公路下穿鐵路既有線的沉降分析

周明偉

(廈門市工程檢測中心有限公司　福建廈門　361004)

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公路下穿鐵路既有線的沉降分析

周明偉

(廈門市工程檢測中心有限公司福建廈門361004)

基于武漢市中一路(發(fā)展大道～幸福大道)下穿鐵路既有線工程，以沉降變形為主要控制目標，研究了頂進施工沉降變形機制，對施工過程中的路基沉降量進行了數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，針對性地提出了相應(yīng)的解決方法和處理意見。通過對各個施工階段施工工序和沉降監(jiān)測分析，只有保證各工序施工、管理措施到位，各階段的沉降得到有效控制，總沉降才能得到切實降低。

頂進施工；工后沉降；控制

隨著快速客運交通以及市政工程建設(shè)的迅速發(fā)展，越來越多的鐵路平交道口正在不斷地被立交路口取代，以消除鐵路與公路平面交叉所帶來的不利影響。鐵路沿線出于安全舒適、美觀穩(wěn)定、服務(wù)年限的考慮，對沉降控制提出了極高的要求。科學(xué)、有效地分析工后沉降，經(jīng)濟、合理地監(jiān)測和控制既有沉降，是工程技術(shù)人員需要重點考慮的問題。

1　工程概況

武漢市中一路(發(fā)展大道～幸福大道)京廣下行K1189+489下穿立交橋工程，位于武漢市江岸區(qū)竹葉山。橋位處鐵路現(xiàn)有5組道岔，12股道，分別為：京廣正線2股道、漢丹聯(lián)絡(luò)上行線1股道、站線9股道。軌面高程在22.87m～23.24m之間。漢丹線和京廣上、下行線從編組場外側(cè)繞行，另外9股站線夾在正線中間， 股道中間設(shè)有3條縱向排水溝。立交橋施工地段除了在7、8、12、13、14股道上沒有鋪設(shè)道岔以外，其余股道上均有道岔相交。

立交橋主體全長為110m，孔徑為4+16+4m，凈高5m，中間16m為機動車道，兩側(cè)各4m為人行道。立交橋主體采用箱型框架結(jié)構(gòu)，天然地基，地面設(shè)計標高22.7m，基礎(chǔ)埋深10.0m，基底設(shè)計標高12.68m～13.00m，擬采用正線分段頂進、站線現(xiàn)澆、中繼間頂進施工方案，見圖1；引道擬采用擋土墻或U形槽，擴大基礎(chǔ)或天然基礎(chǔ)；鐵路架空支點擬采用挖孔樁基礎(chǔ)，樁徑分別為2.0×2.5m、2.6×3.8m，最大樁長約為路基面以下15m，單樁荷載約為1 400kN～2 200kN。

2　現(xiàn)場測試及數(shù)據(jù)分析

2.1頂進施工過程監(jiān)測方案

為了有效研究箱涵頂進過程中鐵路線路沉降變形規(guī)律，對京廣上行13#道、漢丹線14#道和工作線上的共23根鐵路架空支點樁進行水平位移與沉降監(jiān)測，每根樁樁頂布設(shè)1個水平位移和沉降監(jiān)測點，共計23個監(jiān)測點。沉降監(jiān)測采用AT-G2型精密水準儀進行觀測，水平位移監(jiān)測采用TOPCOM GTS-600全站儀進行監(jiān)測。監(jiān)測點位置見圖2。

2.2監(jiān)測結(jié)果分析

(1)支點樁豎直位移

支點樁沉降如圖3、4所示，在前期漢丹線14#道與京廣上行13#道各個支點樁由于在基坑內(nèi)側(cè)和南側(cè)回填砂石發(fā)生有規(guī)律的波動，緩慢下沉，至2009年12月24日到達最低點，然后支點樁呈現(xiàn)整體緩慢上升趨勢。

在圖3中，由于挖掘機在D2支點樁附近挖土，導(dǎo)致D2點在3月11日有較大上升。2010年4月15日至2010年4月23日期間，D1、D2、D3、E1、E2、E3支點樁周圍土層被開挖掉，鋪設(shè)混凝土底板，同時箱橋緩慢地朝1號樁靠近，漢丹線14#道上的支點樁呈現(xiàn)明顯的上升現(xiàn)象。2010年4月25日、26日箱橋頂入鐵軌以下，D1、E1和D2、E2支點樁相繼被拆除。2010年4月28日箱橋頂?shù)紻2和E2支點樁所在位置，頂進工作結(jié)束。挖掘機在D3-E3支點樁以及C4-F4支點樁附近清土。其后各支點樁緩慢上升，但沒有出現(xiàn)明顯的波動現(xiàn)象。其中C2支點樁上升幅度最大，累計上升23.77mm。

在圖4中，京廣上行13#道各支點樁呈現(xiàn)明顯上升趨勢。2010年6月17日至2010年6月25日，支點樁E3-E5、F3-F5間，以及支點樁C3-C5、D3-D5開挖深坑，鋪設(shè)混凝土底板，深度大約為箱橋底板以下2m左右，致使京廣上行13#道的3號與4號支點樁均有明顯上升現(xiàn)象，D3、E3、D4和E4支點樁出現(xiàn)突然上升的現(xiàn)象。其中E4支點樁累積上升最大為59.07mm，其余支點樁變化則較為平穩(wěn)。

(2)支點樁水平位移

漢丹線14#道支點樁水平位移如圖5～圖10所示。從圖5～圖7可以看出漢丹線14#道支點樁軸向水平位移在2009年12月8日至2009年12月26日以及2010年1月14日至2010年3月4日兩個監(jiān)測時間段內(nèi)水平位移變化平緩，沒有出現(xiàn)較大波動，C1、C2、D1三個支點樁出現(xiàn)朝軸向正方向(基坑內(nèi)側(cè))緩慢增長的趨勢，2010年3月9日至2010年9月9日期間從圖7可以看出：C1、C2、D1支點樁出現(xiàn)明顯的朝基坑內(nèi)方向發(fā)生傾斜的現(xiàn)象，其余支點樁在軸向方向上變化較為平緩，沒有明顯波動。從圖8～圖10可以看出，支點樁E1、F1、F2沿法向正方向(基坑內(nèi)側(cè))不斷偏移，而C1、C2支點樁則沿法向負方向(基坑外側(cè))不斷偏移。

這主要是由于漢丹線鐵路線靠近基坑一側(cè)，其中C1-F1支點樁臨近基坑，除受到來往火車的影響外，又受到基坑施工的影響，其中C1、C2以及F1、F2支點樁位于基坑開挖面與漢丹線交匯處，受力較為復(fù)雜，基坑清排泥漿，南側(cè)邊坡高壓旋噴樁作業(yè)都會對上述支點樁的水平位移有較大影響。

京廣上行13#道支點樁水平位移如圖11～圖14所示。從圖11和圖13可以看出，在2010年1月14日至2010年3月6日期間京廣上行13#道上的各個支點樁水平位移在軸向和法向方向上均變化較為平緩，沒有出現(xiàn)較大波動。從圖12看出，在2010年3月9日至2010年9月9日期間，在軸向方向上，D4和E4支點樁在7月7日出現(xiàn)非常明顯的沿軸向正方向的偏移，主要是由于2010年7月3日至2010年7月7日間，挖掘機在D4和E4支點樁與箱橋之間挖土，而對支點樁沒有采取一定的保護措施，導(dǎo)致支點樁發(fā)生明顯偏移，最后累積水平位移偏移量D4支點樁為103.98mm，E4支點樁為72.94mm。 在軸向方向上其余支點樁變化較為平緩。

從圖14可以看出，在2010年3月17日F4支點樁發(fā)生明顯偏移，相對偏移量為42.85mm，變化非常明顯，主要是由于2010年3月13日至2010年3月17日間挖掘機在F4支點樁附近挖土，導(dǎo)致F4支點樁沿法向正方向(即基坑側(cè))發(fā)生較大偏移，隨后趨于平緩，至2010年9月9日監(jiān)測結(jié)束，F(xiàn)4支點樁呈現(xiàn)沿法向正方向緩慢偏移的現(xiàn)象，但未出現(xiàn)較大波動，最終偏移量為109.03mm。從圖14還可以看出，C4和D4支點樁沿法向負方向出現(xiàn)緩慢偏移的現(xiàn)象，雖沒有明顯大的波動，但偏移的趨勢非常明顯，C4支點樁最終偏移-99.21mm，D4支點樁最終偏移-53.09mm。

3　頂進過程中沉降原因分析

從豎向位移監(jiān)測結(jié)果可以看出：在整個施工過程中，支點樁基本上呈上升趨勢，整體平穩(wěn)。支點樁豎向位移較大的點位于離基坑較近、離箱涵較近的一側(cè)，樁側(cè)清土、開挖深坑、鋪設(shè)混凝土、頂進箱涵等施工活動對支點樁豎直位移影響較大，個別支點樁出現(xiàn)較大豎向位移，導(dǎo)致不均勻沉降。

從水平位移監(jiān)測結(jié)果可以看出：無論從軸向還是法向方向上，支點樁的偏移均是朝基坑內(nèi)偏移的，主要原因是，一方面在支點樁附近施工挖土過程中，沒有對支點樁采取及時有效的安全措施，導(dǎo)致支點樁發(fā)生明顯偏移；另一方面，在2、3號支點樁之間為通行便道，人員設(shè)備以及施工車輛和機器均從2、3號支點樁間穿過；為保證基坑邊坡安全，會在基坑坡底打一定量的旋噴樁加固地基，從而對支點樁形成一定的擠壓和受力；以及京廣鐵路線火車運行較為頻繁，移動荷載對支點樁產(chǎn)生的動沖擊，而且在京廣上線一側(cè)施工單位搶修合武鐵路線，保證合武鐵路線能夠及時通車。各個方面的原因?qū)е轮c樁樁底受力十分復(fù)雜，發(fā)生偏移的現(xiàn)象更為明顯和突出。

4　頂進施工過程中的沉降控制

4.1對基坑開挖的控制

基坑開挖時的卸荷回彈、施工擾動及基底硬化不足等都會導(dǎo)致路基沉降，通過采取以下措施，可以有效地控制基坑開挖沉降。

(1)及時做好支護，加強支護結(jié)構(gòu)的剛度，防止周圍土層向基坑內(nèi)滑移。

(2)做好坑底硬化和鋪設(shè)隔離層工作，防止箱涵頂進過程中產(chǎn)生剪切問題[1]。

(3)采取機械開挖和人工開挖相結(jié)合，減小對基坑周邊土體的擾動。

(4)在開挖施工過程中，借助儀器、設(shè)備和手段對箱涵結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境的豎向高程、水平位移、應(yīng)力、基底隆起等進行監(jiān)測，及時調(diào)整。

4.2對鐵路架空加固的控制

鐵路架空加固是頂進施工的前期工作，也是關(guān)鍵工作和難點工作。開挖及拆除架空支點樁產(chǎn)生的振動、架空及恢復(fù)線路時產(chǎn)生的線路不平順、箱涵頂進過程中產(chǎn)生對鐵路線路的帶動等，直接引起鐵路線路的沉降。

箱涵頂進過程中，為避免線路橫移、保證行車安全，依據(jù)場地條件，采取以下措施：

(1)在箱涵就位位置前端設(shè)置抗移樁，使線路的橫向力傳到抗移樁上，增加線路的穩(wěn)定性；

(2)在箱涵后端設(shè)置防橫移地錨，利用倒鏈調(diào)整線路方向；

(3)在箱涵頂部與橫抬梁之間使用頂進小車，減小推進摩擦。

4.3對頂進方向的控制

箱涵頂進時，頂力與基底不平行、過程控制不合理等，直接導(dǎo)致頂進過程中產(chǎn)生“抬頭”、“扎頭”，繼而產(chǎn)生沉降。頂進過程中對頂進方向進行控制，可以有效減少沉降。

(1)加強頂進過程中的實時監(jiān)測。在公路下穿鐵路頂進施工期間，對箱涵的軸線、進程、前刃角土壓力以及后背變形進行全程、實時的跟蹤監(jiān)測。

(2)在箱涵前端設(shè)置“船頭坡”。在箱涵上部刃角的位置設(shè)置土壓力檢測器，用于監(jiān)測箱涵頂進過程中箱涵前端的土壓力變化，避免出現(xiàn)在推進時將上部鐵路線路頂起。

(3)為防止框構(gòu)橋頂進時出現(xiàn)偏斜，布置千斤頂時應(yīng)嚴格按照計算的千斤頂布設(shè)位置進行布設(shè)，使千斤頂合力的作用線與箱身阻力的作用線重合。

(4)為防止頂進箱涵過程中出現(xiàn)左右偏移，在箱涵行進方向測量設(shè)置導(dǎo)向裝置。

(5)通過化學(xué)注漿加固地基，采取“預(yù)沉降”措施，防止箱涵出現(xiàn)“抬頭”或者“扎頭”。

(6)糾偏措施。

在頂進箱涵過程受限于施工現(xiàn)場的地質(zhì)情況、挖掘質(zhì)量，以及頂力施加的位置和角度等，容易出現(xiàn)偏離推進路線、“抬頭”或者“扎頭”現(xiàn)象。“抬頭”或者“扎頭”現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)原因在于箱涵頂進過程中受到頂力及自重作用，以及由于基坑底部強度不一致，造成箱涵前后端的地基反力不均勻，出現(xiàn)前后端的差異沉降較大，特別是對于軟弱土層更為明顯[2]。

對于水平位移，通常可以采用以下糾偏措施：

①增、減一側(cè)的千斤頂?shù)捻斄Υ笮。{(diào)整千斤頂數(shù)量；②開動一側(cè)的高壓油泵進行調(diào)整；③通過后背頂鐵進行調(diào)整； ④在箱涵前端設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)，一端架設(shè)在箱涵邊墻，另一端架設(shè)在開挖面上，強行改變其行進路線；⑤采取一側(cè)超挖，一側(cè)少挖來調(diào)整[3]。

糾正“抬頭”的方法：

①適當調(diào)整刃角的角度；②現(xiàn)場的兩側(cè)適當多開挖，給箱涵推進預(yù)留足夠的空間；③當箱涵“抬頭”量不大，可將開挖面開挖到與箱涵底板平齊。若“抬頭量”較大，則在前刃角前超挖20cm～30cm，隨頂隨調(diào)整[4]。

糾正“扎頭”的方法：

①適當增大箱涵前端力矩，增加兩側(cè)刃角吃土，前部刃角不得超挖；②挖土?xí)r預(yù)留箱涵底板以上10cm的土，利用“船頭坡”將預(yù)留土壓入箱底；③調(diào)整前刃角的角度，使刃角上揚角度增加；④增加箱涵后端平衡重，以改變箱涵前端受力狀態(tài)[5]。

5　結(jié)語

頂進施工工藝復(fù)雜，流程較長，各個關(guān)鍵工序都會引起地表沉降。只有在共同追求不產(chǎn)生工后沉降的終極目標的前提下，協(xié)調(diào)好路基、箱橋和軌道之間的相互關(guān)系，對施工過程進行系統(tǒng)控制，保證各工序施工、管理措施到位，各階段的沉降得到有效控制，總沉降才能得到切實降低。

[1]邱峽,高滿山,梁峰.鄭州地區(qū)頂進箱涵施工中沉降變形控制措施[J].施工技術(shù),2009,38(10):103-104.

[2]喻天金,邢培琦,劉潔林.中繼間頂進大跨度鐵路立交橋施工技術(shù)[J].鐵道標準設(shè)計,2004,12:64-66.

[3]潘艷杰.淺談頂進箱形橋的施工工藝[J].城市建設(shè)理論研究,2012(17).

[4]馬明.地道橋箱涵頂進信息化施工及方向控制研究[J].中國科技信息,2005,14：166.

[5]曾福強.大斷面箱涵頂進過程對既有公路沉降的影響[D].鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2011.

Settlement Analysis of Highway Crossing under the Existing Railway Lines

ZHOUMingwei

(Xiamen Center of Construction Engineering Inspection Co.LTD.，Xiamen 361004)

This article is based on the underpass engineering of existing railway lines in Zhongyi Road in Wuhan(development avenue ～ happiness avenue),taken settlement deformation as the main control target,subsidence deformation mechanism is studied,and the displacement monitoring analysis of the roadbed settlement is carried on,corresponding solution and advice is put forward according to the factors of settlement. Through the construction process and settlement monitoring and analysis of each construction stage,only each step of the construction,management measures are in place,settlement of each period is effectively controlled,can the total settlement be effectively reduced.

Jacking construction; Post-construction settlement; Control

周明偉(1987.09-),男，助理工程師。

E-mail:zhoumw1987@126.com

2016-04-18

[TU196.2]

A

1004-6135(2016)07-0062-05