明挖隧道下穿高速鐵路橋梁施工工法分析

藍盛鑫

（中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332005）

0 引言

隨著城市地鐵及城際鐵路的建設，明挖隧道施工不可避免地會下穿城市各個原有工程的建筑物或構筑物，加大了明挖施工的復雜度。為降低造價，基坑開挖一般采用明挖法施工，明挖法采用分段、分層、分塊進行施工，待土方開挖至設計標高后及時施工主體結構。一般的明挖隧道在設計時通常為“圍護結構+主體結構”的結構形式，當隧道兩側有重要構筑物或建筑物時，未對兩側建筑物進行主動保護。此施工方法受地質情況、周邊建筑構造物、基坑降水等情況影響，在實際施工過程極易導致周邊建筑構造物出現沉降變形、基坑坍塌、基坑涌水等較大安全隱患，特別是當明挖隧道需要下穿高速鐵路橋梁時，如果高速鐵路橋梁橋墩產生變形，會影響既有高速鐵路的安全運營[1]。本文對新白廣城際廣州北~天貴路站明挖區間隧道進行分析，總結明挖隧道下穿高速鐵路橋梁施工工法，為國內外類似環境下明挖隧道施工提供指導。

1 工程概況及施工情況

1.1 工程概況

新白廣城際廣州北~天貴路站明挖區間隧道在廣州市花都區平步大道北側下穿武廣客專花都特大橋，下穿段新白廣城際鐵路里程DK36+945～DK36+990（約45m），從武廣客運專線205#橋墩（武廣里程K2241+991.650）和206#橋墩（武廣里程K2242+024.37）間穿過，對應橋跨的武廣客專線路里程為K2241+991.650～K2242+024.370，相交角度為90°。基坑圍護結構外輪廓線距離205#橋墩承臺最小距離約4.88m，206#橋墩承臺最小距離約3.3m。武廣客專與城際隧道位置見圖1。

圖1 下穿武廣客專花都特大橋衛星平面圖

新白廣下穿武廣高鐵段2018年6月中旬開始施工，施工中采用了地層預注漿加固、隔離樁、隔斷墻、減小地下連續墻幅寬及增加多道內支撐等技術措施。該明挖隧道現場實施過程中，對基坑周邊地表沉降、基坑深層水平位移、水位、冠梁位移、地連墻內力、支撐內力、高速鐵路橋梁的橋墩進行監測，各監測項目在明挖隧道施工期間均未達到預警值（其中高鐵橋墩沉降累計值為-2.8mm，橋墩橫向水平位移累計值為-2.7mm，橋墩縱向水平位移累計值為-3.2mm，高鐵橋墩沉降差累計值為1.9mm），未發生監測預警情況。明挖隧道頂板于2019年1月17日完成澆筑，截止到1月25日，明挖隧道基坑和花都特大橋橋墩各監測項目均未達到預警值，實現了武廣客專160km/h的安全運營。

1.2 施工原理

采用水泥漿或水泥-水玻璃雙液漿對地層進行預加固，使地層預先固結，控制高速鐵路橋墩在明挖隧道施工時的變形。在高鐵橋墩與基坑之間設置一道隔離樁（見圖2），增加明挖隧道圍護結構與橋墩之間的屏障，降低既有高速鐵路橋梁變形過大的風險。增加隔斷墻，將下穿高速鐵路橋梁段落與其它明挖隧道段落分隔，將大基坑劃分為小基坑。減小地下連續墻幅寬，縮短單幅地下連續墻成槽時間，降低高鐵橋梁變形的可能。設置多道內支撐，有效加強明挖隧道圍護結構，控制基坑變形，維持地層穩定[2]。

圖2 施工流程圖

2 明挖隧道施工工法

2.1 施工準備

涉及到營業線的施工，其施工方案需得到鐵路集團的審批，且需獲得鐵路集團相關科室的簽字蓋章，方案審批完成后與鐵路集團簽訂安全協議，之后，按月向鐵路集團提報施工計劃，按照獲批的施工計劃進行施工，現場準備好所需水電，平整場地，熟悉圖紙及完成技術交底后施工。

2.2 平整場地，布置監測點，監測與施工同步

平整施工場地，設置圍擋，布置監測點。基坑監測按照設計圖紙及現場實際需要布置，監測項目包括但不限于樁（墻）頂水平位移、樁（墻）頂變形、樁（墻）頂沉降、地面沉降、地下水位、支撐軸力、周邊管線變形、周邊建筑物變形及沉降、樁（墻）內鋼筋應力。監測頻次按照設計圖紙及相關規范要求執行。高速鐵路橋墩墩柱沉降和水平位移測點布置在墩柱四角，地面及頂部共兩組，每個墩柱計8個水平和豎向位移監測點，在施工前埋設好監測點，對其進行多次連續測量取其平均值作為初始值。各項監測從地層加固開始進行至基坑回填，基坑回填后按1次/周連續監測至數據穩定，持續時間不少于6個月。監測基準點盡量遠離施工現場以避免受施工干擾，設站點應相互通視，具體監測點布置見圖3。

圖3 高速鐵路橋梁橋墩監測點布置剖面圖

在施工之前，對高速鐵路橋墩及軌道采用自動化設備進行監測。對污水、雨水、給水、燃氣等管線進行沉降及差異沉降監測，明挖隧道監測范圍取基坑結構邊緣兩側各3.0H范圍。

監測與施工同步進行，監測頻率及監測方法應用前遵循相關規范并應經審批。當監測數值出現突變或異常，加密監測頻率并通知各參建單位，當監測數值出現預警時，駐站聯絡員馬上向鐵路集團報告，客運專線降速或暫停行駛。同時，應組織參建各方及專家到現場查明原因，制定搶險措施，馬上進行搶險。待重新檢測合格后客運專線恢復正常行駛速度。

2.3 地層加固施工

對橋墩周邊及橋與基坑圍護結構間進行注漿加固，加固深度為地表至弱風化巖，加固平面寬度為高速鐵路橋梁上部結構邊線投影外側各10m，從明挖隧道圍護結構外側至橋墩外側5m，如橋墩兩側地層存在砂層，加固范圍應覆蓋砂層，砂層加固深度直至砂層底。

地層加固采用袖閥管注漿加固，材料采用水泥漿（地下水豐富情況時采用水泥-水玻璃雙液漿加固）。注漿孔間距為0.8m，按照梅花形布置，擴散半徑0.5m。注漿施工必須先進行工藝性實驗，確定注漿的壓力、注漿時間、注漿量，堅持先試后作的原則，以便調整注漿參數，注漿孔位布置見圖4。

圖4 注漿孔位布置平面示意圖

注漿施工后應采用取芯校驗，地層強度不小于0.5MPa。當注漿效果達不到要求時，應進行補注。

注漿壓力：0.2～1.0MPa，分3次，每次10～20min。根據監測結果和橋梁加固地層深度的實時調整，盡可能控制注漿壓力，低壓緩慢注漿。同類橋梁注漿加固前，應對橋墩影響區地層段進行注漿試驗，確定合適的注漿壓力，在安全的前提下不影響橋墩。

注漿順序：先兩側基礎，后中間，交替注漿；碼頭附近的灌漿施工應分段進行。

為保證橋梁的安全，注漿施工時應觀察周圍環境的變化。及時監測和測量高鐵碼頭。當橋墩變形時，應及時調整注漿壓力、注漿時間等注漿參數，必要時停止施工，采取可靠措施后繼續注漿。

2.4 隔離樁施工

隔離樁Ф-2m@1.35m設置在明挖隧道與高鐵橋墩之間。采用車載反循環鉆孔，保護黏土漿壁。孔檢合格后，盡快將鋼籠降下澆注。跳槽的構建采用“二跳一”的方法。為防止相鄰樁因沖擊振動倒塌或影響相鄰樁內澆注的混凝土凝固，只有在相鄰樁的混凝土強度達到設計強度的70%后，才能將中間樁插入孔內。隔離樁施工期間，應定期對高鐵碼頭及相關工程進行監測，及時掌握變形情況。隔離樁施工完成后，應檢測樁身的完整性和強度。

2.5 地連墻和隔墻的施工

高鐵橋段地下連續墻設置4m，明挖隧道高鐵橋段兩端設置橫向隔墻。隔墻也采用地下連續墻結構。連續壁由旋鉆、沖擊鉆和開槽機組成。明挖隧道基坑兩側應先施工連續地下墻，后施工隔墻。膨潤土泥墻保護、泥漿配比、鋼籠分段吊裝和混凝土澆筑等各工序緊密銜接，減少各地下連續墻的施工時間。連續墻施工完成后，用雙管旋噴樁加固接縫，形成止水幕。旋噴樁的長度和標高與連續墻一致。在高鐵碼頭建設過程中，及時監測高鐵碼頭及相關工程的情況。連續墻、隔墻施工后，應及時檢查，確保施工質量。地下連續墻及隔斷墻布置平面示意圖見圖5。

圖5 地下連續墻及隔斷墻布置平面示意圖

2.6 井點排水施工

為防止基坑開挖過程中因基坑內降水造成基坑外失水，導致地下水位下降及基坑外土體有效應力增大導致基坑外土體發生固結沉降，坑外碼頭周圍應設置水位觀察孔和補給井。在基坑開挖過程中，以管井排水為主，明渠排水為輔。

管井間距約為15m，降水量在開挖面以下1.0m。基坑開挖寬度小于25m，設置管井1個。管井為網狀過濾井，位于底板下方4.0m深。擋土墻旁設置300mm×400mm截水溝，每20m設置集水井。降水期間，應及時監測水位。如有異常或數值警告，應立即停止降水并補水。

2.7 基坑開挖及內部支護施工

開挖采用分段、分層進行，分段長度不超過3m。開挖支撐槽時，及時在槽底設置腰梁和下支撐。按第一次支護平衡對稱開挖后，工作面設兩個小開挖。

首先將基坑內的土開挖至距頂梁和支撐墊底部5cm，鑿出導墻（開挖深度>1.5m時，鑿出兩側導墻，開挖深度<1.5m，鑿出內導墻）、地下連續墻、樁頂浮漿至設計標高，再做冠梁和混凝土支護。下一層土方開挖應在最后一個支座強度達到80%以上后進行，開挖達到下支座標高后立即進行支護施工。共設置四個支架（三個混凝土支架和一個鋼支架）。土方開挖時，連續墻接縫處應焊接鋼板。

2.8 主體結構施工

基坑開挖至設計標高后，應迅速施工主體結構底板，盡量減少基礎土方暴露時間，盡快封閉基礎。待基礎板強度達到設計強度的80%后，拆除上支撐、施工主體結構側壁頂板[3]。

3 質量控制措施

3.1 灌漿加固質量控制

水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，硅酸鈉模量2.4～3.4，濃度30～40。注漿順序為10孔間隔注漿。根據工藝試驗的注漿參數，可在30min穩壓注漿后進行最終注漿。注漿后應驗證地層巖心，地層強度不小于0.5MPa。注漿效果不好的地方應增加注漿。

3.2 隔離樁質量控制

鉆孔樁的豎向施工誤差不大于3/1000，樁徑允許偏差為0～+50mm，樁位允許偏差不大于20mm。施工時，根據圍護結構的坐標圖，考慮圍護結構的豎向和水平施工誤差及最大允許水平位移，經質檢工程師驗收合格后方可施工。鉆孔樁施工完成后，保證結構凈空尺寸要求。隔離樁采用C35水下混凝土，樁高應高于設計樁頂高度500mm。樁身混凝土保護層厚度不小于60mm，樁冠梁相應混凝土保護層厚度不小于40mm。混凝土澆筑和鋼籠吊裝前，樁孔底部碴厚度不得>100mm。混凝土澆筑前，距孔底500mm以內的漿料比例應<1.25；含沙量不得>4%；黏度不得>17~22s。試塊應留在每個隔離樁的混凝土中。每個灌注等級至少保留一組標本，每組保留3個標本。

3.3 連續墻和隔墻的質量控制

連續墻開槽時，采用高黏度、低失水的優質泥漿，形成韌性強的薄壁泥皮，保證開槽機械反復運動時墻體的穩定性。另外，在開槽過程中要根據墻體的變化選擇外加劑，調整泥漿指數以適應其變化。施工中防止泥漿滲漏，及時補充泥漿，保持穩定開槽段所需的液位，保證泥漿位高于地下水位。施工過程中，應嚴格控制地面荷載，使墻體不會因施工附近荷載的影響而倒塌，以保證墻體的平整度；開槽、換泥、鋼籠吊裝、鋪管完成后，應在經檢驗合格后立即澆筑水下混凝土，盡可能縮短罐壁的暴露時間。鋼筋籠應穩固、準確、平整，以防止罐壁因鋼筋籠的上下運動而倒塌。槽縫處不允許有土壤。施工時，必須用接縫刷多次上下清理，直至接縫處沒有泥漿。應嚴格控制管子埋入混凝土的深度，不得拉管。混凝土澆筑時，混凝土表面標高應由專職人員測量。

在加工過程中應對鋼保持架進行矯直，若銹蝕嚴重，應予以清除。應在鋼筋平臺上加工鋼筋籠，鋼筋籠主筋需要搭接時，應在一側焊接，搭接長度應符合有關規范的要求。同一截面上焊接或搭接的鋼保持架的接頭面積不應大于50%，并應安排好間距。鋼筯籠偏差要求：主筋間距允許偏差+10mm，主筋豎向長度允許偏差+50mm，鋼筯籠直徑允許偏差+10mm；箍筋間距允許偏差為+50mm，鋼筋籠長度允許偏差為+100mm。

3.4 鋼筋混凝土支護和土方開挖的質量控制

在樁頂和墻冠梁施工之前，樁頂應切割至新拌混凝土面，外露鋼筋應平直，設計要求的外露長度應大于35d。冠梁澆筑前，必須清理殘渣、浮土和積水，排樁或地下連續墻必須與冠梁連接牢固，以免在連接處產生薄弱表面。

每層土方開挖前，必須將地下水位降至開挖標高以下1m方可開挖。為避免大規模土方開挖和卸荷對高速鐵路橋梁的影響，基坑開挖采用分段、分層進行。斷面長度不得超過3m，開挖按“開挖前支護、對稱開挖”的方法進行。工作面配備兩臺小型挖掘機和一臺長臂挖掘機。基坑開挖應先進行中部，再擴大到基坑開挖。應控制基坑開挖底座的標高。嚴禁超挖，機械開挖至井底以上30cm，嚴禁人工挖底和修補。為避免卸土帶來的“時空效益”，基礎暴露時間不得超過72h，開挖至基坑后及時施工主體結構底板。

3.5 主體結構施工質量控制

主體結構材料在使用前應按有關規定進行檢測，不合格的材料不得使用。主體結構的鋼筋連接采用機械連接或焊接，5d為雙面焊接，10d為單面焊接。同一截面的鋼筋接縫不得超過50%。混凝土攪拌前，應經常測定原料水分，嚴格控制混凝土配合比。澆筑過程中不得向混凝土中加水。夏季或冬季施工時應適當添加促凝劑或促進劑，以調整混凝土的初凝時間。底板施工應迅速進行，以減少底板的暴露時間。混凝土澆筑后應及時養護。當底板強度>80%時，應拆除上支撐，迅速施工側壁和頂板。主體結構應迅速封閉成環狀，避免因基坑暴露時間長而造成過度變形。

3.6 變形監測質量控制

變形監測方案實施前應經審批，測量方法應切實可行，測量精度應滿足要求。所用儀器及設備使用前應經鑒定有效，并在鑒定有效期內使用。測量過程應定人操作，定人復核。測量用的基準點遠離施工現場，測量點應牢固可靠，并設置一定的防護裝置，避免在施工過程中被破壞，定期檢查測量點的點位。施工過程中按照相應頻次實施監測并及時將監測成果反饋至各個參建單位。監測數值出現預警或有增大趨勢時，加密測量頻次并及時發出預警通告[4]。

4 結束語

通過新白廣城際下穿武廣客運花都特大橋工程的施工實踐，中鐵四局集團有限公司逐步掌握了明挖隧道下穿高速鐵路橋梁施工的方法，形成了比較完整的明挖隧道下穿高速鐵路橋梁施工工法，獲得了明挖隧道下穿高速鐵路橋梁工程安全施工的基礎理論及實踐經驗，可為國內外類似環境下明挖隧道施工提供指導。