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隧道下穿既有線鐵路施工對(duì)車(chē)站安全性影響及最優(yōu)方案研究

文檔作者：趙曉勇楊長(zhǎng)衛(wèi) 文檔來(lái)源：西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月11日
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上一篇：透水模板布對(duì)鐵路混凝土性能影響研究

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施工技術(shù)
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
2015年12月下
第44卷第24期
DOI：10．7672／s舀s2015240090
隧道下穿既有線鐵路施工對(duì)車(chē)站安全性影響
及最優(yōu)方案研究術(shù)
趙曉勇，楊長(zhǎng)衛(wèi)
(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)
[摘要]針對(duì)隧道下穿既有線成渝鐵路合川站施工過(guò)程中存在的安全問(wèn)題，概化分析模型，采用編制的MIDAS／
GTS，F(xiàn)LAC3D以及GDEM聯(lián)合計(jì)算程序，深入研究下穿隧道施工對(duì)合川站站房樁基礎(chǔ)安全性造成的影響，對(duì)比分
析了采用漿砌片石壓頂．樁．后背梁組合形式和漿砌片石壓頂-連續(xù)墻一后背梁組合形式2種不同施工方案的優(yōu)越性。
在此基礎(chǔ)上，綜合各種方案的優(yōu)點(diǎn)，提出此項(xiàng)施工的最優(yōu)方案即為小型漿砌片石壓頂．肋形底板·樁一后背梁組合結(jié)
構(gòu)，既節(jié)約造價(jià)，又保障了車(chē)站和既有線的安全。
[關(guān)鍵詞]既有線鐵路；隧道；車(chē)站；安全性；最優(yōu)方案
[中圖分類號(hào)】U455 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1002—8498(2015)24旬090-04
Research on Optimal Scheme and Effect of Tunnel Construction of
Existing Line on Railway Station
Zhao Xiaoyong，Yang Changwei
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，
Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 610031，China)
Abstract：Aiming at the safety problem during the tunnel construction on the existing railway of Hechuan
Station，the analysis model is generalized，the method that combined the MIDAS／GTS，F(xiàn)LAC3 D with the
numerical simulation procedure GDEM is applied，and the effect of the tunnel construction on Hechuan
station is researched．The superiority of different schemes that the pile-back beam and continuous wall is
researched．On this basis，the superiority of different schemes are concluded，and then the optimal
scheme is proposed that is the rib type plate，it can protect the safety of the statio．n and the existing
railway line．
Key words：existing railway line；tunnels；stations；safety；optimal scheme
1工程概況
成渝鐵路合川站需在既有線路下部垂直鐵路
走向方向采用箱涵頂進(jìn)方式施工隧道，箱涵尺寸
(長(zhǎng)×寬X高)為40m×14m X 10m，箱壁厚1．8m。
在箱涵底部澆筑帶肋混凝土底座板，板厚0．3m，肋
梁高1．0m，肋梁間距為6m，肋梁寬為14m；在箱涵
后設(shè)置后背梁，截面尺寸(長(zhǎng)X寬X高)為12．0m X
1．2m X 1．2m。在距離后背梁約5m處，為合川站房
的2根樁基礎(chǔ)，在2根樁基礎(chǔ)之間設(shè)置長(zhǎng)約16．0m，
截面尺寸為1．0m X 0．3m的連系梁，上述具體情況
+黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和黃土地區(qū)
公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(KLTLR．Y13-12)
[作者簡(jiǎn)介]趙曉勇，博士研究生，E-mail：33499967@qq．com
【收稿13期]2015-01—22
如圖1所示。頂升過(guò)程中在后背梁處均勻布設(shè)4個(gè)
千斤頂，實(shí)現(xiàn)同步頂升，每個(gè)千斤頂所施加的頂進(jìn)
力為2 500kN，同時(shí)在千斤頂和箱涵之間墊設(shè)墊板，
以保證頂進(jìn)的安全性。基于上述情況可知，在箱涵
頂進(jìn)過(guò)程中，如何既要實(shí)現(xiàn)箱梁的順利頂進(jìn)，同時(shí)
還要保證合川站房樁基礎(chǔ)之間連系梁的安全，這是
保證施工過(guò)程安全的關(guān)鍵。
為保證箱涵頂進(jìn)過(guò)程中連系梁的安全，本課題
組最初提出2種解決方案，具體如下：①在后背梁后
部設(shè)置人工挖孔樁和M10漿砌片石壓頂，作為頂進(jìn)
過(guò)程中的反力墻裝置，人工挖孔樁埋深為6．0m，
M10漿砌片石壓頂?shù)捻敳繉?．0m，底部寬4．0m，高
5．0m，長(zhǎng)12．0m。②在后背梁后部設(shè)置地下連續(xù)墻
和M10漿砌片石壓頂，作為頂進(jìn)過(guò)程中的反力墻裝
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
趙曉勇等：隧道下穿既有線鐵路施工對(duì)車(chē)站安全性影響及最優(yōu)方案研究
叫
站房400t千斤頂頂必‘一
—_二一{ ＼頂進(jìn)節(jié)匱笪體路基審?”
a正面
剝臣三巫
1400t=F"斤頂
b俯視
圖l 各個(gè)部分位置示意
Fig．1 Location of each part
置，地下連續(xù)墻埋深為6．0m，M10漿砌片石壓頂頂
部寬2．0m，底部寬4．0m，高5．0m，長(zhǎng)12．0m。值得
注意的是底座板與連續(xù)墻或人工挖孔樁不連接。
2數(shù)值分析
基于上述工程概況，概化分析模型，分別如圖2
所示。在方案1，2的數(shù)值分析模型中，連續(xù)墻、樁基
礎(chǔ)、M10漿砌片石、后背梁、人工挖孔樁、連系梁、底
座板、填土8部分構(gòu)件均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，以
更加真實(shí)地反映頂推過(guò)程中各構(gòu)件的受力情況。
同時(shí)，在樁基礎(chǔ)、M10漿砌片石壓頂、后背梁、人工
挖孔樁、連系梁與土的接觸部分均設(shè)置接觸面單
元，以更加真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)與土的相互作用。為消
除邊界效應(yīng)影響，本次數(shù)值分析模型填土的邊界選
取50m×25m×20m，值得注意的是方案1和方案2
僅是將人工挖孔樁換為地下連續(xù)墻，鑒于篇幅限
制，文中僅僅列舉了方案1的數(shù)值模型。
2．1數(shù)值計(jì)算程序的編制
為能更加真實(shí)地計(jì)算頂推過(guò)程中連系梁的安
全性，本次采用MIDAS／GTS，F(xiàn)LAC3D以及GDEM 3
種數(shù)值分析程序相結(jié)合的手段進(jìn)行計(jì)算，在各程序
之間編制轉(zhuǎn)換平臺(tái)。其中，MIDAS／GTS進(jìn)行數(shù)值分
析的前處理工作，F(xiàn)LAC3D進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換工作，而
GDEM則進(jìn)行核心程序的計(jì)算和后處理工作，以充
分調(diào)用各程序的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)集成，進(jìn)而保證計(jì)
算結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性。
2．2本構(gòu)模型及材料參數(shù)
本次數(shù)值分析所包含的外荷載主要包括3部
分，即頂推節(jié)段箱體的自重、頂推力以及站臺(tái)樁基
礎(chǔ)所承受的上部結(jié)構(gòu)自重。其中，箱體自重經(jīng)過(guò)計(jì)
算為1 lOOm3×26kN／m3=28 600kN，受壓面積為
500m2，則單位面積上所受到的壓力為57．2kPa；總
口
[]
yb
a數(shù)值分析模型
個(gè)
r—
l
U
b部分構(gòu)件數(shù)值分析模型
圖2方案1的數(shù)值分析模型
Fig．2 Simulation model of project 1
頂推力為10 000kN，單個(gè)千斤頂?shù)捻斖屏?
2 500kN；由于站臺(tái)樁基礎(chǔ)上的荷載對(duì)整個(gè)計(jì)算結(jié)果
影響不大，而實(shí)際并沒(méi)有對(duì)上述荷載進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)
地考察和計(jì)算，所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步估計(jì)為20 000kN。
另外，在此次數(shù)值分析中，土體選取莫爾．庫(kù)侖破壞
準(zhǔn)則；連續(xù)墻、樁基礎(chǔ)、連系梁、后背梁及底座板均
采用線彈性本構(gòu)模型；接觸面采用莫爾．庫(kù)侖破壞準(zhǔn)
則和脆性一斷裂本構(gòu)模型，以模擬結(jié)構(gòu)．土體的相互
作用。在本次數(shù)值分析中所采用的材料參數(shù)如表1
所示。
表1計(jì)算參數(shù)
Table 1 Calculated parameters
重度／ 彈性模量／泊松黏聚力／內(nèi)摩擦
(kN·m。) kPa 比kPa 角／(。)
2．3方案1，2的計(jì)算結(jié)果分析
經(jīng)過(guò)開(kāi)展上述數(shù)值計(jì)算，本文從系統(tǒng)的位移
場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及塑形應(yīng)變分布3方面開(kāi)展研究，具體計(jì)
算結(jié)果如圖3，4所示。值得注意的是，本文重點(diǎn)研
究箱涵頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)站臺(tái)樁基礎(chǔ)間連系梁的安全
性。因此，在圖3中僅列舉了連系梁的位移場(chǎng)和應(yīng)
力場(chǎng)。
綜合分析圖3可知，在頂升過(guò)程中方案1中連
系梁受到的拉應(yīng)力最大(5．907MPa)，產(chǎn)生的撓度也
最大(5．415cm)，混凝土連系梁的承載計(jì)算結(jié)果表
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
施工技術(shù)第“卷
b方案1中連系梁內(nèi)部的位移場(chǎng)
卜，盈t
： z
，．b 7 I_
c方案2中連系梁內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)
：
y L工／1
d方案2中連系梁內(nèi)部的位移場(chǎng)
圖3方案1，2中連系梁的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)
Fig．3 Displacement field and stress field of
link beams in project 1 and project 2
a方案
b方案2
圖4方案1，2中塑性區(qū)分布
Fig．4 Plastic zone layout in project 1 and project 2
明，連系梁的最大允許拉應(yīng)力為3．86MPa，可知此時(shí)
連系梁已經(jīng)基本破壞。對(duì)于方案2來(lái)講，連系梁中
的最大拉應(yīng)力為3．492MPa，最大撓度為2．77cm，均
小于方案1的計(jì)算結(jié)果，但該計(jì)算結(jié)果已經(jīng)基本接
近連系梁的允許拉應(yīng)力，安全儲(chǔ)備較低。同時(shí)，圖
4a顯示填土內(nèi)的塑性區(qū)分布正在向樁底發(fā)展，在連
系梁的位置已經(jīng)形成大量的塑性區(qū)，而圖4b則顯示
在連續(xù)墻部位出現(xiàn)大量的塑性區(qū)，在連系梁位置則
塑性區(qū)較小。
綜合以上分析可知，采用方案1不能保證連系
梁的安全，而方案2 M10漿砌片石壓頂一連續(xù)墻．后
背梁雖然能夠保證連系梁的安全，但安全儲(chǔ)備較
低，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜，影響因素較多，建
議不予采用。
2．4最優(yōu)方案的提出
基于方案1和方案2計(jì)算結(jié)果可知，在頂升過(guò)
程中會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)的抗力不足，造成連系梁的變形較
大。據(jù)此提出第3種方案，如下：在后背梁后部設(shè)置
人工挖孔樁和MIO漿砌片石壓頂，作為頂進(jìn)過(guò)程中
的反力墻裝置，人工挖孑L樁埋深為4．Om，M10漿砌
片石壓頂?shù)捻敳繉?．0m，底部寬3．0m，高2．0m，長(zhǎng)
12．0m。同時(shí)，將人工挖孔樁與底座板相連，以充分
調(diào)用底座板下部土體所提供的抗力，用于平衡一部
分頂進(jìn)力。基于上述思路所建立的數(shù)值分析模型
如圖5所示。其他參數(shù)同上。
2．5最優(yōu)方案的計(jì)算結(jié)果分析
經(jīng)過(guò)開(kāi)展上述數(shù)值計(jì)算，本文從系統(tǒng)各構(gòu)件的
位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及塑形應(yīng)變分布3方面開(kāi)展研究，
具體計(jì)算結(jié)果如圖6所示。
綜合分析圖6可知，本次數(shù)值計(jì)算中，整個(gè)模型
中最大拉伸應(yīng)力為1．331 MPa，小于鋼筋混凝土底座
板的抗拉強(qiáng)度，整體上是安全的；應(yīng)力集中區(qū)分布
在人工挖孔樁與底座板連接區(qū)域，大致為2個(gè)底座
板突出的間距，此處需進(jìn)行局部加強(qiáng)；對(duì)于連系梁
來(lái)講，拉伸應(yīng)力較小，約為1．331MPa，遠(yuǎn)小于混凝土
梁的抗拉強(qiáng)度，是安全的；對(duì)于人工挖孔樁來(lái)講，最
大拉力約為0．027MPa，小于允許應(yīng)力，是安全的。
另外，連系梁的最大變形為1．56mm，人工挖孑L樁的
最大變形為1．82ram，均小于設(shè)計(jì)要求的限值，是安
全的。另外，模型中塑性區(qū)分布較小，并未連通。
總體來(lái)講，采用方案3進(jìn)行箱涵的頂進(jìn)能夠保
證整個(gè)系統(tǒng)在頂推過(guò)程中的安全。
3 結(jié)語(yǔ)
針對(duì)既有線成渝鐵路合川站在下穿隧道施工
過(guò)程中存在的安全問(wèn)題，利用數(shù)值分析軟件，分別
討論了2種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定了最優(yōu)解
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2015、0．24 趙曉勇等：隧道卜．穿既行線鐵路施T對(duì)車(chē)站安全性影響及最優(yōu)方案研究93
c底座板數(shù)值分析模型
d接觸面的數(shù)值分析模型
圖5方案3數(shù)值分析模型
Fig．5 Simulation model of project 3
決方案，并得出以下結(jié)論。
1)在進(jìn)行箱涵頂進(jìn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮其
對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊懀辉谥谱黜斶M(jìn)反力墻時(shí)，需充
分調(diào)動(dòng)底座板與土體間的相互作用力，以提高抗
力，保證反力墻及其后部建筑物的安全。
2)經(jīng)對(duì)比分析，確定了既能保證箱涵頂進(jìn)安
全，又能優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低工程造價(jià)的方案3：在后背
梁后部設(shè)置人工挖孔樁和M10漿砌片石壓頂，作為
頂進(jìn)過(guò)程中的反力墻裝置，人工挖孔樁埋深為
4．Om，MIO漿砌片石壓頂頂部寬2．Om，底部寬
3．Om，高2．Om，長(zhǎng)12．Om。在進(jìn)行配筋計(jì)算時(shí)需重
點(diǎn)考慮人工挖孔樁與底座板相連位置的應(yīng)力集中
問(wèn)題。
3)在頂進(jìn)過(guò)程中，反力墻采用連續(xù)墻+后背梁
a整體模型位移場(chǎng)剖面
b部分構(gòu)件位移云圖
-
≯咿’'‘
圖6 方案3中塑性區(qū)分布
Fig．6 Plastic zone layout in project 3
+M10漿砌片石壓頂措施的頂升效果較人工挖孔
樁+后背梁+MIO漿砌片石壓頂措施的頂升效果
強(qiáng)，后者有可能不滿足工程安全需要。
4)在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，自行編制了各分析軟件
之間的轉(zhuǎn)換程序，充分調(diào)動(dòng)了各個(gè)數(shù)值分析軟件之
間的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)集成，保證了計(jì)算結(jié)果的正
確性。
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