三线交叉D梁施工过渡方法

王 栋

(中铁十八局集团有限公司, 天津 300222)

随着我国经济的发展和人口频繁的流动,现在的交通运输水平已经越来越不能满足国民经济建设和人民大众的需求,交通设施建设已经成为国民经济建设的重心并且已经取得了一些成果[1].目前,建设以地下铁道为代表的城市快速轨道交通系统,是解决我国中心城市公共交通运输矛盾的重要途径[2].然而随着地下线路的增多,大量交叉并行的工程不断出现.

在所有近接工程中,地下隧道工程之间的近接施工是最重要的,并且需要深入研究的问题很多.在国内有许多上下交叉隧道的近接施工工程实例,例如白水江引水隧洞下穿手扒岩隧道工程[3];绕城高速公路隧道上穿遂渝铁路隧道工程[4];太中银红井子隧道上穿定边引黄隧洞工程[5]等等.在以往这些隧道施工中,对于新建隧道下穿既有隧道工程,通常采用超前支护及控制爆破来保证既有隧道安全; 对于新建隧道上跨既有隧道超近接施工时,通常采用对既有隧道加固和衬砌背后注浆,以改善既有隧道结构受力来达到保证既有隧道的安全;对于拟建隧道下穿正在施工的隧道时,通常采用施作辅助措施提前施作立交影响段,减小拟建隧道对既有隧道的影响,以确保安全.这些方法虽然都很好地满足了工程安全性的要求,但在既有线路基影响范围较长、施工条件复杂的情况下,无法解决施工时间紧、施工条件受限、施工成本高的问题.

本文以更为复杂的三线交叉隧道达成线DK161+428处新建铁路与既有线交叉(新旧两线均下穿成南高速乌龟山大桥)为例,开展了对上下交叉近接隧道的结构的分析,以及对隧道施工方法的研究,提出了效果显著、经济合理的施工工艺及隧道施工爆破方法.

1 工程概况

达成铁路新建铁路右线于DK161+415处与既有线(K162+188)交叉,交角为22°,既有线路肩高度为320.50 m,新建线路肩高度为314.33 m,新线下穿既有线,平均高差为6.17 m,新旧两线均于此处下穿成南高速公路乌龟山大桥(第三跨30 m).达成线新旧铁路线布局如图1所示.

施工要求:在确保既有线铁路及高速公路安全运营的基础上,逐步修通新线右线路基,保证由既有线运营转向新线运营,爆破拆除D梁桩基时确保高速公路桥墩的安全.

主要作业内容有:既有线D梁桩基挖孔灌注桩施工、24 m D型梁吊装、既有线路基开挖及防护、D梁拆除及挖孔桩爆破拆除.

图1 达成铁路新老交叉平面图Fig.1 Ichnography of new and original cross railway of Dacheng

2 施工方案

2.1 施工方案简述

既有线K161+970.01～K162+497.98位于直线上.交叉点处于该直线段中,拟采用四跨24 m D梁对该交叉点进行过渡.

四跨24 m D梁置于挖孔桩上,然后边开挖路堑边防护,最大限度地保证新建铁路右线施工,穿越既有线路堑挖通后进行过渡施工.即要点封锁既有线,一次性将D梁和挖孔桩拆除,迅速开通右线,而后再开通左线.

2.2 施工工序

D粱过度施工法工序如图2所示.

图2 D梁过渡法施工工序Fig.2 Construction process of transition method of D beam

3 主要施工方法及工艺

3.1 挖孔桩施工

根据载荷列车验算和现场实际施工要求, 布置10根挖孔桩, 每2根一组, 桩截面尺寸为2.0 m(横)×3.0 m(纵), 桩基深度根据地质情况确定, 桩底要求嵌入δ=0.3 Mp强风化泥岩深度6 m, 桩长不短于6 m, 且桩身必须位于新建路床标高以下, 依此及成南高速公路乌龟山桥地质资料分析确定挖孔桩深度, 桩身采用C30混凝土. 桩身采用全断面配筋, 竖向主筋分2种, 一种为Φ25钢筋, 间距按15 cm布置, 净保护层按5 cm控制, 每颗桩43根, 箍筋12根, 一种为Φ8钢筋, 间距为20 cm, 另一种为Φ16钢筋, 间距为2 m.

挖孔桩开挖前要探挖路基电缆走向并作好保护处理,采用线路临时加固措施,列车慢行,保证车速45 km/h后进行挖孔桩作业.挖孔桩开挖前设挡板对道碴进行挡护,形成挖孔桩作业面后方可进行挖孔桩施工.挖孔桩用逐节开挖的方法施工,每节长度≤1 m,开挖好后即进行护壁作业,只有当上一节砼护壁的强度达到设计强度的75%时方可向下继续开挖(为加快施工进度,可在护壁砼中加入适量早强剂),直挖至设计深度.开挖过程中若遇硬土则采用风动凿岩机,孔内不采用爆破方式开挖.施工过程中仔细记录各岩层变化,确定孔底岩土类别及地基承载力特征值,保证受力需要,经地勘设计人员验孔后,在监理工程师检验后灌筑桩身混凝土(为加快施工进度,可在砼中加入适量早强剂).

3.2 D梁架设施工

当挖孔桩砼达到规定强度后,方可进行架设D型梁作业, D型梁加固施工如图3所示.

D型梁用轨道车运输至工地,用起重机(或专用D梁装卸设备)吊至孔桩平台上.两片D型梁就位前,先将横梁横穿于轨下,然后吊装两片D型梁置于挖孔桩顶面橡胶支座上,先将钢枕一端与D梁连接使钢枕固定,然后再连另一端,以此类推,至钢枕全部与D梁连接上.钢枕中间的底部用棱形杆件与相邻的钢枕连接,中间的两端用扣件连接,使形成剪刀形状.基本轨置于钢枕上,钢枕上放胶垫,卡板再固定钢轨.由于混凝土结构梁主要用于抗弯加固和抗剪加固,受力性能较好[6],但在D型梁架好后,仍需经监理工程师及甲方代表等检查D型梁的稳定性后方可进行列车运营和基坑开挖.

图3 变梁架设横断面图Fig.3 Cross section drawing of variable beam erection

3.3 路堑开挖和防护

路堑开挖时,严格按设计标高、中线进行控制,首先处理好地下水的汇集及排水,同时应加强既有线边坡的支护,支护采用Φ42小导管,长度为6 m,间距为1.0 m×1.0 m,梅花形布置; 铺挂Φ8钢筋网,网格间距为15 cm×15 cm,喷射C20混凝土厚度为25 cm,并再砌筑40 cm厚的M10浆砌片石进行防护.沿既有线轴线方向(D梁下部既有线锥坡)的开挖坡度为1∶1.5,并采用先分段,后分层的开挖方法,即沿新线前进方向每3 m作为一个施工段,再每2 m高作为一个开挖层,开挖后先喷射厚8 cm的混凝土,开挖过程中要密切注视路基稳定情况,一有险情立即采取措施进行处理(如增加D24施工便梁端部扣路基梁和在基坑边缘顺线路垂直方向增设临时支挡设施等),严防行车事故发生.

3.4 D型便梁的吊装拆除

待右线路基基床表层施工完成后,在D梁下部支满堂脚手架.由两台QY50K汽车起重机进驻施工场地.

将既有线轨道拆除.首先将既有线混凝土轨枕拆除,然后将D便梁钢枕拆除,再用汽吊分别将4片D梁吊于线路左右侧.

3.5 桩身爆破拆除

爆破D梁上部6 m是既有铁路线,7.6 m是高速公路,周围环境极为复杂.既有线路车辆来往频繁,爆破作业要求时间短.针对以上情况,该爆破总体方案与其他爆破方法相比具有如下特点:

(1) 采用微差松动控制爆破技术,将爆破药量设为最经济合理的比例,控制了爆破飞石、爆破震动、爆破冲击波等产生的危害.

(2) 采取爆破、机械、人工相结合的方式,墩柱分段进行爆破,爆破后切割钢筋,使用挖掘机或推土机将未爆破部分拖至安全地点进行处理.既解决了爆破高度大,飞石难以防护的难题,又能有效地缩短施工时间.

(3) 采用主动防护和被动防护相结合的方式,加强安全防护,把爆破飞石控制在允许范围以内,确保万无一失.

3.5.1 爆破设计

(1) 预处理

① 混凝土浇筑前,按照爆破设计要求预埋PVC管装待爆破时装填炸药.

② 爆破前一天,按照设计要求做好安全防护.

(2) 爆破高度

炸高H通常采用如下经验公式确定[7]:

H=(1.0～1.2)B.

式中,B为承重立柱截面的最大边长,取B=3.0 m;所以H=3～3.6 m;即炸掉墩柱6 m中的3 m就能全部破坏墩柱的承重能力.

根据以上计算,同时为了布孔和施工操作便捷,并根据以往类似工程施工经验,爆破时选取爆破长度为3.5 m ,具体分配为墩柱部自地面向上炸2 m高,向上隔1.5 m再炸1 m.这样未爆破部分剩余段最大长度为1.5 m,混凝土体积质量为2.7 t/m3,通过计算爆破段其所含混凝土重为3.0 m×2.0 m×1.5 m×2.7 t/m3=24.3 t.由此可以看出爆破后最少要准备起重能力为30 t的起吊设备或推土机把未爆部分立即拖离施工区域另行处理.

(3) 爆破参数的确定

① 最小抵抗线(W):混凝土墩柱爆破施工经验取50 cm.

② 药孔间距(a): 药孔间距一般取a=(1.0～2.0)W,本次爆破中立柱选取a=1.0W=50 cm.

③ 药孔深度(L):L=150 cm.

④ 单孔装药量(q):单孔装药量的确定应按下式计算:

q=KWaH

式中,q为单孔装药量;K为单位体积用药量系数,取K=0.6 kg/m3;H为爆破高度,取H=3.5 m;

按上式计算后,两侧孔单孔装药量525.0 g.

⑤ 填塞长度LT∶LT≥(1.1～1.2)W,取LT=60 cm.

⑥ 装药结构:炸药使用乳化炸药,药卷直径选用32 mm.单卷重150 g.采用密实装药.

⑦ 药孔布置:采用矩形补孔,孔间距50 cm,排距50 cm.

⑧ 药孔参数及装药量爆破参数如表1所示.

表1 中间孔和两侧孔爆破药孔参数及装药量Table 1 Blasting hole parameter and charge of the middle hole and the side hole

3.5.2 起爆网路的设计

(1) 选择合理的起爆器材.起爆器材通常应选择安全可靠、便于运输、爆破力充足的起爆器.本工程存在杂散电流、射频电流和感应电流以及雷电,它们均会对爆破网路产生不利的影响,所以在这种特殊环境条件下,使用安全可靠的非电塑料导爆管起爆器材符合本工程要求.

(2) 网路连接方法.使用塑料四通将同一墩柱的雷管全部连接,两个墩柱间经一发毫秒延期段别为5的雷管串联进入同一网络,由一根主起爆线引至200 m外的起爆点.

(3) 延期时间.共35个孔,7排,每排5个,每排作为一响,放置同段雷管,从上至下延期时间为50 ms,总延时时间为350 ms,最大一响药量为1.5 kg.

3.5.3 爆破安全设计

本工程所处地点是交通繁忙路段,安全问题尤为突出,因此有必要对爆破安全进行缜密的考虑,并作出应对措施,最大限度地减小爆破对周围的影响.根据国家爆破安全的有关规定进行如下设计:

(1) 控制爆破震动的措施.在工程实践中,要对爆破震动进行控制,首先必须知道爆破震动是由哪些量决定的,爆破震动强度越大,介质的震动速度、加速度、位移也就越大,因此人们常以地面的震动速度来衡量爆破地震效应强度.计算控制爆破地面震动速度一般采用下式,振动强度可用地面质点振动速度v来描述[7]:

式中,v为地面质点振动速度,cm/s;K为与介质和爆破条件因素有关的系数;K′为与介质和爆破条件因素有关的系数;Q是一段延迟起爆的总药量,kg;R为观测点和药包布置中心的距离,m;α为振动衰减系数.

根据冯叔瑜院士及其他科研工作者整理归纳的经验K=7.06,α=1.5[7].

本工程一响最大药量1.5 kg,针对不同距离处所产生的震动速度见表2.

表2 不同距离处所产生的震动速度Table 2 Vibration velocity of different distance

桥梁、铁路等设施的最大允许震动速度为3.0 cm/s[8].由此可见本工程中距离爆破点最近处爆破所产生的震动0.77 cm/s远远小于最大允许震动速度,说明爆破震动是安全可控的,不会对高速公路等设施造成任何损坏0.77 cm/s的震动速度,其强度不超过地震烈度1级,不会造成任何影响.

经过大量的天然地震和爆破地震的科研观测,爆破地震与天然地震的主要区别在于爆破地震衰减快,破坏范围不大,天然地震衰减慢,破坏范围大;爆破地震地面加速度震动频率高约10～20 Hz,远超过普通工程结构的自振频率,天然地震地面加速度震动频率低,一般为2～5 Hz,与普通工程结构自振频率相近;爆破地震持续时间短,在近区仅1 s左右即消失,天然地震主震持续时间长,一般为10～40 s以上.综上所述,本工程采用爆破法拆除,不论从理论上还是从实践上都是安全的.不会对高速公路和既有线路造成任何损坏.

(2) 爆破飞石控制方法

由于飞石产生与爆破场地的地形、地质条件(节理、裂缝、断层等)、气候条件等有关,影响飞石产生的因素非常复杂,控制爆破飞石飞散距离的计算目前还不够成熟,只能根据经验公式确定. 爆破飞石的产生与单位体积炸药消耗量有非常大的关系.根据我国多年楼房拆除的经验和实践,采用下式进行计算:

L=20K1n2W

式中,L为无覆盖条件下拆除爆破飞石的飞散距离(m);K1为与风向地形相关的影响系数;n为爆破作用指数;W为最小抵抗线.

取W=50 cm,计算得L=22 m.

经过防护后,个别飞石不会超过10 m,为确保万无一失,采用以下措施防止飞石:

① 优化爆破设计

认真校核各药包的最小抵抗线,严格控制爆破中使用的药量,最大程度地利用炸药能量,使其主要用于岩体的破碎,从而使飞石的产生量控制在一定范围内.

② 增强主动及被动防护措施

在爆破部位加强主动防护时,可利用在爆破部位铺设若干层竹笆与稻草,对爆破部位进行覆盖,以减少飞石向临空方向的冲击.在靠近重点防护目标前进行被动防护,搭设高4 m,长15 m的钢管架,并挂竹笆防护.采取防护措施后,个别飞石不会超过10 m,不会对成南高速桥梁梁体及桥墩有任何影响.

③ 使爆破部位在既有线和高速公路下方

按照最不理想情况考虑安全设计,即使没有任何防护措施,飞石的飞溅线路不可能越过高速公路路面和既有线上方.所以,高速公路和既有线在爆破时不会受到飞石的任何影响.

(3) 爆破冲击波

炸药在空中爆炸,空气冲击波超压ΔP和正压作用时间t0可按萨道夫斯基公式计算:

式中,Q为炸药量;R为测点至爆破点之间距离.

超压破坏作用见表3[8].

表3 超压大小与其破坏作用关系Table 3 Relations between overpressure and its damage

本例计算中,取R=10 m,ΔP=0.008 79 MPa,t0=8 ms.

实际施工中,药包全部使用泡泥封口填塞,没有裸露药包,外围又有防护措施.冲击波产生危害极小,不会对人员造成任何损伤.

4 线下单位所需时间细化

K162+188架设4孔D梁,拆除2跨D梁,爆破拆除2根D梁桩基.每架设1孔D梁封锁1次;每次封锁时间120 min;共封锁4次.

开通右线拆除两跨D梁、爆破2根D梁桩基共需要5 h.

本工程工序细化:

① 搭设满堂脚手架在路基基床施工工序中;

② 拆除既有线钢轨:30 min;

③ 拆除既有线枕木:40 min;

④ 拆除D梁横向连接(钢枕):50 min;

⑤ 汽吊吊D梁:80 min;

⑥ 人工拆除脚手架:30 min;

⑦ 爆破:40 min;

⑧ 清理现场:30 min.

5 结 语

随着城市建设快速发展,在隧道近接施工中,复杂的工程地质条件和诸多因素需要设计人员和施工人员考虑.以往的近接施工往往采取比较保守的施工方法,不但施工成本高,而且近接施工段交涉和施工的时间长,往往延误工期.有的则采用盲目冒险的施工策略,造成了安全危害.本文通过对既有线D梁桩基挖孔灌注桩施工、24 m D型梁吊装、既有线路基开挖及防护、D梁拆除及挖孔桩爆破拆除等工序的探讨,有效地解决了施工时间紧、施工条件受限等问题.

D型梁过渡施工,在保证施工过程中交通正常运转和确保交通、建筑物安全这两方面均达到了要求,同时此施工方法大大缩短了施工时间,加快了施工进度,可以作为一种近接施工的可行措施,同时也为交叉隧道近接施工领域的进一步研究提供了依据.

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