飽和粉細砂地質條件下大斷面頂進框架橋施工關鍵技術研究

丁宇坤

(呼和浩特鐵路局建設管理處，內蒙古呼和浩特 010050)

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飽和粉細砂地質條件下大斷面頂進框架橋施工關鍵技術研究

丁宇坤

(呼和浩特鐵路局建設管理處，內蒙古呼和浩特 010050)

結合包頭某公路下穿既有京包、集包鐵路框架橋工程實例，介紹飽和粉細砂地質條件及碎石樁加固路基下的挖孔樁施工、地下水位控制、框架橋頂進、高鐵沉降觀測及建設管理等關鍵技術。

飽和粉細砂 下穿工程 框架橋 關鍵技術研究

隨著新建鐵路大規模建設、既有鐵路提速改造不斷推進、地方經濟的快速發展，道路及管線與鐵路交叉情況越來越多。實際工程中，受地形限制，為減少道路下挖高度和建筑物結構高度，改善道路縱坡和排水條件，道路一般采用箱形橋結構下穿通過鐵路，污水、燃氣等重要管線通過頂進保護涵下穿鐵路。該施工方法具有對既有鐵路運營影響小、造價低、施工速度快的特點，已成為新建下穿式橋涵的一種主要施工工藝，并得到廣泛推廣應用。

下穿頂進工程的重點和難點在于保證既有鐵路行車安全，施工期間既要兼顧施工進度，保證工程質量，更要保證鐵路運營及施工安全，還要盡可能減少對鐵路運輸的干擾。因此，研究施工頂進橋涵關鍵技術，對確保既有鐵路營運、施工安全，具有十分重要的意義。

1 工程概況

本工程下穿既有京包、集包鐵路。京包鐵路為雙線客貨共線電氣化鐵路，速度目標值120 km/h，本段線路位于直線上，路基填方高度2～3 m。既有集包鐵路為雙線電氣化鐵路，速度目標值200 km/h，線路位于直線上，無縫線路，線路縱坡2.1‰，路基填方高度4.3 m。地基采用樁徑80 cm、樁長8 m、樁間距2 m、梅花形布置的碎石樁。

工程內容包括：1座天然氣管道護涵(凈寬4 m的箱形涵，橫向長度77 m)，1座污水管道護涵(內徑2.5 m的圓涵，橫向長度70 m)，4座工業區東路立交橋(凈寬分別為7.5 m、12 m、12 m、7.5 m的箱形橋)，1座給水、中水、供熱管道護涵(凈寬8 m的箱形橋，橫向長度35.5 m)，1座雨水管道護涵(內徑2.5 m的圓涵，橫向長度70 m)，立交橋之間及出入口外U形槽工程(橫向長度35.5 m)，以及接觸網、電力、通信、信號光纜、電纜的遷改等工程。按照《呼和浩特鐵路局營業線施工管理實施細則》規定，“集包線臺閣牧(不含)—包頭間按高速鐵路管理”，下穿既有集包線工程為高速鐵路施工。

2 工程地質條件

工程所處地貌單元為大青山山前沖積邊緣與黃河北岸二級階地相接處，地形較平坦開闊，場地內地層自上而下分別為人工填土、粉砂、粉土、粉砂等，粉砂和粉土層透水性強，土體穩定性差；場地地下水為孔隙潛水，水位2.9～3.0 m；工程范圍內地下水位于地表以下3 m處，軌底下0～6 m無水；6～10 m范圍滲水，但無涌砂現象發生；10～12 m范圍有涌水、涌砂現象發生。

3 工程重難點

3.1 重點安全隱患

本工程為下穿鐵路營業線頂進施工，工程規模大，橋涵數量多，施工工序復雜，既要保證京包、集包鐵路行車安全，又要保證粉砂地區高富水底層條件下基坑開挖、挖孔樁施工、線路架空施工、立交橋頂進施工過程中的鐵路行車安全。

3.2 控制工程及重難點工程

下穿既有鐵路頂進框架橋、涵施工，需在鐵路局批復的營業線施工計劃內進行。地下水位控制、線路加固和頂進施工是本項目的控制工程。

本工程的重難點工程包括：

(1)挖孔樁施工；

(2)旋噴樁止水帷幕，路基注漿加固；

(3)D型便梁加固線路；暗挖段超前帷幕注漿、超前逐漸支護；

(4)水平止水帷幕；

(5)鐵路通信、信號、電力、供電既有設備遷改及防護。

4 關鍵施工工藝

4.1 挖孔樁施工

為了減少施工對既有集包鐵路的影響，人工挖孔樁必須連續成孔，否則有塌孔的危險，且集包鐵路主箱橋是實現工期目標的控制工程。因此，該施工方案是在線路慢行限速45 km/h、晝夜不間斷連續施工條件下制訂的。如按照相關規定僅能利用夜間210 min天窗進入防護柵欄施工，將造成樁基底部涌水、涌砂。且樁位離線路較近(挖孔樁邊緣距軌枕頭部5 cm)，極易造成路基沉降、塌孔等安全事故。基于以上因素，挖孔樁及冠梁的施工必須不間斷連續施工。挖孔樁具體施工工藝見圖1。

圖1 挖孔樁施工工藝

4.2 地下水位控制

(1)工作井基坑水位控制

主要包括鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁、袖閥管注漿和基坑開挖四個方面的施工。采用鉆孔灌注樁作為基坑支擋，灌注樁樁徑為1 m，樁長20 m；豎向旋噴樁作為第一級止水，樁長15 m，樁徑0.6 m，樁間距0.4 m，壓力25 MPa，雙層布置，一層用于填補鉆孔灌注樁空隙，另一層用于加固封堵止水；袖閥管注漿作為第二級止水，從豎向旋噴樁外側16 m向下注漿，咬合長度為1 m，袖閥管成孔孔徑1.6 m，注漿壓力1.5 MPa，灌注長度2 m，灌注樁內(基坑)四個角做進一步補強封堵；在靠近鐵路一側采用3層高壓旋噴樁作為加固措施(如圖2～圖4所示)。

圖2 鉆孔灌注樁布置

圖3 鉆孔灌注樁和高壓旋噴樁布置

圖4 工作井支擋止水布置

(2)護涵頂進過程中水位控制

管線護涵位于地面以下7.4 m，地下水位在地面以下5.5 m，地層為粉細砂，富水。基于以上情況，止水加固施工采用兩圈超前水平旋噴樁將工作面前方核心土與普通水泥-彭潤土混合樁。

為了保證施工順利進行，在頂管輪廓線外設計兩排水平旋噴孔，工作面頂管范圍內設計普通水泥-彭潤土混合樁注漿加固。水平旋噴樁樁長42 m，中間搭接3 m，高壓旋噴樁壓力42 MPa，樁徑0.6 m。水平旋噴樁采用內外同時加固，外層涵管向外加固兩層，用于加固和止水，內層以涵管圓心為基點，向外加固兩層，用于加固涵管開挖土層。

4.3 線路加固和頂進施工

(1)立交橋及護涵施工

主要包括位于京包、集包鐵路的4座箱形橋及1座給水、中水、供熱管線護涵，分三個階段進行線路加固頂進施工。

基坑開挖：線路加固施工前，委托工務部門對既有鐵路進行無縫線路應力放散、回散，線路加固方案采用D型便梁法，頂進橋涵采用先兩側后中間的頂進方案。

第一步：首先完成覆蓋箱涵范圍的全部D型便梁的架設→①、⑤箱涵一次/二次開挖并支護→①、⑤箱涵頂進施工。

第二步：移動并架設完成其中2組(4片)24 m便梁，同時拆除其余便梁→②箱涵開挖并支護→②箱涵頂進施工。

第三步：繼續移動并架設2組24 m便梁→③、④箱涵開挖并支護→③、④箱涵頂進施工。

拆除架空、恢復線路：

拆除架空、恢復線路的施工順序是“補充道碴并搗固→拆除縱橫梁連接系統→拆除縱梁→橫抬梁抽出并及時補充道碴、搗固→養護線路→線路驗收交接”。

過渡段：

箱橋頂進就位后，按設計要求做好框架兩側過渡段路基土體的加固，回填混凝土。抽出橫梁時注意避免鋼軌聯電。

(2)護涵施工

主要包括位于京包、集包鐵路的管道(1座雨水管道護涵及1道污水管道護涵)。施工方案為在鐵路中間及兩側設置三個工作井，工作井采用圍護明挖法。由于集包鐵路下有碎石樁，護涵下穿集包鐵路路基段采用明挖法施工，下穿京包鐵路路基段采用頂管法施工。

工作井施工：工作井施工采用鉆孔灌注樁+管內支撐體系，圍護結構周邊設封閉的止水帷幕。

護涵止水帷幕施工：護涵止水帷幕采用雙層注漿加固圈，注漿材料為超細水泥-水玻璃雙漿液。注漿加固圈采用前進式分段注漿，利用鐵路路基兩側的3個工作井相向鉆注，兩側注漿加固圈搭接3 m。

暗挖法施工：下穿集包線路基段采用暗挖法施工，暗挖法施工采用城門洞形斷面，開挖前進行小導管注漿加固，初支為180 mm厚C25噴射混凝土，全斷面設置1榀/m的I14型鋼鋼架，二襯為250 mm厚C30鋼筋混凝土，初支與二襯間全斷面鋪設EVA分離式防水板。

頂管法施工：下穿京包線路基段采用頂管法施工，污水管頂管法采用內徑2 000 mm，壁厚270 mm的預制鋼筋混凝土管道；雨水管頂管法采用內徑2 500 mm，壁厚290 mm的預制鋼筋混凝土管道。

5 沉降變形監測

5.1 沉降變形監測的必要性

對本工程而言，開展大斷面、復雜立交橋及管護涵洞下穿既有鐵路工程施工過程中路基和線路的變形監測是整個施工順利完成的基本保障，對確保既有鐵路安全營運具有十分重要的意義。通過監測下穿立交橋和管線護涵頂進施工期間既有集包鐵路基礎的下沉變形和D梁樁基沉降，實時監測頂進施工對既有鐵路的影響，從而為施工提供實時的數據信息，在此基礎上對監測數據進行對比分析，得出下穿既有鐵路過程中路基的沉降變形規律。

(1)掌握箱涵和圓涵下穿既有鐵路過程中的路基變形規律

下穿立交橋頂進和污水、雨水管護涵的掘進施工產生地層變形，這種擾動傳播到既有鐵路，使得路基表面產生相應下沉變形，下沉的速度和程度會隨著箱涵推進的進程不斷擴大和增加，同時既有鐵路對新建下穿工程也會產生一定程度的影響。

(2)防止施工過程中路基面出現過大下沉變形

由于路段自身的地質條件，下穿既有鐵路涵洞作業施工區內的地質條件直接影響路基沉降程度。同時，不恰當的施工管理往往是造成路面沉降的主要原因，由于不能堅持“吃土挺進”原則，導致大量土體的堆積，增加路基受到的張力。

(3) 控制頂進過程中既有線路出現較大水平位移

受到現有技術的限制，在實際施工過程中會受到很多客觀因素的影響，導致頂進施工過程中摩擦力過大，也就使大斷面箱涵和既有鐵路路基產生巨大的摩擦，造成出口處的路基發生平移或者破裂，影響既有鐵路的運營。

5.2 沉降變形監測的要求

根據《鐵路線路維修規則》關于線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值規定的最大累計變形小于(+20～-20 mm)的要求。路基變化量大于8 mm/d或累計變化量大于20 mm時必須停止施工。監控單位在路基變化量大于5 mm/d或累計變化量大于15 mm時應提出預警。

5.3 沉降變形監測內容

在既有線修建復雜交通涵的重點和難點在于保證鐵路行車安全，施工期間既要兼顧施工進度、保證工程質量，更要保證行車及施工安全，還要盡可能減少對鐵路運輸的干擾。該段線路采用人工觀測及沉降自動觀測兩種方式相結合的方案。

(1)監控階段1：設置基準點和測點。

確定并安裝靜力水準儀測點；

指導施工單位設置基準點；

測試基準點和靜力水準儀測點的初始值。

(2)監控階段2：①、⑤箱涵頂進施工，包括便梁架設、開挖以及頂進。

監測①、⑤箱體頂進施工過程中D型便梁樁基的沉降變化。

(3)監控階段3：②箱涵頂進施工，包括便梁移設、開挖以及頂進。

監測②箱體頂進施工過程中D型便梁樁基的沉降變化。

(4)監控階段4：③、④箱體頂進施工，包括便梁移設、開挖以及頂進。

監測③、④箱體頂進過程中D型便梁樁基的沉降變化。

6 建設管理

6.1 建設管理思路

高速鐵路橋涵建設管理流程可以概括為：高速鐵路進入護網內施工請示→上級主管部門批準→施工方案審批→施工計劃上報→施工危險源分析→專項方案編制→應急處置方案制定→施工過程中的工藝控制→竣工驗收。6.2 建設管理經驗

(1)高速鐵路線路沉降觀測制度是對路基、支撐樁沉降的重要監控手段，必須要落實到位，包括觀測位置、時間、聯合檢查機制等都要逐一落實，做到人工巡查、機械測量的有機結合，避免發生線路沉降時，不能及時預警而造成的事故。

(2)本工程范圍內地質情況較為復雜，存在地下水位較高、土質差、碎石樁加固路基較難頂進等問題，怎樣有效防止開挖過程中的土體坍塌、支點樁的塌孔、橋涵基坑及開挖段的地下水封閉、針對碎石樁制定行之有效的施工方案等問題是工程順利進行的保障。

(3)充分發揮各設備管理單位的監控能力，制定可行有效的應急搶險方案、準備充足的應急搶險資源是事故發生后能夠快速有效處理的關鍵。

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Essential Technical Research of the Construction of Large Pusher Frame Bridge in Saturated Silty Sand Geological Conditions Area

DING Yukun

2016-06-27

丁宇坤(1971—)，男，1994年畢業于西南交通大學地下工程與隧道工程專業，工程碩士，高級工程師。

1672-7479(2016)05-0091-04

U449.52

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