既有鐵路頂進立交架空區地下巷道處理

田英杰

（中國鐵路武漢局集團有限公司武漢工程建設指揮部，湖北武漢 430023）

0 引言

2019年3月28日，施工單位按照編制審批的施工方案和當日施工計劃，進行既有鐵路頂進立交支點樁作業，當支點樁P4E開挖至設計標高26.08 m，發現樁底不斷有地下水涌出，抽水后繼續向下探挖1 m，P4E樁底出現深約3 m、走向不明的巷道，且P4D、P4E兩樁底部互通，遂暫停施工。據作業人員匯報，P3E、P5D樁開挖時，發現老舊木質結構；P5C樁開挖時，樁壁出現老舊磚墻。中國鐵路武漢局集團有限公司工程建設指揮部（簡稱指揮部）走訪附近居民，了解到該區域為年代久遠采礦區，根據現場施工情況初步判斷，線路下方可能存在多條、多層采礦巷道及豎井，樁底地質情況與設計不符。為確保施工和行車安全，指揮部多次組織設計、監理、施工單位和業內專家研討論證，進行地質補充勘察，確定了可行的變更設計及施工方案。

1 概況

1.1 設計方案

棋盤洲長江公路大橋連接線陽新至大冶段下穿武九鐵路立交工程，在武九鐵路黃石至大箕鋪K122+814.6相交，與鐵路交角59°，鐵路曲線半徑2 800 m，曲線超高115 mm，線間距4.6 m，為雙線電氣化無縫線路，設計時速200 km。線路與框架平面示意見圖1。

設計主體采用2-14.0 m整體式箱形框架橋，箱橋內道路為雙向四車道，箱橋主體為斜交斜做。箱橋頂板至鐵路軌底不小于1.2 m。單孔結構凈寬14.0 m、凈高8.3 m、凈空6.9 m，箱橋頂板厚1.10 m、底板厚1.15 m、邊墻厚1.20 m，沿鐵路線方向全寬34.64 m，沿公路線方向全長21.00 m。框架采用C35混凝土，預制頂進法施工［1-3］。框架立面示意見圖2。

圖1 線路與框架平面圖

圖2 框架立面示意圖

1.2 地質水文

橋址區屬構造剝蝕低山地形，經長期剝蝕切割，外貌呈起伏地形。山勢平緩，自然坡度10°～15°，切割深度約40 m，相對高差較小。植被較發育，灌木為主。

橋址區位于太子廟臺褶束，未見明顯斷裂痕跡，地質構造相對簡單。出露地層主要為燕山期中酸性侵入巖陽新雜巖體（Qδ52-1）地層及局部第四系沖積物（Q4ai），按地層的地質年代、形成機制及其物理力學性質，自地表往下各地層主要特征分述如下：①-1填土：褐灰色，松散，含少量碎石；①-2粉質黏土：褐灰-褐紅色，可塑狀，稍濕，含少量鐵錳氧化物，局部夾強風化花崗巖塊；②-1全風化角閃石英閃長巖：褐灰-青灰色，巖芯呈碎塊狀，手捏呈砂狀，采取率70%；②-2強風化角閃石英閃長巖：青灰色，巖芯呈碎塊狀，采取率50%；②-3中風化角閃石英閃長巖：青灰色，巖芯呈碎塊狀及柱狀，半自形粒狀結構，塊狀構造，節理裂隙發育，主要礦物成分分為斜長石、鉀長石、石英、角閃石，采取率50%。地下水：主要為基巖裂隙水及第四系上層滯水。

1.3 原施工方案

框架橋施工采用在公路大冶側開挖預制基坑，施工頂進后背墻和預制箱橋。采用5孔16 m 100型工字鋼架空線路，最大跨度10 m，頂進箱橋下橫穿3組3片1束的60型工字鋼作為橫抬梁，箱頂設置槽鋼滑道。兩線間共用1片縱梁，4.94 m鋼枕，支點為人工圓形挖孔樁φ1.5 m和φ1.8 m，深度16 m。箱橋頂進采用支點轉換，邊頂進邊拆除P3、P4、P5排支點樁，箱橋就位，最后拆除P3E、P4E、P5E 3個阻力樁［4-5］。原架空立面和平面示意見圖3、圖4。

圖3 原架空立面示意圖

圖4 原架空平面示意圖

1.4 施工情況

發現P4D、P4E樁底孔洞時，框架主體已預制完成。線路外側P3E、P3D、P4E、P4D、P5E、P5D等6根樁已按設計標高開挖成型，未澆筑混凝土，其他樁及頂帽均已完成澆筑。

2 補充地質勘探

為查明橋址采空區工程地質與水文地質條件，2019年4月19日—5月8日，湖北省交通規劃設計院股份有限公司（簡稱湖北省交規院）地勘部門采用鉆探、物探等方法，沿既有鐵路兩側布設鉆探孔10個、物探CT測線17對，對鐵路架空區域進行勘察，初步推斷P1—P3樁底無孔洞，P4—P7樁底情況不明。

5月29日，由湖北省交通投資集團有限公司組織召開工程勘察方案咨詢專家會，確定按實際需要增加斜孔補充鉆探，利用已施工完成的16 m支點樁作為臨時支點，由施工單位配合，在線路下方開槽4 m凈高提供鉆探空間。湖北省交規院采用100型鉆機，并定制改裝鉆機塔架、主動鉆桿及鉆桿，滿足線下最小操作空間要求，以1樁1孔對樁底情況進行鉆探，地質勘察結果顯示：P3E、P3D、P5E、P5D、P3A、P3B、P3C、P2C樁底均無空洞；P4E、P4D已知空洞下方無第2層空洞；P5E、P5D有巷道坍塌形成的填充物。

7月9日，在對勘察結果顯示無空洞的P3E樁灌注時，水泥漿從P3E樁底流入P4E樁洞內，經綜合分析，P3E樁底有未探明空洞，采空巷道不規則，建議對P5B、P5C補強。

8月2—8日，對擬采用的補強樁基P8A、P8D、P8E、P9A、P9D、P9E等6根樁進行鉆探，探明支點樁樁底至基巖面以下5倍樁徑深度地質情況，鉆探深度最大34 m，樁底未發現巷道、孔洞。

綜合3個批次地質勘察情況判斷，采空巷道大致由P3E沿線路東側至P5C，穿過鐵路分2支至P6A，深度位于樁頂下6.40～26.85 m，呈不規則布置，需對支點樁和架空體系進行補強設計。采空巷道地質勘察示意見圖5。

3 地下巷道處理

3.1 方案研究

方案Ⅰ：對地下巷道進行人工探查和封堵：（1）對P4E、P4D樁孔和西南側巷道入口進行抽水；（2）利用P4E、P4D樁孔和附近巷道進口，進行人工探查；（3）對鐵路架空下方的巷道進行人工封堵；（4）用低標號或輕質混凝土對巷道進行填充。方案Ⅰ預估時間1～2個月，費用約100萬元。

優點：對地下采空區的探查和處理最徹底；能完全保證鐵路架空體系安全和高速公路下穿鐵路立交橋運營安全；所用時間和費用較少［6-7］。

缺點：因地下巷道年代久遠，前期鉆探顯示巷道局部有填充，懷疑巷道內有穿孔或坍塌現象，不能完全保證施工人員的人身安全。

圖5 采空巷道地質勘察示意圖

方案Ⅱ：廢棄目前支點樁，重做支點樁。在架空范圍P1—P7排，增加6排共26根支點樁，支點樁采用φ1.5 m直徑鉆孔樁，位于已灌注支點樁的中間，架空跨度不變。設計樁長不小于16 m，根據地勘資料，樁底穿過巷道底部不小于1.5 m。鉆孔樁采用特殊的改裝鉆機，利用原設計挖孔樁作為臨時支點，開槽5 m進行施工，根據現場開槽情況和位移監測數據，開槽方案安全可行。新架空體系完成后，對既有巷道采用鉆孔注漿方式填充，保證箱橋基礎安全。方案Ⅱ架空立面示意見圖6（a）。

優點：不需對地下采空區探明和預處理，能完全保證鐵路架空體系安全；鉆孔樁施工不受16 m樁長限制；穿過地下巷道易于處理，安全風險較低。

缺點：需重做鉆孔樁，費時較長，費用較高；根據地質資料顯示，鐵路下方除表層為4～6 m厚的路基填土，其余均為全風化和強風化角閃石英閃長巖，不太適合改裝鉆機的施工。

圖6 架空立面示意圖

方案Ⅲ：加樁，同時減小架空跨度。在箱橋頂進范圍P2—P6排，增加4排共20根支點樁，支點樁采用φ1.5 m直徑挖孔樁，位于已灌注支點樁的中間，與原有支點樁共同受力，將原跨度10 m的架空體系改為5 m，可減少近一半的樁頂荷載。樁長根據地勘資料中巷道情況確定，支點樁可采取多種措施穿過采空區，樁的承載能力能夠保證。建議施工前在樁位中心處進行鉆探，將鉆探結果提供給施工單位參考。新架空體系完成后，對既有巷道采用鉆孔注漿方式填充，保證箱橋基礎安全。方案Ⅲ架空立面示意見圖6（b）。

優點：不需對地下采空區進行鉆探和預處理，能完全保證鐵路架空體系安全。

缺點：需重做挖孔樁，費時較長，費用較高；在挖孔樁施工遇巷道時，安全風險較高。

方案Ⅳ：鐵路臨時改線。將本段鐵路線路臨時改線，改線線路最大半徑為300 m，箱橋處與原線路線間距為15 m。既有線路中斷，大開挖處理地基，然后現澆箱橋，再將線路改回。線路改線方案平面示意見圖7。

優點：規避了架空風險，對地下采空區的處理最徹底、最安全，能完全保證鐵路和公路下穿立交橋的運營安全。

缺點：費時最長、費用最高，存在大量征地拆遷。

3.2 方案比選

圖7 線路改線方案平面示意圖

本次立交頂進涵施工方案研究論證，重點研究在減小對運輸干擾的前提下，確保施工、行車和后期運營安全［8-9］。因此，首要考慮的是架空體系的安全穩定性以及框架頂進到位后的運營安全，其次是經濟效益比選，并且要加快既有線施工進度，降低風險，保證工期。結合上述幾種方案，同時考慮施工工藝、施工環境、工程地質、施工機械等，綜合考慮進行比選后選定方案Ⅴ（見表1）。

3.3 方案Ⅴ

為確保框架橋頂進施工順利及武九線運營安全，建設單位組織勘察、設計、施工、監理等單位專家對棋盤洲下穿武九鐵路立交線路下方采礦巷道處理方案進行論證，充分聽取鐵路局集團公司有關部門和設備管理單位的意見，確定在方案Ⅱ、Ⅲ基礎上結合施工單位編制的方案進行優化，對原有架空體系予以補強。在P5軸兩側5 m處新增2排3根鉆孔樁作為架空支點樁，設計樁長需穿過采空區深入巖層。支點樁布置在線路外側，穿設大橫抬梁，減少對線路的干擾［10］。目前，架空區存在不利地質條件，根據已鉆探35個鉆孔的情況，合理選擇孔洞注漿，填充空洞。

表1 施工方案經濟技術比選結果

3.3.1 巷道預注漿處理

地勘資料顯示：P5C-1鉆孔處在高程21.9～19.9 m有雜物和填充物，P5C-2鉆孔處在高程21.18～19.28 m有空洞，P3E-2鉆孔處在高程31.76～30.16 m有填充物，對此區域采用低壓注漿處理。

注漿孔口壓力控制在0.2～0.6 MPa，具體壓力值和漿液配合比由現場試驗確定。單孔注漿量按50 m3控制，超過50 m3仍未見壓力超標或返漿，應停止注漿，通知地勘單位和設計單位處理。

3.3.2 采用大橫梁對架空體系進行補強

（1）對原設計未設置橫抬梁的架空P2、P6排支點樁，每處增加4根30型工字鋼橫抬梁以增加橫向聯系，改善架空支點樁的受力。

（2）在P4—P5排樁、P5—P6排樁各增加3根φ1.8 m鉆孔樁支點樁，增加P8、P9大橫抬梁，每處大橫抬梁各采用4根16 m的I100型工字鋼組裝而成，工字鋼之間采用螺栓連接，中間用硬木填塞，對架空支點樁樁底發現有采空區的架空體系進行補強（見圖8）。根據地勘資料，新增P8、P9支點樁樁長見表2。

（3）樁基施工宜在巷道預注漿完成后實施，在線路外側開挖施工平臺，平臺高程距離鐵路軌底不大于5.2 m。施工單位應嚴格控制樁基施工設備與鐵路限界、鐵路接觸網設備的安全距離。

表2 新增P8、P9支點樁樁長 m

（4）根據地質探明情況，鉆孔樁采用沖擊鉆施工。

（5）樁基施工前，在樁位處進行地質超前鉆，施工單位根據地質超前鉆結果，調整樁基施工組織方案。為防止樁基漏漿塌孔，在超前鉆或鄰近鉆孔顯示有地下空洞或巷道的區域，采取鋼護筒跟進的方式施工，同時預備拋填片石等。如發現實際情況與補充地勘資料不符，立即通知勘察設計單位處理。

（6）在P4D、P4E樁底巷道打設φ1.45 m、長3.5 m鋼護筒，鋼護筒穿過巷道3.0 m，進行P4D、P4E樁的澆筑。

圖8 架空補強方案示意圖

4 既有線施工安全措施

4.1 開展第三方架空體系監測

指揮部委托有資質的第三方監測單位對完成施工的支點樁、架空梁進行24 h動態控制。在立交架空體系27個支墩 （A1—A7、B1—B7、C1—C7、D1—D3、E1—E3）設置27個監測點，架空軌道縱梁每片設置4個（共12個）監測點，進行沉降和位移監測，監測采用全自動無人值守在線監測法。在基坑開挖、地質鉆探、樁基施工、線路架空、頂進施工、拆除架空等施工期間，通過對監測數據的整理和分析，掌握施工過程中周邊土體穩定性的變化規律，掌握地層和結構體系的狀態及施工對既有鐵路的影響，及時調整或確定相應的施工參數和施工措施，優化施工組織設計，指導現場施工，保證架空體系及線路狀態絕對穩定。

4.2 加強線路巡視檢查

為確保施工和營業線行車安全，在發現框架立交架空區域線路下方存在地下巷道時，立即暫停施工，由施工單位對線路設備進行24 h巡視檢查，實行趟檢制，并加強對既有路基的觀察，防止路基下沉影響行車安全。

4.3 加強施工機械設備管理

每日作業前、作業中和作業后，需對投入使用的機具做全面檢查。作業機具不得侵入鐵路限界，卷揚機高度不得超出軌面15 cm。升降設備應裝有必要的安全裝置，如剎車、吊鉤防脫器、斷繩保險器及限位裝置等。

4.4 開展架空體系人工測量復核

架空支點樁每12 h、架空梁限界每6 h，均需由專人檢查1次。在施工地段線路兩端各50 m內，每通過1趟列車或每2 h，需檢查線路軌距、水平、高低、方向，發現問題及時整治。

4.5 嚴防觸電傷害

所有施工機具、人員在非停電點內施工時，需與接觸網帶電設備保證2 m以上的安全距離。

5 結束語

既有線框架立交橋頂進施工時遇地下巷道，存在重大施工和運營安全風險，如不及時處理或處理不到位，將給后期鐵路和公路運營帶來安全隱患。通過本工程地下巷道和架空施工處理方案的研究，經過方案比選和充分論證，架空體系補強方案可行，在減小對運輸干擾的前提下，施工安全風險較低、費用低、工期可控，能夠確保施工和行車安全，為類似施工提供了可行的參考依據。