材料参数均参照资料选取.5.2 荷载组合根据铁路隧道设计规范.对于承载能力极限状态应采用作用效应的基本组合进行.对于本计算.按组合一进行,即结构自重+附加恒载+围岩压力,其中结构自重分项系数
9、取 1.10,结构附加恒载分项系数取 1.30.围岩压力分项系数取 1.00.对于地面施工荷载.隧道中线 20m 内,场地地面堆载 15kN/m.隧道中线 20m 以外.场地地面堆载 30kN/m.分项系数取 1.3.由于地面施工荷载有可能只发生在隧道的一侧,按受力最不利的原则,计算中地面施工荷载作用于隧道地面卸载较少的一侧.5.3 计算内容针对 1 至 4 断面,按以下方式计算评估:.|哇建蕾 2005 年 6 月第 25 卷初始平衡,现有情况下(地面未施工时)衬砌的安全度评价;隧道上部土层开挖后,按是否采取加固措施分别分析隧道衬砌的位移及内力影响和安全度评价;新建构筑物后,按是否采取加固措
10、施分别分析其作用荷载对隧道衬砌的位移及内力影响和安全度评价.针对 55 断面,按以下方式计算评估:隧道上部填土及作用车辆荷载与人群荷载后,按是否采取加固措施分别分析隧道衬砌的位移及内力影响和安全度评价.5.4 计算分析示例以 33 断面简单示例分析.33 断面衬砌为曲墙仰拱型式,衬砌厚度按雷达检测最小厚度 35cm 计算.自地面往下,围岩依次为灰华层 8.8m,粉土 15.2m,砂 1.8m,以下为碎块石.a.初始阶段(地面未施工时 )计算结果如表 1 所示.从表 1 可以看出,33断面在初始阶段,除左侧拱腰外,其余位置能通过安全度校核,最小安全系数为 3.08,属抗拉控制.所以,33 断面在
11、初始阶段即有部分位置不能通过安全度校核,地面施工时,应严格注意.表 133 断面初始阶段隧道各位置内力及安全系数表b.第二阶段(地面开挖卸载)计算结果见表 2.从表 2 可以看出,33 断面在第二阶段由于采取了加固措施,隧道衬砌各位置的安全系数都有大幅度提高,通过围岩注浆及拱部,边墙衬砌加厚,隧道衬砌各位置都能通过安全度校核.通过加固措施,隧道衬砌的矢量位移也有大幅降低,降幅最大是左侧拱肩达到 0.9mm.c.第三阶段(修建了电除尘器 1)计算结果见表 3.从表 3 可以看出,33 断面在第三阶段由于采取了加固措施,隧道衬砌各位置的安全系数都有大幅度提高,通过围岩注浆及拱部,边墙衬砌加厚,隧道
12、衬砌除仰拱外都能通过安全度校核.分析原因认为,由于非全环加固,造成仰拱部分成为薄弱环节.通过加固措施,隧道衬砌的矢量位移也有大幅降低,降幅最小是仰拱,仅为 0.1mm.表 233 断面第二阶段隧道各位置内力及安全系数表表 333 断面第三阶段隧道各位置内力及安全系数表5.5 计算结果分析及加固措施确定l 一 1 断面在初始,第二,第三(下转 26 页)l|迁建证 2005 年 6 月第 25 卷料,经则修补,重则重新调换,以确保管片接缝防水质量;5.6 盾构机到达盾构机到达盾构隧道设计终点(ZK1+045)附近时,应视围岩状态(应在围岩地质状态较好地段)及施工进度情况,尽早停止盾构机掘进.靠近
13、矿山法隧道的 3O 环管片应及时施作管片拉紧装置.矿山法隧道应在距设计终点 20m 附近(ZK1+025)停止开挖,待盾构隧道管片拉紧装置设置完毕后再向前开挖,实现隧道对接.隧道贯通后,盾构机的机壳留在隧道内,盾构机机芯部分由盾构隧道返回南岸从竖井撤出.5.7 断层带施工技术方案由于盾构隧道工程位于土马坳背斜的北东翼,沙湖一湘阴等大断裂的附近,经钻孔揭露发现基岩中断层发育,隧道范围内共有断层 16 条.断层宽度(包括断层影响带) 一般小于 2m,其中 F20 断层宽度最大,宽达 I1m,F25 次之,宽达 8.5m.78%的断层性状差,纵波速度 Vp 值较低,透水性强,属中等透水,与隧道断面轴
14、线及岩层面呈小角度相交;部分断层性状稍好,透水性较弱,与隧道轴线呈大角度相交.为保证泥水盾构掘进过程中施工安全,采用以下施工技术措施:在施工前对隧道范围内地质报告图进行复核,查明断层对施工的影响;盾构在断层带推进时,按照“安全,连续,快速“ 的施工原则,通过正确操作 ,严格泥浆制作工序,适当调高泥浆的密度,粘性和浓度,确保泥浆在强透水性地层中的造墙作用和稳定性.采用“D“模式操作盾构机,防止开挖面出现坍塌等事故;同步注浆中选择水硬性浆材作为注浆材料,同时及时注人双液浆进行补强注浆;选择性能良好的橡胶止水条,在同管片粘贴时必须按操作规程进行;管片拼装时,防止出现错缝,错台等现象;严格盾构机的操作
15、,加强对盾构机姿态的控制,确保盾构施工安全.6 结论隧洞目前已经施工完成,成功穿越了断层破碎带,克服了高水压的影响.从现场施工情况得出如下结论:对于水下隧洞,探明地质情况和断层的漏水情况是保证安全施工的前提;盾构在断层带推进时,主要是控制泥浆的配比,防止掌子面的坍塌;水底盾构隧道采用泥水平衡盾构施工,可以控制地下水的涌人.作者简介:任正录,男,1970 年 9 月生,1995 年毕业于上海铁道大学土木工程系,工程师.收稿日期:20040925【上接 22 页)阶段无论是否采取加固措施,隧道衬砌均能通过安全度校核.但是有限元计算仅是一种理想的状态,考虑到施工的一些偶发因素仍然须对 11 断面进行
16、注浆加固;22 断面在初始阶段不能通过计算,但在考虑全环注浆加固并对隧道衬砌锚网喷补强后在第二,第三阶段隧道结构均能通过安全度校核;33,44 断面在初始阶段不能通过计算,但在考虑全环注浆加固并对隧道衬砌嵌轨加固后在第二,第三阶段隧道结构均能通过安全度校核;55 断面计算结果同 22 断面.6 结束语二坪子隧道上方近接施工煤矸石发电厂,是典型的近接施工工程,它涉及的面大,点多,在此向广大同仁推荐.本工程正在设计阶段,可供从事类似工程的同行参考.参考文献1 关宝树.隧道工程施工要点集.北京:人民交通出版社 .2o032 杨其新,王明年.地下工程施工与管理.成都:西南交通大学出版社,20023 铁道部第二工程局.隧道.北京:中国铁道出版社,19984 铁路隧道设计规范.北京:中国铁道出版社,2001作者简介:汪正军,1969 年生,男,汉族,四川省成都市人民北路西二巷 100#中铁成都铁路勘测设计院工程师,学士,主要从事桥梁及隧道工程设计工作.收稿日期:200503 一 O8
