浅析高速铁路隧道下穿既有重载铁路隧道的监控量测

浅析高速铁路隧道下穿既有重载铁路隧道的监控量测

牛景峰

牛景峰

京张城际铁路有限公司北京075000

摘要：随着我国高速铁路建设快速发展，新建铁路隧道下穿既有铁路越来越多，为了保证既有铁路正常安全运行，在下穿施工过程中，对新建隧道与既有铁路交叉段的监控量测尤为重要。新建京张铁路草帽山隧道下穿既有张唐重载铁路隧道，该隧道地质条件差、隧道拱顶距唐张铁路隧道底距离仅为16m，通过对新建隧道与既有铁路隧道的交叉段进行监控量测，及时分析量测数据，依据所得的分析结论来指导施工。本文结合工程实例，对高速铁路隧道下穿既有重载铁路隧道的监控量测进行了研究，为今后类似工程提供参考。

关键词：铁路隧道下穿既有铁路监控量测

1引言

新建京张铁路设计时速350km/h，无砟轨道，双线，线间距5.0m。其中草帽山隧道采用单洞双线形式，全长7340m，设计时速250km/h。该隧道在DK173+862～DK174+057段下穿既有张唐重载铁路北草帽山隧道，下穿段落为全－强风化凝灰岩，岩芯破碎，多呈碎块状，自稳能力差，局部具有中等膨胀性，隧道围岩类别为Ⅳ级。新建京张铁路隧道开挖及上部重载列车荷载作用下，周边围岩会出现不同程度的扰动，进而影响张唐铁路的正常运营。为保证既有张唐铁路正常安全运行，对既有张唐铁路隧道、新建京张铁路隧道的交叉段同时进行监控量测，预测评估新建京张铁路草帽山隧道的开挖对交叉段的影响程度及可能带来危害，进而对新建京张铁路草帽山隧道下穿张唐既有铁路隧道的施工方案、加固措施提出合理性意见，对危险部位事先采取防范措施。

2工程概况

2.1概述

新建京张铁路草帽山隧道位于河北省张家口市沙岭子镇北，隧道采用单洞双线形式，全长7340m，设计时速250km/h。隧道穿越草帽山的主脉，山势陡峭，地形起伏较大，地面海拔高程674.14～809.82m，相对高差80～110m。该隧道在DK173+862～DK174+057段下穿既有张唐重载铁路北草帽山隧道，交接里程DK173+965（张唐铁路IDK25+620），平面交角76°22′，该隧道拱顶距张唐铁路隧道底距离约16m。

2.2地质情况

京张铁路草帽山隧道下穿张唐铁路DK173+862～DK174+057段为全－强风化凝灰岩，岩芯破碎，多呈碎块状，自稳能力差，局部具有中等膨胀性，隧道围岩类别为Ⅳ级。

张唐铁路北草帽山隧道，隧道为Ⅴ级围岩，隧道周边为凝灰岩、凝灰质熔岩，强风化，岩石裂隙发育，气孔发育，呈散体状结构，该段衬砌结构为Ⅴ级加强复合式衬砌。

3施工方法

为保证新建京张铁路草帽山隧道施工顺利和张唐铁路运行安全，隧道下穿张唐铁路段施工以“预加固，短进尺，弱爆破，强支护，早封闭，勤量测”的原则进行。下穿隧道段采用Ⅳ级围岩支护参数、三台阶开挖工法、弱爆破、超前管棚施工。隧道开挖、支护过程利用既有铁路的天窗时间进行，减少上部既有重载铁路列车运行对下部隧道施工的影响，避免因下部隧道施工而引发的行车安全事故。

4监测范围

新建京张铁路草帽山隧道与既有张唐铁路隧道交叉段相互影响范围，如图4-1、4-2所示。

按最不利围岩地层变形界限进行分析，新建草帽山隧道施工对既有张唐铁路隧道的纵向影响范围长度是68.78m，纵横向强影响范围长度是35.15m。在下穿草帽山隧道施工过程中，对下部新建京张铁路草帽山隧道及上部既有张唐铁路北草帽山隧道进行同步监测。

拱顶下沉测点和净空变化测点应布置在同一断面上，监控量测断面按表4-1的要求布置。

掌子面施工到距交叉点40m范围时，依据表5-2中所提供的监控量测断面里程实施监测，监测频率依据表4-2和表4-3进行调整。

5.2监控量测项目

根据《铁路隧道监控量测技术规程》（Q/CR9218-2015），对张唐铁路隧道交叉段监控量测项目主要为轨枕下沉监测和衬砌结构裂缝监测。

5.3数据分析

（1）量测后应及时进行数据整理，并绘制量测数据时态曲线和监控量测数据与开挖面距交叉点距离关系图，由于现场量测的数据具有一定的离散性，包含偶然误差的影响，要经过数学处理方可应用，应对所有数据进行回归计算。预测可能出现的最大值，分析变化速率，数据异常时，应根据具体情况及时采取措施。

（2）根据量测数据绘制轨枕下沉量与开挖面距交叉点距离变化曲线。

（3）根据测量数据绘制距离-位移散点图，选择合适的函数进行回归分析，得到相应的关系曲线。预测数据变化趋势，并与控制基准值进行比较，结合下穿隧道施工工况综合分析张唐铁路隧道的稳定性。如图5-1所示，如果曲线正常，说明隧道处于稳定状态，且需保证总体累积沉降不超过0.5mm；如果曲线反常，出现急骤增长现象，表明仰拱及衬砌结构已呈不稳定状态，需立即采取相应的措施。

图5-1监控量测数据拟合趋势说明

5.4监控量测控制基准

根据张唐铁路隧道周边地质围岩情况、隧道衬砌施工方案、张唐铁路工程重要性及隧道监控量测控制基准，充分保证既有张唐铁路隧道稳定性及铁路运营安全性，对监控量测数据作出如下控制：

（1）各测点轨枕最终下沉量值应小于0.5mm，严格控制张唐铁路隧道轨枕下沉量，保证轨向、水平、高低差值在容许范围内，确保铁路安全运营，见表5-3。

掌子面施工到距交叉点40m范围时，依据表6-2中所提供的监控量测断面里程实施监测，监测频率依据表4-2和表4-3进行调整。

6.3监控量测控制基准

监控量测控制基准包括隧道内拱顶位移、隧道净空收敛，根据新建京张铁路草帽山隧道周边地质条件、隧道结构长期稳定性及重要性制定如表6-3所示。

6.4监控量测数据分析

量测后应及时进行数据整理，并绘制量测数据时态曲线和监控量测数据与开挖面距交叉点距离关系图，由于现场量测的数据具有一定的离散性，包含偶然误差的影响，要经过数学处理方可应用，应对所有数据进行回归计算。预测可能出现的最大值，分析变化速率，若数据异常时，应根据具体情况及时采取措施。

根据测量数据绘制位移-时间图、位移-距离图、净空收敛值-时间图及净空收敛值-距离图，选择合适的函数进行回归分析，得到相应的关系曲线。预测数据变化趋势，并与控制基准值进行比较，结合施工工况综合分析围岩和支护结构的稳定性。如图6-1所示，如果曲线正常，说明隧道处于稳定状态；如果曲线反常，出现急骤增长现象，表明围岩及初支已呈不稳定状态，需立即采取相应的措施。

图6-1量测数据拟合趋势说明

隧道开挖过程中，拱顶下沉及净空变化受开挖工作面及上部既有张唐铁路运行的时空效应影响，采用指数函数进行回归分析预测该测点可能的最终值。

式中：A,B——回归参数；

X——距开挖面的距离；

S——位移值。

根据已监测位移数据求得回归参数A、B，并对该测点的最终位移值作出预测，预测值不超出允许值时，隧道围岩支护结构基本稳定。

6.5监控量测控制

根据新建京张铁路草帽山隧道周边地质围岩情况、隧道衬砌施工方案、工程重要性及隧道监控量测控制基准，充分保证开挖隧道稳定性及安全性，对监控量测数据作出如下控制：

（1）拱顶下沉累计值不应大于4mm，围岩和衬砌结构基本稳定；

（2）净空累计收敛值应小于8mm，隧道周边围岩及衬砌结构达到基本稳定状态；

（3）根据位移空间效应曲线的形态判别，当位移速率急剧增大，围岩及衬砌结构趋于不稳定状态；当位移曲线随着隧道施工掌子面的远离，渐渐取平稳，及位移速率趋于零时，表明围岩及衬砌结构进入稳定状态。

7监控量测要求

（1）新建京张铁路草帽山隧道施工至交叉段附近时布设测点，监控测量点要设置标识，标示里程、设点时间等信息，测点应布设在同一里程断面上。

（2）合理选择监测断面及布置测点，充分反应隧道周边围岩及初期支护的变形情况。

（3）测量前检查仪器设备是否完好，如发现故障应及时修理或更换，必须在仪器状态良好时方可进行测量工作；同时，对仪器安装装置及测点的牢固性进行检测。

（4）监控过程中依次完成所需的监测任务，并对仪器进行调试与测试，确保仪器能够正常工作。

（5）监测项目完成后，及时对数据进行处理分析，若发现测试数据异常（与实际存在显著差异），则应对仪器和测点进行复查，确认无误后再进行复测。

（6）测试任务完成后，监测数据应及时整理分析，对当前支护结构与围岩的安全状态进行分析，若出现危险征兆，应及时通知施工现场负责人，以便采取相应的处理措施。

8监控量测管理

（1）施工作业队伍与量测小组相互配合，施工队伍提供掌子面桩号的准确信息，并进行必要的测点布置、采集仪器安装等工作，施工队伍要为量测工作创造条件提供方便。量测小组负责量测数据采集、数据处理、测量仪器的保养维修。

（2）量测数据必须及时、准确，量测数据应及时报告现场施工项目经理部，以便更改施工方案，调整支护参数，合理安排二衬的施作时间，调整施工进度计划。

（3）监控量测工作与施工作业必须紧密配合、相互支持，防止因抢工期、抢工程进度忽视量测工作而危及既有张唐铁路的运行安全。

（4）监控过程中，各监控量测点应牢固可靠、易于识别，并要妥善保护，避免造成破坏，确保监控量测工作的顺利进行。

9结语

随着我国高速铁路建设快速发展，新建铁路隧道下穿既有铁路越来越多，为了保证既有铁路正常安全运行，在下穿施工过程中，对新建隧道与既有铁路交叉段的监控量测尤为重要。本文结合新建京张铁路草帽山隧道下穿张唐重载铁路隧道交叉段的监控量测，从监测范围、数据分析、控制基准、监测流程、监测要求、监理管理等方面进行了研究，为类似工程提供了参考。

参考文献

[1]《高速铁路隧道工程质量验收标准》（TB10753-2010）.

[2]《高速铁路隧道工程施工技术规程》（Q/CR9604-2015）.

[3]《铁路隧道监控量测技术规程》（Q/CR9218-2015）.

[4]《铁路线修理规则》（铁运[2006]146号）.

[5]《营业线施工安全管理实施细则》（京铁师[2012]755号）.

[6]《铁路营业线施工安全管理办法》（铁运[2012]280号）.

[7]《爆破安全规程》（GB6722-2014）.

[8]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）.

[9]《中国地震裂度表》（GB/T17742-1999）.