控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法及棚架支护结构

1.本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法及棚架支护结构。


背景技术：

2.在下穿既有运营铁路路基进行隧道施工时，有以下难点问题：1）地下水位过高，上层覆土较薄引发隧道线上浮，致使地表隆起，导致铁路路基变形。
3.2）在隧道施工过程中工程扰动过大，注浆浆液强度无法立即形成，易引发上方既有铁路路基过量沉降；在隧道施工过程中易发生超挖现象，也易引发上方既有铁路路基过量沉降，危害交通安全。
4.3）在隧道施工完成后，上层覆土与铁路运营期荷载会对隧道结构产生横向力，致使隧道横向变形。
5.针对问题1），现今多在隧道内采用向下安装抗拔桩的方法，使其锚住下方地基，提供抗浮反力，但此方式对控制铁路路基变形并无作用。针对问题2），可使用军便梁加固铁路路基，但军便梁施工必将影响既有铁路运营。针对问题3），单一加强隧道承载能力必将引起成本浪费，且无法同时解决问题1）、2）。
6.因此，需要提供控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法及棚架支护结构，用于解决隧道下穿铁路路基导致路基变形和沉降的问题。


技术实现要素：

7.本发明目的在于提供控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法及棚架支护结构，具体技术方案如下：控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，包括以下步骤：步骤s1、新建隧道拟下穿铁路路基，设定隧道的中心轴线与铁路路基的中心轴线的夹角为；在新建隧道之前，在铁路路基的下方安装棚架支护结构，且棚架支护结构位于新建隧道的上方；采用式（g1）确定棚架支护结构的宽度：（g1）；采用式（g2）确定棚架支护结构的长度：（g2）；采用式（g3）确定棚架支护结构至地表的最大净距：
（g3）；在式（g1）-（g3）中，为铁路路基的宽度；为隧道的直径；为冗余系数，根据工程经验取1~3m；为系数，取值范围为开区间（0.4，1）中的任一实数；中的两个分别为棚架支护结构在铁路路基两侧延伸的长度；表示棚架支护结构所在土层的土的摩擦角；步骤s2、在棚架支护结构沿其长度上的两端分别确定为起始端和接收端；所述棚架支护结构包括依次并列设置的多根支护管道，每根支护管道的一端穿过起始端，而另一端穿过接收端；所述支护管道均与宽度方向垂直；根据起始端、接收端和最大净距确定每根支护管道对应的开挖路径；步骤s3、先采用钻机设备分别在起始端和接收端开挖出对应的工作空室；再采用钻机设备沿开挖路径挖孔、扩孔及完成对每根支护管道的下管作业；步骤s4、在所有支护管道的下方连接支撑件；采用混凝土注浆设备完成对所有支护管道及工作空室的注浆作业，从而形成棚架支护结构。
8.可选的，相邻两根支护管道之间设置间隙。
9.可选的，在每根支护管道上均至少包括一个接头；在步骤s3中进行下管作业时，需要控制所有支护管道在同一横断面的接头数不超过50%；每根支护管道的直径为108-159mm。若直径超过160mm的支护管道，则对控制铁路路基沉降的作用很小。
10.可选的，在步骤s3中，在对应起始端开挖的工作空室的深度和面积均大于在起始端的所述棚架支护结构的高度和横断面积；在对应接收端开挖的工作空室的深度和面积均大于在接收端的所述棚架支护结构的高度和横断面积。
11.可选的，在步骤s4中采用的支撑件为工字钢；所述工字钢的高度大于所述支护管道的直径。
12.可选的，在步骤s3中，所述钻机设备在挖孔时，根据支护管道的直径和地质条件选择对应的偏心钻头，在偏心钻头上安装定位导向装置，偏心钻头连接钻杆由钻机中伸出，按照开挖路径挖孔。
13.可选的，在步骤s3中，所述钻机设备在挖孔时，每钻进4-6m测定一次钻孔的偏斜度，并进行清孔；若向下偏斜，则在偏斜部分填充水泥砂浆，待其凝固后再行钻进；若向上偏斜，则根据偏心钻头再次钻进。
14.可选的，在步骤s3中，所述钻机设备在扩孔时，待偏心钻头携钻杆穿出地面后，卸除偏心钻头，于接收端更换扩孔工具；首先，将扩孔工具与钻杆安装固定；然后，在起始端加压回拖扩孔工具进行扩孔，将开挖形成的孔洞扩至目标洞径；所述目标洞径为支护管道直径的1.2~1.5倍。
15.可选的，在步骤s3中，所述钻机设备在进行下管作业时，若开挖的土质情况为松散破碎岩体或粘聚力不高于.0.2mpa的土体，则采用的下管方式为；将支护管道固定安装在扩管工具作业方向上的后端使二者连为一体，确保扩孔与下管同步完成；
若开挖的土质情况为坚硬岩体或粘聚力高于0.5mpa的土体，则采用的下管方式为；所述钻机设备在扩孔结束后，先卸除扩孔工具，并完成清孔作业，再使用所述钻机设备完成下管作业。
16.在第二方面，本发明提供了一种棚架支护结构，采用所述控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法形成的棚架支护结构。
17.应用本发明的技术方案，至少具有以下有益效果：（1）采用本发明中的所述控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，施工工序简便，且实际单位宽度工作面仅需2~3m，显著缩小了施工作业面，具有较强的实用性和施工稳定性；同时，所形成的棚架支护结构为混合受力结构，能够共同支承铁路路基下方土体，解决隧道下穿铁路路基导致路基变形和沉降的问题。
18.（2）所述棚架支护结构采用工字钢将所有支护管道焊接成支护网架，然后经注浆形成混合受力结构，能够共同支承铁路路基下方土体，解决隧道下穿铁路路基导致路基变形和沉降的问题。另外，本发明可对棚架支护结构先行施工，再进行掘进作业，避免了采用常规防护机构行进与隧道掘进交替施工而延误工期的情况出现。
19.（3）本发明从“被扰动方”铁路路基为主研对象，借鉴peck公式推导过程（即式（g3）），结合路基宽度和隧道开挖半径等多维度参数得出地层某一深度的扰动范围，这区别于设计保守的地表沉降槽宽度，让沉降量在空间上优先得到控制，且减少工程耗材。若直接引用经典peck公式，低估了埋深对大断面浅埋隧道地表沉降的影响；本发明借鉴peck沉降线性拟合线中的角度关系得出沉降影响范围，避开此不足。
20.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
21.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明实施例1中的一种控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法的结构示意图；图2是图1中a区域的放大图；图3是图2中多根支护管道与支撑件连接后的右视图；图4是步骤s1中在铁路路基的下方安装棚架支护结构后的示意图；图5是铁路路基所在的地势存在“上高下低”地势时对应的施工示意图；其中，1、支护管道，2、支撑件，y1、隧道，y2、铁路路基，y3、钻机设备，y4、工作空室。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
23.参见图1-4，控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，包括以下步骤：步骤s1、新建隧道y1拟下穿铁路路基y2，设定隧道y1的中心轴线与铁路路基y2的中心轴线的夹角为；在新建隧道y1之前，在铁路路基y2的下方安装棚架支护结构，且棚架支护结构位于新建隧道y1的上方；采用式（g1）确定棚架支护结构的宽度：（g1）；采用式（g2）确定棚架支护结构的长度：（g2）；采用式（g3）确定棚架支护结构至地表的最大净距：（g3）；在式（g1）-（g3）中，为铁路路基y2的宽度；为隧道y1的直径；为冗余系数，根据工程经验取1~3m；为系数，取值为0.5；中的两个分别为棚架支护结构在铁路路基y2两侧延伸的长度；表示棚架支护结构所在土层的土的摩擦角；步骤s2、在棚架支护结构沿其长度上的两端分别确定为起始端和接收端；所述棚架支护结构包括依次并列设置的多根支护管道1（每根支护管道1的直径为108mm），每根支护管道1的一端穿过起始端，而另一端穿过接收端；所述支护管道1均与宽度方向垂直；根据起始端、接收端和最大净距确定每根支护管道1对应的开挖路径；由于每根支护管道1均有对应的开挖路径，因此，在步骤s3中，需要采用钻机设备y3完成每根支护管道1对应的开挖路径的挖孔、扩孔作业，及完成该根支护管道1的下管作业；以此类推，直至完成对每根支护管道1的下管作业，避免安装棚架支护结构的施工造成铁路路基变形和沉降；步骤s3、先采用钻机设备y3分别在起始端和接收端开挖出对应的工作空室y4；再采用钻机设备y3沿开挖路径挖孔、扩孔及完成对每根支护管道1的下管作业；若铁路路基y2所在的地势存在“上高下低”（如图5所示），或“上低下高”等类地势，即不具备两端联合施工条件，可单向施工，即仅设置起始端，在起始端施工；步骤s4、在所有支护管道1的下方焊接支撑件2，具体的，所有支护管道1两端的下方均焊接支撑件2；采用混凝土注浆设备完成对所有支护管道1及工作空室y4的注浆作业，从而形成棚架支护结构。
24.相邻两根支护管道1之间设置间隙，便于采用钻机设备y3沿开挖路径挖孔、扩孔及下管作业时，确保土层结构稳定，避免安装棚架支护结构的施工造成铁路路基变形和沉降。
25.根据间隙的宽度和支护管道1的直径，由棚架支护结构的宽度能够计算确定所有支护管道1的数量。
26.在步骤s3中，在对应起始端开挖的工作空室y4的深度和面积均大于在起始端的所述棚架支护结构的高度和横断面积，便于钻机设备y3沿开挖路径挖孔、扩孔及下管作业；在对应接收端开挖的工作空室y4的深度和面积均大于在接收端的所述棚架支护结构的高度和横断面积，便于钻机设备y3沿开挖路径挖孔、扩孔及下管作业。
27.在步骤s4中采用的支撑件2为工字钢；所述工字钢的高度大于所述支护管道1的直径，便于稳固支撑所述支护管道1。
28.在步骤s3中，所述钻机设备y3在挖孔时，根据支护管道1的直径和地质条件选择对应的偏心钻头，在偏心钻头上安装定位导向装置（为常规装置），偏心钻头连接钻杆由钻机中伸出，按照开挖路径挖孔。所述定位导向装置用于实时更新偏心钻头的坐标、纠正偏向，使得开挖形成的孔洞始终保持在开挖路径上。
29.在步骤s3中，所述钻机设备y3在挖孔时，每钻进5m测定一次钻孔的偏斜度，并进行清孔；若向下偏斜，则在偏斜部分填充水泥砂浆，待其凝固后再行钻进；若向上偏斜，则根据偏心钻头再次钻进。
30.在步骤s3中，所述钻机设备y3在扩孔时，待偏心钻头携钻杆穿出地面后，卸除偏心钻头，于接收端更换扩孔工具；首先，将扩孔工具与钻杆安装固定；然后，在起始端加压回拖扩孔工具进行扩孔，将开挖形成的孔洞扩至目标洞径；所述目标洞径为支护管道1直径的1.2~1.5倍。
31.在扩孔时，可采用高压泵送钻井液，以切割、去除孔洞周围的固体，确保扩孔作业顺利进行。
32.在步骤s3中，所述钻机设备y3在进行下管作业时，若开挖的土质情况为松散破碎岩体或粘聚力不高于0.2mpa（具体的，岩质围岩的粘聚力不高于0.2mpa，土质围岩的粘聚力不高于0.02mpa）的土体，则采用的下管方式为；将支护管道1固定安装在扩管工具作业方向上的后端使二者连为一体，确保扩孔与下管同步完成；若开挖的土质情况为坚硬岩体或粘聚力高于0.5mpa的土体，则采用的下管方式为；所述钻机设备y3在扩孔结束后，先卸除扩孔工具，并完成清孔作业，再使用所述钻机设备y3完成下管作业，具体的，前期依靠人工送管，当阻力增大时接住钻机设备y3顶进，必要时，可增设液压千斤顶辅助下管。在清孔作业时，利用地质岩芯钻杆配合偏心钻头来回扫孔，清除浮渣至孔洞底，确保孔洞洞径、孔洞洞深符合要求，防止堵孔。
33.在每根支护管道1上均至少包括一个接头；在步骤s3中进行下管作业时，需要控制所有支护管道1在同一横断面的接头数不超过50%，便于保证棚架支护结构的抗剪切能力。
34.采用实施例1中的所述控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，施工工序简便，且实际单位宽度工作面仅需2~3m，显著缩小了施工作业面，具有较强的实用性和施工稳定性；同时，所形成的棚架支护结构为混合受力结构，能够共同支承铁路路基y2下方土体，解决隧道y1下穿铁路路基y2导致路基变形和沉降的问题。
实施例2：
35.棚架支护结构，采用实施例1中的所述控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法形成的棚架支护结构。
36.所述棚架支护结构采用工字钢将所有支护管道1焊接成支护网架，然后经注浆形
成混合受力结构，能够共同支承铁路路基y2下方土体，解决隧道y1下穿铁路路基y2导致路基变形和沉降的问题。
37.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、新建隧道（y1）拟下穿铁路路基（y2），设定隧道（y1）的中心轴线与铁路路基（y2）的中心轴线的夹角为；在新建隧道（y1）之前，在铁路路基（y2）的下方安装棚架支护结构，且棚架支护结构位于新建隧道（y1）的上方；采用式（g1）确定棚架支护结构的宽度：（g1）；采用式（g2）确定棚架支护结构的长度：（g2）；采用式（g3）确定棚架支护结构至地表的最大净距：（g3）；在式（g1）-（g3）中，为铁路路基（y2）的宽度；为隧道（y1）的直径；为冗余系数，根据工程经验取1~3m；为系数，取值范围为开区间（0.4，1）中的任一实数；中的两个分别为棚架支护结构在铁路路基（y2）两侧延伸的长度；表示棚架支护结构所在土层的土的摩擦角；步骤s2、在棚架支护结构沿其长度上的两端分别确定为起始端和接收端；所述棚架支护结构包括依次并列设置的多根支护管道（1），每根支护管道（1）的一端穿过起始端，而另一端穿过接收端；所述支护管道（1）均与宽度方向垂直；根据起始端、接收端和最大净距确定每根支护管道（1）对应的开挖路径；步骤s3、先采用钻机设备（y3）分别在起始端和接收端开挖出对应的工作空室（y4）；再采用钻机设备（y3）沿开挖路径挖孔、扩孔及完成对每根支护管道（1）的下管作业；步骤s4、在所有支护管道（1）的下方连接支撑件（2）；采用混凝土注浆设备完成对所有支护管道（1）及工作空室（y4）的注浆作业，从而形成棚架支护结构。2.根据权利要求1所述的控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，其特征在于，相邻两根支护管道（1）之间设置间隙。3.根据权利要求1所述的控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，其特征在于，在每根支护管道（1）上均至少包括一个接头；在步骤s3中进行下管作业时，需要控制所有支护管道（1）在同一横断面的接头数不超过50%；每根支护管道（1）的直径为108-159mm。4.根据权利要求1所述的控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，其特征在于，在步骤s3中，在对应起始端开挖的工作空室（y4）的深度和面积均大于在起始端的所述棚架支护结构的高度和横断面积；在对应接收端开挖的工作空室（y4）的深度和面积均大于在接收端的所述棚架支护结构的高度和横断面积。5.根据权利要求1所述的控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，其特征在于，在步骤
s4中采用的支撑件（2）为工字钢；所述工字钢的高度大于所述支护管道（1）的直径。6.根据权利要求1所述的控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，其特征在于，在步骤s3中，所述钻机设备（y3）在挖孔时，根据支护管道（1）的直径和地质条件选择对应的偏心钻头，在偏心钻头上安装定位导向装置，偏心钻头连接钻杆由钻机中伸出，按照开挖路径挖孔。7.根据权利要求6所述的控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，其特征在于，在步骤s3中，所述钻机设备（y3）在挖孔时，每钻进4-6m测定一次钻孔的偏斜度，并进行清孔；若向下偏斜，则在偏斜部分填充水泥砂浆，待其凝固后再行钻进；若向上偏斜，则根据偏心钻头再次钻进。8.根据权利要求6所述的控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，其特征在于，在步骤s3中，所述钻机设备（y3）在扩孔时，待偏心钻头携钻杆穿出地面后，卸除偏心钻头，于接收端更换扩孔工具；首先，将扩孔工具与钻杆安装固定；然后，在起始端加压回拖扩孔工具进行扩孔，将开挖形成的孔洞扩至目标洞径；所述目标洞径为支护管道（1）直径的1.2~1.5倍。9.根据权利要求6所述的控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法，其特征在于，在步骤s3中，所述钻机设备（y3）在进行下管作业时，若开挖的土质情况为松散破碎岩体或粘聚力不高于0.2mpa的土体，则采用的下管方式为；将支护管道（1）固定安装在扩管工具作业方向上的后端使二者连为一体，确保扩孔与下管同步完成；若开挖的土质情况为坚硬岩体或粘聚力高于0.5mpa的土体，则采用的下管方式为；所述钻机设备（y3）在扩孔结束后，先卸除扩孔工具，并完成清孔作业，再使用所述钻机设备（y3）完成下管作业。10.棚架支护结构，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法形成的棚架支护结构。

技术总结
本发明提供了控制隧道下穿铁路路基变形的施工方法及棚架支护结构，该方法包括步骤S1、新建隧道拟下穿铁路路基，设定隧道的中心轴线与铁路路基的中心轴线的夹角为；在新建隧道之前，在铁路路基的下方安装棚架支护结构，并确定棚架支护结构的宽度、长度和最大净距；步骤S2、确定棚架支护结构中每根支护管道对应的开挖路径；步骤S3、完成对每根支护管道的下管作业；步骤S4、形成棚架支护结构。该棚架支护结构采用该方法形成。本发明所形成的棚架支护结构为混合受力结构，能够共同支承铁路路基下方土体，解决隧道下穿铁路路基导致路基变形和沉降的问题。形和沉降的问题。形和沉降的问题。


技术研发人员：武朝光 陈治亚 张学民 王立川 刘进 王一鸣 王树英 雷明锋 李梓焜
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.09.12
技术公布日：2023/10/20