顶进框架桥下穿京沪铁路与京沪高速铁路预留立交桥对接的设计探索和实践

梁红燕

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

京沪高速铁路从河北省廊坊市的西北侧横穿市区到达东南侧,将整个市区一分为二,在建京沪高速铁路下已预留了立交桥,但既有京沪铁路位于京沪高速铁路的左侧,与在建京沪高速铁路平行走向,在既有京沪铁路下对接顶进下穿框架桥,贯通整个廊坊市的交通成为关键。目前京沪高速铁路正在建设中,桥位处高速铁路的轨道板已经铺设就位,顶进框架桥的施工必将对已建成的京沪高速铁路有影响。经过数次专家会议的讨论和论证,最后达成一致意见：要求顶进框架桥施工引起的线路变形控制在1 mm以内,该部分变形可通过后期的联试进行调整。为了在京沪高速铁路正式联试前将下穿京沪铁路框架桥尽快顶进到位,同时还要将施工中对京沪高速铁路的影响减少在可控制的范围内,都成为本批工程的设计难点。下面就河北省廊坊市规划龙河园区路与京沪铁路立交桥工程,对该批工程的设计探索和实践进行简单的阐述,以供借鉴。

1 工程概况

1.1 既有铁路情况

桥址位于京沪铁路廊坊站至落垡站之间的区间线路上。桥址处既有京沪铁路3股道,分别为京沪铁路上行线、下行线、第3线,3股道之间的线间距为：4.1、5.3 m,3股道均为曲线,曲线半径R=3 500 m,60 kg/m钢轨,无缝线路,钢筋混凝土枕,线路纵向坡度均为下坡,路基填方高度1～2 m。桥址处京沪铁路均为电气化铁路,框架桥影响范围内有101号—102号、099号—100号2组接触网硬横梁,铁路路基两侧坡脚处均敷设有铁路电缆,桥址北侧有104国道。

1.2 在建京沪高速铁路情况

在建京沪高速铁路位于京沪铁路右侧,与京沪铁路平行走向,桥址处京沪高速铁路为2股道,分别为左线和右线,线间距为5.0 m,京沪高速铁路与京沪铁路之间线距离为18.66 m。京沪高速铁路路基坡脚设有排水沟,左侧排水沟(京沪铁路与京沪高速铁路间)为矩形,深0.8 m、宽0.4 m；右侧排水沟为梯形,顶宽1.8 m、底宽0.6 m、深0.6 m。桥址处京沪高速铁路预留8 m-16 m-8 m框架桥已建成,并已填埋。框架桥结构总高度10.55 m,结构净高7.85 m,顶板厚1.3 m,底板厚1.4 m,边墙、中墙均厚为1.2 m,中孔顶板加腋采用0.8 m×2.4 m,边孔顶板加腋采用0.8 m×1.6 m,底板加腋均采用0.3 m×0.3 m,主体全长为19.602 m。

1.3 铁路规划情况

根据铁道第三勘察设计院集团有限公司《关于廊坊市主城区道路与既有京沪铁路交叉情况的说明(初步意见)》：京沪铁路北京与天津间规划为4线,第4线规划位于既有第3线的东侧,线间距为7 m,与既有铁路平行等高布置,立交桥设计应预留出规划线路的条件；规划有廊坊至首都第二机场铁路客运专线,为双线,线间距为5 m,规划位于在建京沪高速铁路的西侧,两线间的距离为9.5 m,为平行等高布置,立交桥设计应预留出规划线路的条件。

1.4 地质情况

本场地岩土层共分为6个主层,其地层岩性特征由上至下依次为第①层杂填土,层厚0.6～1.1 m；第②层粉土,层厚1.1～2.4 m；第③层黏土,层厚4.0～5.6 m；第④层粉质黏土,层厚1.8～2.4 m；第⑤层粉土,层厚3.1～4.1 m；第⑥层粉质黏土,层厚大于10.0 m。本场地地下水属第四系孔隙潜水,勘察期间(2010年9月28日)场地内地下水位高程7.00～8.04 m,埋藏深度1.9～3.8 m,主要接受大气降水的补给,地下水变化幅度受大气降水、地面蒸发及地表径流的影响较大。该场地地下水对混凝土具氯盐侵蚀性,环境作用等级L1；具硫酸盐侵蚀性,环境作用等级H1。物理力学性质指标及岩土参数如表1所示。

表1 物理力学性质指标及岩土参数

2 顶进框架桥设计

顶进框架桥结构采用3孔连体式框架结构[1],净跨为(8-16-8)m,框架桥中心线与京沪铁路中心线夹角为88.35°,与京沪高速铁路中心线夹角为89.25°。为了更好地与已建立交桥对接,加大了顶进框架桥的结构尺寸,并将顶进框架桥按边线与中线夹角89.25°设计。框架桥顶板顶面距最低钢轨底面(京沪铁路第3线)的距离为0.8 m,距最高钢轨底面(京沪铁路下行线)的距离为1.31 m。框架桥结构总高度8.0 m,结构净高5.7 m,顶板厚1.1 m,底板厚1.2 m,边墙、中墙均厚1.2 m,边孔顶板加腋采用0.4 m×1.2 m,中孔顶板加腋采用0.5 m×1.5 m,底板加腋均采用0.2 m×0.2 m,主体全长[2]为28.1 m(以上尺寸均为框架桥正向尺寸)。框架桥横向正截面见图1。

图1 框架桥横向正截面(单位：cm)

框架桥的结构底板底高程2.54 m,基底压应力为100 kPa。结构基底位于第③层黏土上,地基基本承载力为120 kPa,满足基底压应力的要求[3]。

3 框架桥施工过程中对京沪高速铁路影响的理论分析及采取的措施

3.1 框架桥工作坑施工和框架桥顶进施工对京沪高速铁路影响的理论分析

框架桥施工过程中对京沪高速铁路路基的影响主要在于施工降水对既有建筑物及地面造成沉降。从土的物理性质来看,地层中的土主要是由土颗粒、水和空气3部分组成[4],当施工过程将地层中的水抽出,土中的含水量减少,使浮力减少,等于增加了附加应力,使土体固结压缩,就产生沉降。从桥位处的土层分布情况来看,大多以粉土和粉质黏土为主,这2种土质的渗透系数很小,也就是土层中的水渗流很慢,也就造成了廊坊市地下水位较高的现状。

在整个工程施工过程中放在首位的就是要控制施工降水时京沪高速铁路路基附近水位不变化,这样施工降水对京沪高速铁路的影响就减少到最小,乃至没有。降水是用φ30 cm的铸铁管作为井管,井管内装扬水管和空气管,用空气压缩机压入空气,经气水混合形成大小不等的水泡,沿扬水管上升排走。

图2即为无压非完整井的井点降水[5]。从图中可以看出,井点降水在框架桥两侧形成一个漏斗形状的水位线,弧形的水位线在降水井管两侧慢慢上升至原地下水位,从基坑中心算起的影响半径R0=R+X0。

图2 非完整井井点降水

3.1.1框架桥预制工作坑开挖降水对京沪高速铁路的影响

工作坑开始前,需保证基坑内水位降至工作坑滑板以下1.5 m处。采用管井降水时,水位是以管井底为中心形成漏斗曲线并外推,从基坑中心算起的影响半径为R0。位于影响半径R0范围内的土体中的水位是下降的,水位的下降引起既有建筑物及地面的沉降。

3.1.2框架桥顶进施工过程对京沪高速铁路的影响

当框架桥在顶进过程中,要对铁路路基进行降水作业,由于铁路线路的存在,不能形成一个封闭的降水区域,降水水位是以管井底为中心形成漏斗曲线并外推,从基坑中心算起的影响半径的R0。位于影响半径R0范围内的土体中的水位是下降的,水位的下降引起既有建筑物及地面的沉降。只能采取在京沪高速铁路与京沪铁路间设置高压旋喷桩止水帷幕,止水帷幕沿铁路方向的长度要长于降水影响半径之外10 m左右,使京沪高速铁路路基位于降水影响区域以外,以保证框架桥顶进施工过程中京沪高速铁路路基附近水位无变化。

3.2 减少框架桥施工过程对京沪高速铁路影响所采取的措施

3.2.1京沪高速铁路与既有京沪铁路间止水帷幕的设计

京沪高速铁路与既有京沪铁路间止水帷幕,也被称为生命线。整个工程施工的第一步就是先施工京沪高速铁路与京沪铁路之间的止水帷幕,使京沪高速铁路路基位于降水影响区域以外,以保证框架桥顶进施工过程中京沪高速铁路路基附近水位无变化。止水帷幕深度长于降水井管并到达该土层中渗透系数很小的粉质黏土层,止水帷幕沿铁路方向的长度是根据井点降水的理论计算得出影响半径R0并考虑10 m长安全储备。为了达到更好的止水效果,设计上采取了加大旋喷桩的咬合间距、加长旋喷桩的桩长,并采用多排旋喷桩咬合布置的措施。为了保证施工后的成孔直径,采用高压旋喷桩[6]。此止水帷幕采用3排φ60 cm高压旋喷桩,间距30 cm,桩长17 m,沿铁路方向总长度为154 m。

当框架桥在顶进施工时,京沪高速铁路与京沪铁路间的止水帷幕用以保证京沪高速铁路路基位于降水影响区域以外。同时在京沪高速铁路侧布置观察井和回灌井,当京沪高速铁路附近水位出现变化时可及时回灌,保持京沪高速铁路附近的原有地下水位不变,使土压力仍处于平衡状态,从而有效地减少降水的影响。

3.2.2 回灌井和观察井设计

为了保证京沪高速铁路路基下的地下水位稳定,在京沪高速铁路路基两侧沿铁路方向布置的止水帷幕内侧布置了回灌井[7]和观察井,并采用自动回灌系统,一旦水位下降临近预警值,即自动开启回灌井。回灌井注水方法采用井点加压灌注法,以深层注水为主,浅层注水为辅,深浅结合的方法。回灌井直径0.3 m,间距5 m,井深14 m,自然水位至管底均采用过滤管。为监测降水和回灌时水位、水压变化情况,调节回灌水量,需设置观测井,观测井直径0.3 m,间距15 m,井深14 m。回灌时为防止注水管道堵塞,必须使用清水,注水压力要求大于0.5个大气压以上,回灌井的填料必须采用砂夹碎石。当观测井中水位水压变化达到监测报警值,需及时启动回灌系统。回灌水量的多少,以满足保持原地下水位线为原则。回灌井立面见图3。

图3 回灌井立面

3.2.3 旋喷桩施工工艺设计

为了减少由于旋喷桩施工时的高压对京沪高速铁路路基的土体产生挤压,造成部分土体隆起,京沪高速铁路与京沪铁路间旋喷桩施工前,在京沪高速铁路路基和离路基最近的一排旋喷桩之间设置1排压力释放孔,φ30 cm,间距4 m,孔深12 m,孔内回填级配碎石。旋喷桩施工时,应先施工距离京沪高速铁路路基最近的一排桩,然后施工远离京沪高速铁路路基的第2排、第3排桩。第1排桩施工时,减小浆液喷射压力,采用能保证成桩的最小压力,以减少施工时对桩周围土体产生挤压,并采用1,5,9……间隔跳打的方法进行施工。施工中应保持机具底盘的水平和导向架的竖直,桩的垂直偏差不得超过1.0%,桩位的偏差不得大于50 mm,相邻桩的施工间隔时间控制在12～16 h。桩的搭接长度不小于200 mm,确保形成连续的墙体,成桩直径和桩长不得小于设计值。旋喷桩施工工艺流程见图4。

图4 旋喷桩施工工艺流程

3.2.4 框架桥工作坑开挖、止水和降水设计

工作坑开挖前,在工作坑开挖边坡坡顶处用高压旋喷桩在四周形成一个封闭的降水区域,以保证工作坑的降水不会对京沪高速铁路造成影响。同时京沪高速铁路与京沪铁路间的止水帷幕也保证工作坑降水时京沪高速铁路路基位于降水影响区域以外。

工作坑靠近铁路路基一侧上沿至既有铁路路基坡脚之间的距离为5.0 m,边坡宜缓于1∶1.5,工作坑左右两侧的开挖边坡宜缓于1∶1.25；工作坑后背采用钻孔灌注桩进行支护；工作坑边坡采用挂网喷混凝土防护。工作坑止水采用帷幕法,双排高压旋喷桩在基坑坡顶边线外侧设置1圈隔水幕,用以隔断水源,减少渗流量,防止流沙、管涌等地下水的作用。高压旋喷桩桩长17 m,直径60 cm,间距40 cm。 工作坑内降水采用管井(深井)井点法,井管沿基坑按环形布置,基坑中央设置观察井。铁路线管井设置在最外两股铁路外侧,沿线路纵向布置。管井深14 m,间距5 m。工作坑底两侧设置集水井,如有雨水须及时抽排。

4 线路加固设计

为了不中断铁路运营,框架桥顶进前需对铁路线路进行加固。根据铁路运营单位的要求,框架桥顶进施工时限制速度不高于45 km/h。为了满足列车慢行45 km/h的要求,采用3—5—3扣吊轨梁和横抬纵挑的工字钢与防护桩、支撑桩、抗横移桩组成线路加固系统[8]。由于顶进框架桥前端有已建的京沪高速铁路立交桥,前端的抗横移桩无法设置,同时为了减少顶进施工对京沪高速铁路影响,在京沪高速铁路边与既有京沪铁路边沿铁路方向均设置了路基防护桩,并沿框架桥边墙将两侧的路基防护桩连成U形,在桩顶设置钢管内撑,以减少桩顶位移。线路加固体系的纵梁搭在横梁上,横梁两端支撑在路基防护桩上。线路加固范围：超出框架桥两侧不小于框架桥高并留不小于3 m的富余量,线路加固全长62.0 m。为了加强线路加固系统,并加大横梁的悬空长度,以保证框架桥的顺利顶进[9],线路加固横梁和纵梁均采用I45b型钢,每隔1根木枕穿1根横梁,横梁间距0.9 m,线路加固纵梁双根1束布置,位于线路两侧2.1 m处,置于横梁上,用U形螺栓与横梁连接。

5 对接处细节设计

京沪高速铁路框架桥底采用CFG桩进行加固处理,桩长24 m,直径0.5 m,间距1.5 m,矩形布置,共计约297根桩。8 m-16 m-8 m框架桥施工时在基坑外侧设置了支护桩,靠近京沪铁路侧桩径1.5 m,间距1.7 m,桩长19 m,桩外侧设置旋喷桩止水帷幕；另外3侧桩径1.0 m,间距1.5 m,桩长19 m。

为了尽量减少对京沪高速铁路的影响,同时又能形成无水基坑的施工条件,在距离京沪高速铁路较近处采用50 cm厚的C20混凝土进行封底[10],在京沪高速铁路支护桩周及外侧用止水帷幕桩进行封底,并同基坑外侧的止水帷幕形成一个封闭的止水区域,保证了施工降水时将京沪高速铁路路基位于降水影响区域以外。同时为了减少顶进施工作业对京沪高速铁路的影响,对位于京沪铁路与京沪高速铁路间的支护桩拆除方案也进行细化和优化。拆除方案如下[11]：(1)先凿除高速铁路2、3、23、24号防护桩部分桩身(桩顶至顶进框架桥底板以下0.5 m),浇筑封底混凝土(50 cm厚),浇筑框架桥刃角补齐混凝土。(2)框架桥顶进施工,凿除与刃角相抵触的高速铁路2、3、23、24号防护桩桩顶以下3.5 m长桩身,框架桥继续顶进施工,直至顶进就位。(3)刃角补齐后,可利用其支护侧面土体,凿除高速铁路4～22号防护桩部分桩身(桩顶至顶进框架桥底板底0.5 m),浇筑封底混凝土(50 cm厚),浇筑顶进框架桥底板补齐、底板顶板后浇块混凝土。根据现场的施工情况来看,框架桥顶进施工和施工降水对京沪高速铁路路基的影响很小,在可控制的范围内。

对接处细节设计平面示意见图5。对接处细节施工步骤见图6。

图5 对接处细节设计平面(单位：cm)

图6 对接处施工步骤(单位：cm)

6 评估结果及施工监测结果

由于该工程的特殊性,聘请了北京交通大学的有关专家对设计采取的降水、止水及自动回灌等措施进行了详细的评估和论证,评估结果认为：顶进下穿框架桥施工会导致京沪高速铁路产生一定程度的竖向变形和横向变形,但变形量很小。横向变形最大值为0.317 mm,竖向变形最大值为0.883 mm,均发生在框架桥中线处,均在可控制的1 mm范围以内。

由于京沪高速铁路对线路的沉降要求很高[12],因此对整个工程的施工监测显得尤为重要。从设计上专门提出了第三方监测,要求对框架桥工作坑施工、京沪铁路、京沪高速铁路路基进行施工监测。

从现场实际施工监测结果来看,框架桥工作坑的施工对京沪高速铁路路基没有造成沉降,在框架桥顶进到距京沪高速铁路较近处,由于施工降水及对高速铁路路基局部土体的扰动,京沪高速铁路路基产生了一定程度的变形,但变形量都小于1 mm。

7 结语

河北省廊坊市规划龙河园区路下穿京沪铁路框架桥在本批廊坊市下穿工程中非常具有代表性,桥址位于京沪高速铁路的路基段,地下水位高,地基土层均为粉质黏土或黏土,渗透系数小,京沪高速铁路对线路沉降要求很高,设计时需考虑的因素多,设计技术难度大。根据现场的具体实施情况来看,线路加固的实施、对接处的细节设计、京沪高速铁路与既有京沪铁路间的止水帷幕设计、以及京沪高速铁路路基内侧的回灌系统地设置都为整个工程的顺利实施提供了安全保障,将施工对京沪高速铁路的影响减少到可控制的范围内。目前,国内高速铁路发展很快,本工程的成功实践为今后类似的立交改造积累了经验。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005 J 460—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[2] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005 J 462—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[3] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.5—2005 J 464—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[4] 刘成宇.土力学[M].北京：中国铁道出版社,2000：5-36.

[5] 铁道部第四勘测设计院桥隧处.桥涵顶进设计与施工[M].北京：中国铁道出版社,1983：175-197.

[6] JGJ 79—2002 建筑地基处理技术规范[S].

[7] 杨素珍，等.深基坑开挖中人工回灌井的应用研究[J].山西建筑,2005(10),31(20)：86-87.

[8] 铁办[2005]133号 铁路营业线施工和安全管理规定[S].

[9] CJJ74—1999 城镇地道桥顶进施工及验收规程[S].

[10] GB 50108—2008 地下工程防水技术规范[S].

[11] JGJ 120—99 建筑基坑支护技术规程[S].

[12] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2003]13号 京沪高速铁路设计暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2003.