采煤沉陷区铁路专用线涵洞重建技术研究

采煤沉陷区铁路专用线涵洞重建技术研究

1基网沉陷变形带,下下海下基本专用线路基最大下沉组织—工程概况潘二煤矿铁路专业线（以下简称专业化线）是淮南矿业集团潘二煤矿向国外运输的重要航线。2013—2014年潘二煤矿将对11223工作面煤层进行开采,铁路专用线的一段(K7+720-K8+710段)位于采煤沉陷变形带上,全长990m,据预测,在沉陷影响范围内的专用线路基最大下沉2.8m。专用线K8+080段附近有一涵洞预计下沉达1.92m。该涵洞为盖板式涵洞,1989年9月竣工并投入使用,涵洞断面净宽为2.0m×2.0m,净高2.4m,涵洞轴线与路基轴线夹角61°,涵洞主体由3段组成,总长为14.0m。该段专用线经历多次开采下沉影响,本次下沉稳定后涵洞处路基最大高度达9.5m,路基顶宽15m。涵洞顶部将在正常水位以下,难以满足两侧水渠在汛期排水的要求,且涵身结构部分多处产生裂缝,自身承载能力大幅度降低,严重影响上部路基的稳定性,必须对该涵洞进行重新修建。2高填方铁路单轨洞穴重建方案由于专用线的重要作用和其所处的位置,对涵洞重建提出技术要求如下:(1)涵洞的重建过程中应不中断上部铁路专用线的运行;(2)满足现行排水要求;(3)涵洞结构具有抗采动变形能力,能适应进一步开采下沉要求;(4)重建工期短,应在汛期到来之前完成。针对涵洞处铁路专用线路基现状和涵洞重建技术要求,经过论证决定采用在原涵洞附近西侧(专用线K8+090段)处高填方铁路路基下进行抗采动变形涵洞重建。涵洞重建技术方案包括:(1)采用抗采动变形组合箱型涵洞结构形式重建涵洞;(2)采用人工挖孔桩+钢结构架空体系架空铁路轨道,确保铁路行车安全;(3)采用人工挖孔桩+钢结构内支撑,确保架空体系下开挖和涵洞重建安全;(4)采用围堰与轻型管井相结合的排水方式,确保涵洞重建不受地表和地下水影响。3抗采动变形井结构设计和施工设计3.1基轴线垂直的抗采动变形洞穴设计综合考虑排水、采煤沉陷变形、现场施工、路基宽度、路基高度、地基土的工程地质条件,结合淮南矿区桥涵结构抗采动变形成熟的技术,确定涵洞结构采用钢筋混凝土组合箱体的形式。为减少涵洞穿越铁路长度,重建涵洞轴线与路基轴线垂直,涵洞主体横向由多个独立的箱体组合而成,每个箱体的高度为7.5m、宽度为6.0m,长度为8.0m,各箱体间设16cm抗采动变形缝,涵洞出入口处的设置抗采动变形的钢筋混凝土扶壁式八字翼墙。涵洞处工程地质条件较好,地表杂填土以下粘土层承载力为220kPa,以该粘土层作为涵洞基础的持力层,基础采用素混凝土基础,厚度为50cm,其下铺设碎石垫层,厚度为50cm。重建涵洞最大过水断面抗采动变形涵洞设计结构如图1所示。17.25m2大于现状涵洞最大过水断面,且涵洞过水高度能够满足未来地表再下沉2.5m所需。经过数值计算,涵洞结构主体及地基满足铁路与公路行车荷载、采动变形等荷载作用。3.2断铁路行车渗透膜施工体系为了实现铁路专用线不中断行车和加快施工速度,专门进行了不中断铁路行车涵洞施工设计,设计出人工挖孔桩架空、支撑和支护体系确保不中断铁路行车条件下进行涵洞施工,该体系由人工挖孔桩、钢结构轨道架空支撑体系、路基开挖钢结构支护体系3部分构成。3.2.1桩身强度及基础承载力在箱涵外侧设计2排人工挖孔桩,桩以轨道中心线对称布置,桩排距8.0m,每排4根桩,桩间距6.5m。桩直径为1.50m,桩长9.6m,扩大头直径2.0m。桩孔开挖采用人工分段方式,开挖的节段为1.0~1.5m,采用钢护筒进行支护。桩体采用钢筋混凝土现浇,钢筋笼主筋采用φ32mm的HRB335钢筋,混凝土为C35,桩顶部预埋锚栓。为了提高桩底地基承载力,桩基底土换填500mm碎石垫层。经过计算,桩身强度和基底承载力满足设计荷载要求。人工挖孔桩施工期间,钢护筒支护必须及时可靠,地面孔口须设置警示标志,施工过程中需要对孔内进行通风,以保证孔内工人安全。桩到设计深度后进行碎石换填土处理,然后进行桩底扩大头钢筋现场绑扎和混凝土浇筑,待扩大头混凝土强度不小于70%后,进行上部钢筋笼吊装及混凝土浇筑。3.2.2基坑开挖及验算人工挖孔桩顶面安设4拼45a#工字钢梁作为帽梁,同时铁路线下帽梁也作为轨道架空支撑梁,支撑梁帽梁上安设双拼45a#工字钢梁作为轨道架空梁,4拼45a#工字钢梁和双拼45a#工字钢梁均采用焊接组合截面,轨道架空梁间用短梁连接构成整体承载结构,轨道架空梁与帽梁采用焊接相连。轨道架空期间需暂时停止铁路交通2~6h,首先进行轨道下道床开挖,然后快速进行4拼工字钢帽梁安设和双拼工字钢梁的架设及连接处理,最好按设计标高填筑道碴碎石并恢复铁路交通。为了减少双拼45a#工字钢轨道架空梁安设占用时间,可以采用在现场轨道旁预先连接成整体结构,然后快速平移至设计位置进行焊接处理。基坑开挖过程中随开挖随安设桩间内支撑梁和联系梁,内支撑梁和联系梁均采用双拼45a#工字钢梁,梁间距2m,梁与桩通过牛腿焊接。采用数值计算钢结构轨道架空体系,计算结果为轨道架空梁的最大应力比为0.652,桩顶帽梁的最大应力比为0.482,钢梁最大挠度2.41cm,满足列车行车要求。采用基坑开挖专门软件验算,基坑开挖过程和开挖后基坑整体稳定安全系数、抗倾覆稳定性安全系数和抗隆起安全系数均满足规范要求。基坑开挖过程和开挖后内支撑梁最大轴力值为454kN,双拼45a#工字钢内支撑梁最小抗力为3000kN,内支撑梁强度和稳定性满足要求。基坑开挖整体稳定安全,满足涵洞施工要求。3.2.3背梁支护的设置基坑开挖过程中,随开随在桩背后安设水平挡土背梁。水平挡土背梁采用22a#工字钢,基坑开挖上部4m深范围背梁间距500mm,下部4m范围背梁间距为250mm。为了提高背梁支护的可靠性,在桩联系梁处的背梁间设置2道支撑梁,支撑梁与桩间联系梁相焊接。在不考虑背梁后2道支撑梁情况下,背梁在列车荷载和土压力作用下,所产生的最大应力为188MPa,背梁的强度与刚度满足要求。钢结构轨道架空支撑体系和路基开挖钢结构支护体系如图2、3所示。3.3基坑排水效果由于铁路路基由煤矸石填筑且道床下为路基均为道砟,铁路路基沿路基走向和横向透水性均较强,涵洞开挖施工处地表水和地下水对施工影响较大,必须进行可靠的施工排水堵水设计。基于涵洞开挖场地条件和铁路路基透水性,设计采用临时围堰和小型管井相结合的施工排水方式。临时围堰设在路基两侧涵洞开口处,围堰顶宽4m,边坡坡度为1∶1.5,围堰高程同路基二台高程,临时围堰由煤矸石填筑,外包粘土防渗。涵洞基坑外两侧设置小型管井降水和隔断路基内走向水力联系,井点可采用双排布置,排距28m,井点管间距为5.0m,管井深度在2~11m之间。井点管径采用直径108mm,钻孔直径150mm,井点管底端1.5m为滤管,井点管底部统一埋入不透水粘土层50cm。管井降水选用潜水泵的参数为:泵体直径小于100mm,扬程大于12m,抽水量大于2m3/h。涵洞施工排水设计如图4所示。4行车洞重建技术依据采