采煤沉陷區(qū)鐵路專用線涵洞重建技術(shù)研究

采煤沉陷區(qū)鐵路專用線涵洞重建技術(shù)研究

1基網(wǎng)沉陷變形帶,下下海下基本專用線路基最大下沉組織—工程概況潘二煤礦鐵路專業(yè)線（以下簡稱專業(yè)化線）是淮南礦業(yè)集團(tuán)潘二煤礦向國外運(yùn)輸?shù)闹匾骄€。2013—2014年潘二煤礦將對11223工作面煤層進(jìn)行開采,鐵路專用線的一段(K7+720-K8+710段)位于采煤沉陷變形帶上,全長990m,據(jù)預(yù)測,在沉陷影響范圍內(nèi)的專用線路基最大下沉2.8m。專用線K8+080段附近有一涵洞預(yù)計下沉達(dá)1.92m。該涵洞為蓋板式涵洞,1989年9月竣工并投入使用,涵洞斷面凈寬為2.0m×2.0m,凈高2.4m,涵洞軸線與路基軸線夾角61°,涵洞主體由3段組成,總長為14.0m。該段專用線經(jīng)歷多次開采下沉影響,本次下沉穩(wěn)定后涵洞處路基最大高度達(dá)9.5m,路基頂寬15m。涵洞頂部將在正常水位以下,難以滿足兩側(cè)水渠在汛期排水的要求,且涵身結(jié)構(gòu)部分多處產(chǎn)生裂縫,自身承載能力大幅度降低,嚴(yán)重影響上部路基的穩(wěn)定性,必須對該涵洞進(jìn)行重新修建。2高填方鐵路單軌洞穴重建方案由于專用線的重要作用和其所處的位置,對涵洞重建提出技術(shù)要求如下:(1)涵洞的重建過程中應(yīng)不中斷上部鐵路專用線的運(yùn)行;(2)滿足現(xiàn)行排水要求;(3)涵洞結(jié)構(gòu)具有抗采動變形能力,能適應(yīng)進(jìn)一步開采下沉要求;(4)重建工期短,應(yīng)在汛期到來之前完成。針對涵洞處鐵路專用線路基現(xiàn)狀和涵洞重建技術(shù)要求,經(jīng)過論證決定采用在原涵洞附近西側(cè)(專用線K8+090段)處高填方鐵路路基下進(jìn)行抗采動變形涵洞重建。涵洞重建技術(shù)方案包括:(1)采用抗采動變形組合箱型涵洞結(jié)構(gòu)形式重建涵洞;(2)采用人工挖孔樁+鋼結(jié)構(gòu)架空體系架空鐵路軌道,確保鐵路行車安全;(3)采用人工挖孔樁+鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐,確保架空體系下開挖和涵洞重建安全;(4)采用圍堰與輕型管井相結(jié)合的排水方式,確保涵洞重建不受地表和地下水影響。3抗采動變形井結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工設(shè)計3.1基軸線垂直的抗采動變形洞穴設(shè)計綜合考慮排水、采煤沉陷變形、現(xiàn)場施工、路基寬度、路基高度、地基土的工程地質(zhì)條件,結(jié)合淮南礦區(qū)橋涵結(jié)構(gòu)抗采動變形成熟的技術(shù),確定涵洞結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土組合箱體的形式。為減少涵洞穿越鐵路長度,重建涵洞軸線與路基軸線垂直,涵洞主體橫向由多個獨(dú)立的箱體組合而成,每個箱體的高度為7.5m、寬度為6.0m,長度為8.0m,各箱體間設(shè)16cm抗采動變形縫,涵洞出入口處的設(shè)置抗采動變形的鋼筋混凝土扶壁式八字翼墻。涵洞處工程地質(zhì)條件較好,地表雜填土以下粘土層承載力為220kPa,以該粘土層作為涵洞基礎(chǔ)的持力層,基礎(chǔ)采用素混凝土基礎(chǔ),厚度為50cm,其下鋪設(shè)碎石墊層,厚度為50cm。重建涵洞最大過水?dāng)嗝婵共蓜幼冃魏丛O(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。17.25m2大于現(xiàn)狀涵洞最大過水?dāng)嗝?且涵洞過水高度能夠滿足未來地表再下沉2.5m所需。經(jīng)過數(shù)值計算,涵洞結(jié)構(gòu)主體及地基滿足鐵路與公路行車荷載、采動變形等荷載作用。3.2斷鐵路行車滲透膜施工體系為了實(shí)現(xiàn)鐵路專用線不中斷行車和加快施工速度,專門進(jìn)行了不中斷鐵路行車涵洞施工設(shè)計,設(shè)計出人工挖孔樁架空、支撐和支護(hù)體系確保不中斷鐵路行車條件下進(jìn)行涵洞施工,該體系由人工挖孔樁、鋼結(jié)構(gòu)軌道架空支撐體系、路基開挖鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)體系3部分構(gòu)成。3.2.1樁身強(qiáng)度及基礎(chǔ)承載力在箱涵外側(cè)設(shè)計2排人工挖孔樁,樁以軌道中心線對稱布置,樁排距8.0m,每排4根樁,樁間距6.5m。樁直徑為1.50m,樁長9.6m,擴(kuò)大頭直徑2.0m。樁孔開挖采用人工分段方式,開挖的節(jié)段為1.0~1.5m,采用鋼護(hù)筒進(jìn)行支護(hù)。樁體采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆,鋼筋籠主筋采用φ32mm的HRB335鋼筋,混凝土為C35,樁頂部預(yù)埋錨栓。為了提高樁底地基承載力,樁基底土換填500mm碎石墊層。經(jīng)過計算,樁身強(qiáng)度和基底承載力滿足設(shè)計荷載要求。人工挖孔樁施工期間,鋼護(hù)筒支護(hù)必須及時可靠,地面孔口須設(shè)置警示標(biāo)志,施工過程中需要對孔內(nèi)進(jìn)行通風(fēng),以保證孔內(nèi)工人安全。樁到設(shè)計深度后進(jìn)行碎石換填土處理,然后進(jìn)行樁底擴(kuò)大頭鋼筋現(xiàn)場綁扎和混凝土澆筑,待擴(kuò)大頭混凝土強(qiáng)度不小于70%后,進(jìn)行上部鋼筋籠吊裝及混凝土澆筑。3.2.2基坑開挖及驗算人工挖孔樁頂面安設(shè)4拼45a#工字鋼梁作為帽梁,同時鐵路線下帽梁也作為軌道架空支撐梁,支撐梁帽梁上安設(shè)雙拼45a#工字鋼梁作為軌道架空梁,4拼45a#工字鋼梁和雙拼45a#工字鋼梁均采用焊接組合截面,軌道架空梁間用短梁連接構(gòu)成整體承載結(jié)構(gòu),軌道架空梁與帽梁采用焊接相連。軌道架空期間需暫時停止鐵路交通2~6h,首先進(jìn)行軌道下道床開挖,然后快速進(jìn)行4拼工字鋼帽梁安設(shè)和雙拼工字鋼梁的架設(shè)及連接處理,最好按設(shè)計標(biāo)高填筑道碴碎石并恢復(fù)鐵路交通。為了減少雙拼45a#工字鋼軌道架空梁安設(shè)占用時間,可以采用在現(xiàn)場軌道旁預(yù)先連接成整體結(jié)構(gòu),然后快速平移至設(shè)計位置進(jìn)行焊接處理。基坑開挖過程中隨開挖隨安設(shè)樁間內(nèi)支撐梁和聯(lián)系梁,內(nèi)支撐梁和聯(lián)系梁均采用雙拼45a#工字鋼梁,梁間距2m,梁與樁通過牛腿焊接。采用數(shù)值計算鋼結(jié)構(gòu)軌道架空體系,計算結(jié)果為軌道架空梁的最大應(yīng)力比為0.652,樁頂帽梁的最大應(yīng)力比為0.482,鋼梁最大撓度2.41cm,滿足列車行車要求。采用基坑開挖專門軟件驗算,基坑開挖過程和開挖后基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)和抗隆起安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求?；娱_挖過程和開挖后內(nèi)支撐梁最大軸力值為454kN,雙拼45a#工字鋼內(nèi)支撐梁最小抗力為3000kN,內(nèi)支撐梁強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足要求。基坑開挖整體穩(wěn)定安全,滿足涵洞施工要求。3.2.3背梁支護(hù)的設(shè)置基坑開挖過程中,隨開隨在樁背后安設(shè)水平擋土背梁。水平擋土背梁采用22a#工字鋼,基坑開挖上部4m深范圍背梁間距500mm,下部4m范圍背梁間距為250mm。為了提高背梁支護(hù)的可靠性,在樁聯(lián)系梁處的背梁間設(shè)置2道支撐梁,支撐梁與樁間聯(lián)系梁相焊接。在不考慮背梁后2道支撐梁情況下,背梁在列車荷載和土壓力作用下,所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為188MPa,背梁的強(qiáng)度與剛度滿足要求。鋼結(jié)構(gòu)軌道架空支撐體系和路基開挖鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)體系如圖2、3所示。3.3基坑排水效果由于鐵路路基由煤矸石填筑且道床下為路基均為道砟,鐵路路基沿路基走向和橫向透水性均較強(qiáng),涵洞開挖施工處地表水和地下水對施工影響較大,必須進(jìn)行可靠的施工排水堵水設(shè)計?；诤撮_挖場地條件和鐵路路基透水性,設(shè)計采用臨時圍堰和小型管井相結(jié)合的施工排水方式。臨時圍堰設(shè)在路基兩側(cè)涵洞開口處,圍堰頂寬4m,邊坡坡度為1∶1.5,圍堰高程同路基二臺高程,臨時圍堰由煤矸石填筑,外包粘土防滲。涵洞基坑外兩側(cè)設(shè)置小型管井降水和隔斷路基內(nèi)走向水力聯(lián)系,井點(diǎn)可采用雙排布置,排距28m,井點(diǎn)管間距為5.0m,管井深度在2~11m之間。井點(diǎn)管徑采用直徑108mm,鉆孔直徑150mm,井點(diǎn)管底端1.5m為濾管,井點(diǎn)管底部統(tǒng)一埋入不透水粘土層50cm。管井降水選用潛水泵的參數(shù)為:泵體直徑小于100mm,揚(yáng)程大于12m,抽水量大于2m3/h。涵洞施工排水設(shè)計如圖4所示。4行車洞重建技術(shù)依據(jù)采