既有鐵路下穿工程路基變形控制和箱橋排水技術

（中國鐵建投資集團有限公司，北京 100855）

隨著國民經濟的飛速發展，存量鐵路、公路密度不斷提升，交叉下穿工程日益增多。既有鐵路下穿工程項目，需要在既有鐵路正常運營的情況下，采取措施完成新建工程的安全施工和運營。此類工程具有其特有的風險因素，在工程實踐中的控制措施也有其特殊性，往往是全線控制性工程。

1 箱涵頂進施工方法簡介

目前既有鐵路下穿工程施工主要采用箱涵頂進法[1]。箱涵頂進施工是在基坑滑板上預制箱涵，后置千斤頂頂推箱涵前進，從而穿越既有線路。箱涵頂進施工示意如圖1。

圖1 箱涵頂進施工示意圖

2 主要風險源分析

受設計施工方案、水文地質以及人為因素等多種因素影響，既有鐵路下穿工程安全風險源多種多樣，主要風險源均與路基變形和箱橋排水有關系，可細分為以下4 種。

2.1 箱涵頂進

既有鐵路下穿工程施工過程中，頂推基坑開挖和箱涵頂進兩個階段都會對既有線路基造成擾動?；娱_挖會引起周圍土體水分喪失而固結，同時暴露土體失去基坑開挖側的土壓力，既有線路基土體將在主動土壓力作用下向開挖側產生移動，從而引起路基沉降與變形。箱涵頂進過程中，雖然一般均會對既有鐵路線路進行加固，例如進行路基注漿、支撐樁及鋼架進行路線架空等防護措施，但切削土體挖除勢必會擾動掌子面前端土體的壓力平衡，進而引起路基變形。

2.2 列車動載

在既有鐵路線下施工時，列車動荷載將直接擾動下方土體。列車通過時會使軌道產生振動，振動荷載會進一步傳導到路基上，引起路基土地振動，且振動荷載會隨著列車通過速度正比遞增，而且列車通行車次較多時，前后列車帶來的振動能量將進行疊加，進而引起更大的路基擾動。振動荷載會增大土體的孔隙水壓力，產生塑性變形，塑性變形的積累會引起地基土體沉降。上海一號線在土體主次固結沉降完成后的4 年內，在列車動荷載作用下，地基又產生了14cm沉降[2]。

2.3 施工降水

箱涵頂推下穿既有鐵路，首先要開挖基坑?；娱_挖時，為維持基坑周圍土體的穩定以及干作業要求，首先就要實施降水。由于需要下穿既有線路，通常要加大基坑開挖深度，進一步增加降水深度。降水施工會破壞原有地基的水土平衡，一方面降水時產生的曲線漏斗會導致孔隙水壓力減小，當水位降深較大時，土體中砂石顆粒的壓縮量會顯著增大，另一方面隨著降水時間的延長，黏性土固結也會持續增大。降水結束后，路基土體會產生回彈，從而對線路產生二次影響。同時，施工過程中會因降雨、施工用水等因素造成基坑積水，積水也會給工程帶來危害。

2.4 箱橋積水

路線交叉路段風險既存在于施工階段，也存在于運營階段，其中箱橋積水是最主要的運營安全風險源之一。例如，某公鐵交叉路段，公路變坡點間距長達4km，路面與地面的最大高差達7m，匯水面積達3 萬平方米，如突發暴雨將對交通安全造成重大威脅，即使少量積水，也會由于摩阻力的瞬間減小而導致高速行駛中的車輛失控，所以在運營期必須高度重視箱橋積水的排除。

3 路基變形控制和箱橋排水措施

基于以上風險源的存在，必須采取相應的防控措施加以控制，以保障工程施工的質量和安全。

3.1 基坑開挖控制

基坑開挖尺寸主要根據箱涵大小并考慮滑板尺寸和預留工作空間來確定，在可以確保安全的條件下，應制定合理的施工方案，盡可能減少土方挖填。當施工場地狹小時，可以施做鋼板樁圍護，必要時配合進行坑內支撐。后背墻施工應與基坑開挖同步進行，為減少挖填量和后方土體的密實性，可在基坑開挖前首先施工鋼板樁并兼做后背墻。

基坑開挖過程中，當開挖深度較淺時，路基沉降控制相對容易；當開挖深度較大后，對既有鐵路軌道的影響會呈波浪形起伏，此時，需安排人員全天候監測鐵路軌道的變形情況，沉降量偏大時應立即采取措施糾正，確保既有鐵路的安全運營。當開挖深度快達到設計深度時，要避免擾動坑底土壤，一般預留20～30cm 土留待施工滑板前人工挖除。

施工降排水是基坑開挖過程中的重要一環，需要考慮排水溝和集水井等排水設施的尺寸，既可以保證基坑開挖干作業的要求，也有利于箱涵頂進工作的安全?；娱_挖時，應提前擬定開挖順序和層次，以順利排水。

3.2 箱涵頂進控制

箱涵頂進過程中，當將主體結構頂推至橫梁下時，在頂板上安裝鋼墊板和滑輪并支撐住鋼橫梁底面，空隙打入木楔，間距4m 設置一排。當箱涵主體結構到達基坑圍護結構跟前時，先拆除圍護結構，再繼續頂進。為保證安全，應在兩排滑輪之間安放枕木，以分擔滑輪承受的部分荷載，提高安全系數。箱涵頂推操作流程如圖2。

圖2 箱涵頂進基本操作流程

箱涵頂進施工應布置觀察站，同步監測施工區域周邊的變形情況。具體布置方法如下：觀測站的位置應與施工區域保持安全距離，在箱涵頂板角部、后背墻及既有線路相應位置，設置標尺以便于觀測。千斤頂頂進應利用列車通過的時間間隙進行，整個過程要在指揮人員的統一指揮下進行。頂進挖土應堅持列車通過時不挖、千斤頂頂進時不挖、監測異常時不挖的“三不挖原則”。

3.3 列車通行速度控制

列車通行速度對下穿頂推工程的路基變形具有重大影響，速度越快，變性越大，因此需要和鐵路運營單位交涉對接列車通行速度。施工單位應提前向運營單位報送施工方案，重點是工程對列車運營速度的要求。此過程一般由鐵路管理單位進行審批，列車調度員根據審批文件向有關單位發送限速通行指令。

3.4 基坑降水控制

基坑開挖前一般先施做管井，提前將地下水降至安全水位，如基坑開挖深度較大且地下水水量較大，單獨利用管井降水效果不佳時，可考慮施工輕型井點配合管井一同降水。如圖3。

圖3 基坑降水示意圖

3.5 線路路基加固控制

3.5.1 鐵路線路加固

既有鐵路下穿工程一般采用鋼便梁搭配鋼筋混凝土樁柱組合架空既有線路。線路架空法一般采用鋼筋混凝土樁柱作為架空結構的基礎，然后將鋼便梁架設在樁基上以支撐既有線路。由于鋼筋混凝土樁基難以拆除，可考慮采用SMW 工法樁等易于回收處理的樁基代替。同時，應在既有鐵路軌道兩側用倒鏈將其固定，以防止頂推過程中的軌道偏移。

3.5.2 路基土體加固

為維持路基穩定性，保證箱涵順利通過既有線路，需要對路基周邊土體進行加固。路基加固一般采用注漿加固方式，注漿材料一般為砂漿，注漿壓力視具體地質情況設定，箱涵頂進前對路基進行一次注漿，箱橋就位后對其二次注漿。注漿過程應注意連續進行，且應隔孔注漿，加固區域要覆蓋整個下穿斷面且有富余。路基及邊坡加固還可結合拼接式螺旋鋼樁[3]和模袋混凝土等工藝進行綜合處理。

3.6 箱橋排水控制

交叉路段路面排水應摒棄之前“只排不蓄”的方式[4]，可考慮采用“集水井+滲井”組合方式排水。當積水量較小時，利用滲井自然排水，當積水量較大時，利用集水井內水泵進行排水。

3.6.1 集水井的應用

在交叉路段最低標高處施做雨水井，在交叉路段以外施做集水井，雨水井內水流通過波紋管匯集到集水井。集水井除了集水、蓄水之外，還可以作為蒸發池。集水井大小應結合當地最大單位面積降雨量、匯水面積和容量系數確定，原則是確保雨水能迅速排入集水井，集水井內水泵可以及時將過量雨水排入外部水系。為充分利用集水井的調蓄功能，集水井內可布置多級水泵。雨季來臨，集水井首先利用自身容量匯集雨水，當水位達到第一預警值時，對應第一級水泵啟動排水；當雨水量過大、一級水泵難以滿足排水需求時，設置第二級水位預警值，水位到達第二級預警值時啟動第二級水泵，一級水泵關閉；若仍然無法及時排水、水位升至第三級預警值時，可設置第一級和第二級水泵同時啟動。如圖4 所示。

圖4 交叉路段路面排水示意圖

3.6.2 滲井的應用

滲井可以通過施做穿過不透水土層的井管將集水井中剩余的少量積水引入地下較深的含水層。下部含水層要有一定厚度，可以容納足量水流，最為關鍵的是下部含水層的水頭高度要低于集水井內水頭高度。由于土體側向滲透性大于豎向滲透性[5]，所以滲井開挖時盡量增加直徑以增大側面積。滲井內應填充中粗砂，含泥量一般不超過5%，且粒徑不宜過大，避免水土流固耦合作用的阻塞。滲井主要用于降雨量較小時，排水量需求小，不需動用水泵即可自然滲水，維護簡單、成本較低。

4 結語

本文針對既有鐵路下穿工程箱涵頂進施工路基變形以及運營期箱橋路面積水兩方面風險，提出了較為具體的控制措施，對于建設期在基坑開挖、箱橋頂進、列車通行速度控制、基坑降水、線路加固和路基土體加固等方面制定了具體的施工控制措施，對于運營期交叉路段路面排水方案進行了研究，對工程實踐具有一定的借鑒意義。