軟土地區下穿運營高鐵通道工程關鍵技術研究

王淑敏

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300142)

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軟土地區下穿運營高鐵通道工程關鍵技術研究

王淑敏

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142)

天津市武清區某城市干道下穿高速鐵路及普速鐵路立交工程是我國首例下穿運營高鐵的通道工程，具有安全風險高、工程技術復雜、施工難度極大等特點。以高速鐵路為研究對象，針對其軟土地區及臨近運營高鐵等特點，分別對工程防護設計與安全評估技術、高壓旋噴樁施工和開挖對橋臺影響試驗、全封閉止水、開挖、頂進施工技術以及監測技術進行了深入研究和測試，取得了大量寶貴的試驗和實測數據，提出一整套軟土地區臨近高鐵工程的安全評估和防護技術、監測技術和施工方法。研究結論：針對降水、開挖、打樁等關鍵工序進行安全評估計算分析是必要的；采取“分段開挖、邊挖邊壓、上下分層、同層分片、逐片推進”施工措施，及“及時封底、分段澆筑”施工模式，可有效降低施工對高鐵工程沉降變形的影響；旋噴樁施工對高鐵影響較大，施工時需要注意控制壓力，盡量在15 m以外。

高速鐵路；運營線；框構頂進；安全評估；旋噴樁止水；監測。

近年來，隨著國家經濟的發展，人民生活水平的提高，國家加大了道路、軌道交通，關系民生的水、電、煤、氣等地下管道的建設[1，2]。目前，下穿高鐵和普速鐵路的立交工程逐年增多，頂進框構橋作為下穿通道的主要工程結構形式，其支護、止水措施設計、安全評估及施工監控是確保高鐵運營安全的重點。

高鐵作為國家的重要運輸通道和生命線工程，為確保高速鐵路軌道的平順性、旅客乘車的舒適度以及高速列車行駛的安全性，高速鐵路對橋梁沉降和基礎承載力有著嚴格的要求和限值。下穿高速鐵路的通道工程設計和施工方案對高速鐵路的影響需要進行研究，根據研究成果和高速鐵路橋梁沉降和變形的要求研究采取相應的工程措施和監測手段，確保高速鐵路安全和旅客行駛舒適度[3]。

以臨近某高鐵頂進框構橋下穿立交工程為背景，從工程防護設計、安全評估、現場試驗、施工監測等多個方面進行分析和研究，以期得到有益的結論。

1　工程背景

1.1工程概況

本工程起點與既有前進路平面交叉，沿規劃線位，相繼下穿既有高速鐵路和既有普速鐵路線，終止于鐵路南側。既有高速鐵路在與下穿道路交叉處，線路由2條正線及2條到發線組成，2條正線為無砟軌道線，時速350 km，線間距5.0 m，到發線為有砟軌道線，高鐵設計之初為下穿道路的通過預留了(16+20+16) m剛構中橋，橋長56.8 m。整個工程由既有普速鐵路線下頂進框構橋以及既有高鐵剛構中橋橋下封閉路塹式U形槽兩部分組成。位于區域沉降漏斗內，高速鐵路開通運營以來地面沉降趨勢明顯，特別是城市干道下穿既有高鐵預留剛構中橋路橋過渡段產生了較大的不均勻沉降，為避免深基坑開挖、框構頂進、降水、U形槽開挖、旋噴樁等施工對既有高速鐵路剛構橋及路基造成附加沉降引起運營安全，需從工程防護設計、降水設計、安全評估、現場試驗、施工監測等多個方面進行分析和研究。

既有普速鐵路頂進框構采用(8.5+17+8.5)m穿越。其主體結構及斷面見圖1。

圖1　頂進框構橋主體結構(除高程單位為m外，其余為cm)

1.2地質條件

施工場地位于沖積平原，普速鐵路、高速鐵路兩側地勢低洼，有溝渠分布，其中比較大的為高速鐵路北側的一支渠，常年有水。根據地質勘查報告，本工程地質條件以軟塑粉質黏土為主，承載力在85～160 kPa，地下水埋深1.65～2.60 m，降水施工地下水位最大降深5 m。

2　防護設計與安全評估技術研究

由于高鐵變形控制嚴格，臨近高鐵工程的防護設計與以往結構設計不同，本工程設計過程中，針對臨近工程施工所引起的地下水位變化、基坑開挖卸載和結構澆筑加載對高鐵變形影響進行重點控制[4]。設計完成后，采用有限元軟件進行系統的安全評估分析，以確定通道工程的施工全過程對臨近運營高鐵影響，確保施工滿足規范要求[5，6]。

2.1普速鐵路頂進框構基坑防護、止水設計研究

既有普速鐵路采用(8.5+17+8.5) m頂進框構橋形式穿越。預制框構的工作坑(止水帷幕內側)沿框構軸向方向長54.53 m，寬43.44 m，基坑邊緣止水帷幕內側距離既有高速鐵路路基坡腳距離為42.7 m，距離普速鐵路上行中心線距離為10.06 m，由于頂進框構與高速鐵路距離較近，有必要采取防護措施對其施工過程進行控制，其止水防護平面布置見圖2。

圖2　止水防護設計平面布置示意

頂進工作坑兩側采用φ1.25 m鉆孔樁，間距1.5 m，深度20 m。后背位置采用φ1.5 m鉆孔灌注樁，間距1.8 m，深度21 m。工作坑四周采用高壓旋噴止水帷幕止水，為兩排φ60 cm旋噴樁咬合。工作坑內采用高壓旋噴樁封底，以減小工作坑區域地下水位變化引起臨近高速鐵路的變形。

框構頂進過程中需對普速鐵路兩側進行降水，降水半徑58 m，為防止降水引起高速鐵路剛構橋及路基的附加沉降，采用“隔離法”防護措施，在普速鐵路北側設計2道高壓旋噴止水帷幕，1道由3排φ60 cm旋噴樁咬合而成；另一道為雙排旋噴樁從高速鐵路剛構橋南側兩錐體護坡開始向東西兩側沿邊坡坡腳各伸出63 m(降水半徑+5 m)，2道止水帷幕將高速鐵路和普速線隔離開來，減小高速鐵路方向的地下水向頂進框構橋方向滲透，防止頂進框構的降水作業對高速鐵路造成沉降影響。

2.2安全評估技術研究

經過防護設計及風險分析后，可確定本工程的主要風險為施工降水和基坑開挖兩個方面，本工程采用有限元軟件建模對設計工況進行安全評估分析。

2.2.1施工降水對高鐵剛構橋影響評估

通過合理的止水措施設計對土體中水位變化進行控制是本工程的重點，結合大量的工程經驗[7]，本項目擬對2種止水方案進行對比分析，一種為常規防護設計方案，即僅在工作基坑和U槽外布置支護樁，而沒有布置咬合封底旋噴樁的方案。另一種為加強防護設計方案，即在框構頂進工作基坑和U槽外布置支護樁、止水帷幕，同時布置咬合封底旋噴樁的方案。下面將分別對2種方案下施工降水對高鐵的影響進行評估。

根據工程的特點，利用大型通用有限元軟件ABAQUS建立結構的空間三維有限元模型[8，9]，模擬普速鐵路線下的降水過程，分別對常規防護設計和加強防護設計2種防護方案進行計算分析[10]。

圖3和圖4分別給出常規防護和加強防護設計情況下的高鐵和普速鐵路的沉降云圖。從圖中可看出，加強防護設計方案中，止水帷幕作用顯著，可大大降低高鐵的沉降量，保證鐵路的運營安全。

圖3　常規防護設計(單位：m)

圖4　加強防護設計(單位：mm)

本工程框構橋頂進施工降水，歷時26 d，實測數據變化量最大值為0.96 mm，與安全評估理論計算結果1 mm基本吻合。

2.2.2橋下基坑開挖對高鐵剛構橋影響評估

橋下基坑開挖是威脅高鐵沉降的又一個重要因素，這里為了定量的分析基坑開挖對高鐵的影響，選取高速鐵路高鐵橋下U4型槽進行安全評估，采用PLAXIS-3D建立了場地土體的三維數值模型[2，11]，模型寬度為140 m×140 m，土層總深度90 m，采用土體硬化模型來模擬土的本構關系[12]，土體左右邊界采用水平約束，底邊界采用固定約束[11，13]。既有高速鐵路剛構中橋承臺采用彈性體模擬，樁基礎及防護樁采用桿單元模擬[13，14]。U4-2開挖完成后的變形云圖如圖5所示。

圖5　U4-2型槽開挖變形云圖

根據現場實際監測數據可得，本工程U形槽開挖，對高速鐵路剛構橋及路基影響均為隆起； U形槽結構澆筑由于主體結構自重的影響，剛構橋及路基產生沉降，實測及計算數據接近(表1)。

表1　U4評估結果與實測數據對比　mm

注：負值為沉降，正值為隆起

以上實測變形結果均滿足高鐵規范要求[6，15]，證明本工程的防護設計是安全可靠的。有限元計算結果變形趨勢及數據均與實測數據較吻合，計算值略大于實測值。因此，經過實測數據檢驗本工程的安全評估結果準確、真實、可靠。

3　旋噴樁施工和基坑開挖對臨近高鐵剛構橋影響試驗研究

為了確保施工不對既有高鐵的橋梁和路基產生影響，在施工現場進行了橋臺足尺試驗并開展了旋噴樁施工工藝及旋噴樁施工及基坑開挖對既有橋臺影響等試驗。

3.1旋噴樁施工對周圍土體影響試驗

在黏土層中，以28 MPa旋噴壓力施工一道止水帷幕，長15 m，雙排咬合，樁長18 m，在距止水帷幕6、9、12、15 m處各設1個觀測點，測點布置見圖6。

圖6　位移、沉降觀測點布置(單位：cm)

旋噴樁止水帷幕施工對周圍土體擠壓試驗結果表明：旋噴樁施工旋噴壓力越大對周圍土體引起的水平及豎向變形也越大。旋噴樁施工對周圍土體的影響，隨著距旋噴樁施工距離的增大而減小。在軟土地區，如表2所示，當距離達到15 m時，旋噴樁對周圍土體的水平及豎向變形的影響已經很小，可以不考慮其影響。

表2　觀測點位移

3.2旋噴樁施工對臨近橋臺影響試驗

按照實際的施工工藝和施工順序， 在等比例結構模型的尺寸下制定如下試驗方案。

臺后有堆載多排高壓旋噴樁施工對橋臺影響試驗。此試驗承臺位移及應變觀測點布置與無堆載單排高壓旋噴樁施工影響范圍試驗相同，橋臺南側有土壓力監測點4個。在橋臺南側由近及遠進行打樁施工，每排7根，共25排。見圖7。

圖7　測點布置及施工平面(單位：cm)

試驗結果表明：有堆載多排高壓旋噴樁施工，隨著施工距離的增加，對橋臺的應力、側向位移以及沉降的影響有逐漸減小的趨勢。當打樁完成以后臺尾處1號測點最大拉應力312 kPa；橋臺頂前方水平位移2.9 mm，沉降量2.8 mm。因此，在臺前打樁過程中，高壓旋噴樁的擠壓作用明顯，橋臺向臺尾方向傾倒，引起的臺尾處1號測點最大應力變化為-89 kPa(受壓)，橋臺頂向臺尾方向發生水平位移變化量為4 mm；橋臺隆起1 mm。

3.3基坑開挖影響試驗研究

從全國文學界來看，按照反映知青生活的地域劃分，在全國響當當的代表作家大概有以下幾位：東北有梁曉聲、張抗抗，陜北有史鐵生，內蒙有張賢亮，云南有葉辛等。這些作家大多出生于北京、上海、杭州等大城市。上山下鄉帶來的巨大生活反差，使他們對現實充滿無奈，對未來充滿迷茫，對命運充滿恐懼。他們的作品反映的是一群人、一代人在那個特定生活環境里的情感、思想與行為方式。然而，如前所說，偌大一個中原，將近一百萬的知青，歷時25年的上山下鄉，卻沒有多少文學作品去直面中原知青生活，而引起全國關注的文學作品更是鳳毛麟角。從這個角度上講，《沱河記憶》的典型意義就更大了。

圖10　全過程斷面曲線

距離基坑南側邊緣每隔5 m設一觀測點，共設8個點，計40 m。從框構基坑開挖起，每天用精密水準儀量測一次，以取得各觀測點每日變化情況。基坑兩側及后背采用垂直開挖，前端采用放坡開挖，坡度為1∶1.5，基坑長52 m，寬42 m，深6 m。坡道寬5 m，長15 m，測點布置見圖8。

圖8　沉降觀測點布置(單位：m)

基坑開挖共計7 d，地面測點在第10 d基本完成變形，其中XP1觀測點隆起最大，為3.5 mm，到40 m處，隆起基本為0，觀測點沉降曲線見圖9。

圖9　觀測點沉降曲線

4　監測技術研究

在施工中，由于地質條件、荷載條件、材料性質、施工技術和外界其他因素的復雜影響，實際情況和理論上常常有出入[15]。開展獨立的第三方監測是檢驗工程設計、安全評估和施工對高鐵影響的最重要的手段，也是確保高鐵運營安全的關鍵措施。本工程采用鐵三院橋梁處研發的高速鐵路橋梁沉降變形自動化監測及預警系統SMAIS[16]，主要針對高鐵的路基和橋梁的基礎沉降、水平變形及地下水位變化進行自動監測和預警。

本項目監測的重點取為高速鐵路的路基及剛構中橋，總監測范圍為582 m，其中核心區域在335 m范圍內，采用人工與自動化監測相結合的方式，重點監測高速鐵路的橋梁和路基沉降、水平變形以及地下水位變化的影響。

通過節選整個施工過程6個關鍵時間節點的路基與橋梁沉降自動化監測數據，分析各施工工況對既有鐵路沉降變形影響。監測數據見圖10、圖11。

圖11　施工結束后的4個月沉降時程曲線

從斷面曲線可以看出整個施工過程中，高速鐵路發生了沉降變形，路基沉降要大于剛構中橋發生的沉降變形。從時程曲線可以看出，施工結束后的4個月中，測點沉降變形曲線平緩，沒有再發生過顯著的變化，可以判斷施工的影響已經穩定。

從監測結果中可以看出，在高鐵線路附近施作旋噴樁會對高鐵橋梁和路基結構造成上浮和側擠的效果，引起高鐵橋梁和路基結構的隆起和側向變形；土方開挖會造成高鐵橋梁和路基結構隆起變形；框構頂進施工時會造成高鐵橋梁和路基結構的隆起變形[17，18]，進行堆載和混凝土澆筑施工時會引起高鐵橋梁和路基結構的沉降變形。

5　結論

以天津市武清區某城市干道下穿高速鐵路立交工程為背景，針對其地處軟土地區及臨近運營高鐵等特點，分別對工程防護設計與安全評估技術、高壓旋噴樁施工和開挖對橋臺影響試驗，以及監測技術進行了深入研究和測試，取得了大量寶貴的試驗和實測數據，提出一整套軟土地區臨近高鐵工程的安全評估和防護技術、監測技術和施工方法，得出了以下結論。

(1)臨近高鐵不可避免需要采用降水施工時，采用止水帷幕“隔離法”是切實有效的。針對降水、開挖、打樁等關鍵工序進行安全評估計算分析是必要的。

(2)高鐵橋下基坑開挖對高鐵橋梁隆起影響較大，施工時需注意采取相應的措施，應采取“分段開挖、邊挖邊壓、上下分層、同層分片、逐片推進”施工措施，及“及時封底、分段澆筑”施工模式，經現場驗證，可有效降低臨近運營高鐵通道工程施工對高鐵工程沉降變形的影響。

(3)軟土地區臨近高鐵工程高壓旋噴樁施工和開挖對橋臺影響試驗研究中，在工程現場進行了旋噴樁影響范圍試驗以及現場高速鐵路橋臺同比例足尺試驗，取得了大量寶貴的試驗數據，臨近高鐵旋噴樁施工對高鐵影響較大，施工時需要注意控制壓力，盡量在15 m以外。

(4)臨近高鐵施工自動化監測可實現實時監測，是必要手段。本文采用的SMAIS系統實現了對高鐵的實時化、可視化、遠程化、自動化監控，指導了施工過程，做到了信息化施工。

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Research on Key Engineering Technologies of Corridor Project Under-passing Operational High-speed Railway in Soft Soil Area

WANG Shu-min

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

The interchange project of one main road under-passing high-speed railway and conventional railway in Wuqing District in Tianjin is the first such project in China. The project is characteristic of high security risk， complex engineering technology and extreme construction difficulties. This paper aims at high-speed railway， conducts intensive studies of engineering protection design and safety assessment technology， high pressure jet grouting pile construction and impact test of excavation for abutment， closed sealing， excavation， jacking construction technology and monitoring technology， obtains a lot of valuable test and measurement data， and brings forward a whole set of safety assessment and protection technology， monitoring technology and construction methods in soft soil area adjacent to the high speed railway project. The results show that it is necessary to carry out safety assessment with calculation and analysis of key steps in dewatering， excavation and piling by means of sub-excavation， digging while pressing， upper and lower layer division， one layer with multi-slices， advancing by slices， and sealing bottom in time and casting by segment， which can effectively reduce the impact of construction on high-speed railway settlement. As jet grouting pile construction has greater impact on the high-speed railway， its pressure should be controlled as far as beyond 15 m.

High-speed railway; Operational line; Frame bridge jacking; Safety assessment; Jet grouting pile for water resisting; Monitoring

2016-02-01；

2016-02-27

北京鐵路局重點課題(2013BG41)

王淑敏(1972—)，女，高級工程師，1997年畢業于石家莊鐵道學院交通土建工程專業，工學學士，E-mail：158217661@qq.com。

1004-2954(2016)09-0083-06

U447

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.019