既有鐵路下方涵洞內新建箱涵施工方案

曹鵬飛，胡俊浩，李 建，石鈺鋒

（1.南昌軌道交通集團，南昌 330038；2.華東交通大學 土木建筑學院，南昌 330013）

由于鐵路線路運行速度快，列車的運行對鐵路線路橫向、豎向變形要求非常高。在既有鐵路附近施工對地層的擾動會影響到鐵路正常運營，而列車運行產生的附加荷載也會對施工造成一定影響［1-4］。在既有鐵路臨近施工必須慎重選擇合理方案，為此，針對某既有鐵路下方涵洞內新建箱涵工程的設計施工方案開展研究，以期為今后類似的工程提供借鑒。

1 工程概況

某市政道路涵洞與既有鐵路線路正交，現擬在涵洞內新建雨水箱涵，需對既有涵洞下方路基進行開挖后進行雨水箱涵建設，完成后回填恢復原市政道路。

既有涵洞結構由兩個兩孔鋼筋混凝土箱涵組合而成，新建箱涵處于車行道下方，其頂板緊貼道路頂面，考慮到箱涵頂板荷載較大，箱涵為雙孔矩形暗渠形式，采用混凝土現澆施工。既有鐵路為單線有砟軌道結構，鐵路路基斷面為梯形，路基斷面上邊寬10 m，下邊寬19 m，路基高度為3 m。新建箱涵施工位置及尺寸參數斷面圖如圖1、圖2 所示。

圖2 既有涵洞施工開挖區域與鐵路線路縱斷面圖

雨水箱涵建設不可避免地對既有涵洞及上方鐵路造成影響，為此需要開展方案研究。

2 設計方案比選

2.1 方案初步擬定

針對本工程的具體情況，施工方初步提出了以下兩個方案。

方案1：挖除新建雨水箱涵區域的土體，直接澆筑雨水箱涵結構。施工作業區域如圖3 所示。

圖3 施工作業區域

方案2：在雨水箱涵兩端外露側預先建立樁徑為1.2 m，嵌入深度為3 m 的樁基，再澆筑雨水箱涵結構。樁基與新建雨水箱涵的位置關系如圖4所示。

圖4 樁基與新建雨水箱涵位置關系

既有涵洞上方為運營鐵路線路，新建箱涵的施工在既有涵洞內部進行，由列車荷載帶來的影響必須納入考慮。為此，通過數值模擬手段，分別分析在有、無列車荷載的作用下，兩種施工方案對上方鐵路的影響，以此來選擇合理的施工方案。列車荷載按照規定采用《鐵路路基設計規范》（TB 10001—2016），將列車和軌道荷載全部作為靜荷載計算，換算成具有一定高度和分布寬度的土柱，計算時將路基面上的軌道靜載和列車豎向荷載一起換算成與路基土體容重相同的矩形土體，選取的換算土柱寬度為3.2 m，高度為3.4 m［6］。

2.2 計算比選

2.2.1 模型建立及參數選取

采用大型數值計算軟件FLAC3D建立三維數值模型，根據實際工程情況，模擬采用以下假設：①既有涵洞下部土體均為水平層狀均質土體；②不考慮地下水位；③初始地應力計算僅考慮自重應力，不考慮構造應力；④假定既有鐵路的路基與軌道結構變形一致［5］。

為更加真實地模擬現場的實際情況及消除邊界影響，模型長度定為100 m，寬度為30 m，高度為30 m。土體和鐵路路基采用摩爾-庫侖本構模型，既有涵洞、新建雨水箱涵、路面均采用線彈性本構模型，所有單元均為實體單元。計算模型如圖5 所示。材料物理力學參數見表1。

圖5 計算模型

表1 材料物理力學參數

2.2.2 計算結果

考慮到本工程在既有鐵路下方進行施工，施工過程中鐵路路基的豎向變形值是工程重點關注的指標。分別在基坑開挖完成后及雨水箱涵建立后對鐵路路基路肩處的變形數據進行提取。

1）鐵路路基變形（無列車荷載作用）。不施加列車荷載時，施工對鐵路路基的影響如圖6 所示。由圖6 可知，兩種方案下，施工對鐵路路基的影響都主要表現為路基土的隆起，且隆起主要集中在基坑開挖的過程中，最大隆起為3.1 mm。澆筑混凝土箱涵和回填土體時，鐵路路基的隆起有所減小，最終隆起不到1 mm。可見新建雨水箱涵的施工對上方鐵路影響不大。

圖6 方案1 與方案2 鐵路路基變形對比（無列車荷載作用）

對此，本文認為是因為施工是在既有涵洞內進行的，既有涵洞作為鋼筋混凝土結構，起到了預支護的效果，與直接在地層進行開挖卸荷不同，在涵洞內施工對上方鐵路的影響十分有限。

2）鐵路路基變形（有列車荷載作用）。在有列車經過時，必須考慮在列車荷載作用下施工對鐵路運營的影響。通過換算土柱法施加均布荷載在鐵路路基上，施工對鐵路路基的影響如圖7 所示。

由圖7 可知，考慮列車荷載時，鐵路路基的變形主要表現為沉降形式，既有涵洞上方的鐵路路基沉降相對較少，這是由于既有涵洞對其上方土體起到了支護作用。而位于既有涵洞兩側的土體由于沒有這樣的支護，沉降曲線斜率突然變大，沉降值增幅明顯，最大沉降為1.9 mm。

圖7 方案1 與方案2 鐵路路基變形對比（有列車荷載作用）

通過對比發現，無論是采取方案1 還是方案2 的方法對雨水箱涵進行施工，鐵路路基的變形曲線基本是重合的，這說明有沒有采用樁基對新建雨水箱涵進行支承對上方鐵路影響的差別不大。考慮到方案1 更加經濟且能縮短工期，這里初步選擇方案1 作為施工方案。下面分析用方案1 的方法進行施工是否會對既有涵洞結構造成較大破壞。

3）既有涵洞受力情況（方案1）。提取在有列車經過時既有涵洞的最大主應力，最大主應力云圖如圖8 所示。

圖8 既有涵洞最大主應力云圖

由圖8 可知，既有涵洞的最大主應力基本都為壓應力，只在局部有拉應力出現，壓應力最大值約為5 MPa，小于C30 混凝土的抗壓強度設計值20.1 MPa，拉應力最大值約為0.93 MPa，小于C30混凝土的抗拉強度設計值2.01 MPa，滿足強度要求。在既有涵洞的邊角處，應力突然增大，有應力集中現象出現，在具體施工中，應當加強對既有涵洞結構的監測，確保施工順利進行。

3 實施效果

3.1 現場監測結果

結合數值分析結果和工程的實際情況，本工程最終選擇無樁基支護的方案進行施工。

根據設計文件和現場情況，鐵路路基監測點布置在路肩處，每5 m 布置一個，共布設測點18 個，測點布置圖如圖9 所示。測點布置線與數值模擬中的監測線位置一致，將最終監測結果和方案1 的數值模擬結果進行對比分析，兩者的變形曲線如圖10所示。

圖9 監測測點布置

圖10 實測與模擬路基沉降曲線對比

由圖10 可以看出，鐵路路基數值模擬整體變形趨勢和實際監測的變形規律是一致的，監測值與考慮列車荷載作用的模擬值吻合較好，說明在鐵路下方施工必須要考慮列車荷載，這也驗證了模型的合理性。監測值整體差異沉降更小，這是由于實際工程中對鐵路采取了相應的保護措施。實際監測的變形在1 mm 左右，整體差異沉降非常小。

3.2 現場施工

工程自2019 年4 月開始施工到2019 年9 月施工完成，施工中對涵洞上方的鐵路線路采取了扣軌加固措施，保證線路平順性。由于既有涵洞地勢較低，常年內澇，對于突降大雨的情況，施工中要特別注意及時對基坑進行降水，現場施工情況如圖11 所示。

圖11 開挖降水現場施工情況

現場施工采用無樁基支護的施工方法再輔以相應質量控制手段，整個施工過程上方鐵路路基變形控制在1 mm 左右，既有涵洞結構在施工過程中也沒有明顯裂縫產生。

4 結語

綜合以上分析，有、無樁基支護的施工方案均可滿足涵洞內施工安全與沉降控制的要求，選擇無樁基支護的方案能減少工程費用、縮短工期，再輔以適當的安全措施對既有鐵路進行預加固，能更好地減少對既有涵洞與上方鐵路線路的影響。