饱和粉细砂地质条件下大断面顶进框架桥施工关键技术研究

丁宇坤

(呼和浩特铁路局建设管理处，内蒙古呼和浩特 010050)



饱和粉细砂地质条件下大断面顶进框架桥施工关键技术研究

丁宇坤

(呼和浩特铁路局建设管理处，内蒙古呼和浩特 010050)

结合包头某公路下穿既有京包、集包铁路框架桥工程实例，介绍饱和粉细砂地质条件及碎石桩加固路基下的挖孔桩施工、地下水位控制、框架桥顶进、高铁沉降观测及建设管理等关键技术。

饱和粉细砂 下穿工程 框架桥 关键技术研究

随着新建铁路大规模建设、既有铁路提速改造不断推进、地方经济的快速发展，道路及管线与铁路交叉情况越来越多。实际工程中，受地形限制，为减少道路下挖高度和建筑物结构高度，改善道路纵坡和排水条件，道路一般采用箱形桥结构下穿通过铁路，污水、燃气等重要管线通过顶进保护涵下穿铁路。该施工方法具有对既有铁路运营影响小、造价低、施工速度快的特点，已成为新建下穿式桥涵的一种主要施工工艺，并得到广泛推广应用。

下穿顶进工程的重点和难点在于保证既有铁路行车安全，施工期间既要兼顾施工进度，保证工程质量，更要保证铁路运营及施工安全，还要尽可能减少对铁路运输的干扰。因此，研究施工顶进桥涵关键技术，对确保既有铁路营运、施工安全，具有十分重要的意义。

1 工程概况

本工程下穿既有京包、集包铁路。京包铁路为双线客货共线电气化铁路，速度目标值120 km/h，本段线路位于直线上，路基填方高度2～3 m。既有集包铁路为双线电气化铁路，速度目标值200 km/h，线路位于直线上，无缝线路，线路纵坡2.1‰，路基填方高度4.3 m。地基采用桩径80 cm、桩长8 m、桩间距2 m、梅花形布置的碎石桩。

工程内容包括：1座天然气管道护涵(净宽4 m的箱形涵，横向长度77 m)，1座污水管道护涵(内径2.5 m的圆涵，横向长度70 m)，4座工业区东路立交桥(净宽分别为7.5 m、12 m、12 m、7.5 m的箱形桥)，1座给水、中水、供热管道护涵(净宽8 m的箱形桥，横向长度35.5 m)，1座雨水管道护涵(内径2.5 m的圆涵，横向长度70 m)，立交桥之间及出入口外U形槽工程(横向长度35.5 m)，以及接触网、电力、通信、信号光缆、电缆的迁改等工程。按照《呼和浩特铁路局营业线施工管理实施细则》规定，“集包线台阁牧(不含)—包头间按高速铁路管理”，下穿既有集包线工程为高速铁路施工。

2 工程地质条件

工程所处地貌单元为大青山山前冲积边缘与黄河北岸二级阶地相接处，地形较平坦开阔，场地内地层自上而下分别为人工填土、粉砂、粉土、粉砂等，粉砂和粉土层透水性强，土体稳定性差；场地地下水为孔隙潜水，水位2.9～3.0 m；工程范围内地下水位于地表以下3 m处，轨底下0～6 m无水；6～10 m范围渗水，但无涌砂现象发生；10～12 m范围有涌水、涌砂现象发生。

3 工程重难点

3.1 重点安全隐患

本工程为下穿铁路营业线顶进施工，工程规模大，桥涵数量多，施工工序复杂，既要保证京包、集包铁路行车安全，又要保证粉砂地区高富水底层条件下基坑开挖、挖孔桩施工、线路架空施工、立交桥顶进施工过程中的铁路行车安全。

3.2 控制工程及重难点工程

下穿既有铁路顶进框架桥、涵施工，需在铁路局批复的营业线施工计划内进行。地下水位控制、线路加固和顶进施工是本项目的控制工程。

本工程的重难点工程包括：

(1)挖孔桩施工；

(2)旋喷桩止水帷幕，路基注浆加固；

(3)D型便梁加固线路；暗挖段超前帷幕注浆、超前逐渐支护；

(4)水平止水帷幕；

(5)铁路通信、信号、电力、供电既有设备迁改及防护。

4 关键施工工艺

4.1 挖孔桩施工

为了减少施工对既有集包铁路的影响，人工挖孔桩必须连续成孔，否则有塌孔的危险，且集包铁路主箱桥是实现工期目标的控制工程。因此，该施工方案是在线路慢行限速45 km/h、昼夜不间断连续施工条件下制订的。如按照相关规定仅能利用夜间210 min天窗进入防护栅栏施工，将造成桩基底部涌水、涌砂。且桩位离线路较近(挖孔桩边缘距轨枕头部5 cm)，极易造成路基沉降、塌孔等安全事故。基于以上因素，挖孔桩及冠梁的施工必须不间断连续施工。挖孔桩具体施工工艺见图1。

图1 挖孔桩施工工艺

4.2 地下水位控制

(1)工作井基坑水位控制

主要包括钻孔灌注桩、高压旋喷桩、袖阀管注浆和基坑开挖四个方面的施工。采用钻孔灌注桩作为基坑支挡，灌注桩桩径为1 m，桩长20 m；竖向旋喷桩作为第一级止水，桩长15 m，桩径0.6 m，桩间距0.4 m，压力25 MPa，双层布置，一层用于填补钻孔灌注桩空隙，另一层用于加固封堵止水；袖阀管注浆作为第二级止水，从竖向旋喷桩外侧16 m向下注浆，咬合长度为1 m，袖阀管成孔孔径1.6 m，注浆压力1.5 MPa，灌注长度2 m，灌注桩内(基坑)四个角做进一步补强封堵；在靠近铁路一侧采用3层高压旋喷桩作为加固措施(如图2～图4所示)。

图2 钻孔灌注桩布置

图3 钻孔灌注桩和高压旋喷桩布置

图4 工作井支挡止水布置

(2)护涵顶进过程中水位控制

管线护涵位于地面以下7.4 m，地下水位在地面以下5.5 m，地层为粉细砂，富水。基于以上情况，止水加固施工采用两圈超前水平旋喷桩将工作面前方核心土与普通水泥-彭润土混合桩。

为了保证施工顺利进行，在顶管轮廓线外设计两排水平旋喷孔，工作面顶管范围内设计普通水泥-彭润土混合桩注浆加固。水平旋喷桩桩长42 m，中间搭接3 m，高压旋喷桩压力42 MPa，桩径0.6 m。水平旋喷桩采用内外同时加固，外层涵管向外加固两层，用于加固和止水，内层以涵管圆心为基点，向外加固两层，用于加固涵管开挖土层。

4.3 线路加固和顶进施工

(1)立交桥及护涵施工

主要包括位于京包、集包铁路的4座箱形桥及1座给水、中水、供热管线护涵，分三个阶段进行线路加固顶进施工。

基坑开挖：线路加固施工前，委托工务部门对既有铁路进行无缝线路应力放散、回散，线路加固方案采用D型便梁法，顶进桥涵采用先两侧后中间的顶进方案。

第一步：首先完成覆盖箱涵范围的全部D型便梁的架设→①、⑤箱涵一次/二次开挖并支护→①、⑤箱涵顶进施工。

第二步：移动并架设完成其中2组(4片)24 m便梁，同时拆除其余便梁→②箱涵开挖并支护→②箱涵顶进施工。

第三步：继续移动并架设2组24 m便梁→③、④箱涵开挖并支护→③、④箱涵顶进施工。

拆除架空、恢复线路：

拆除架空、恢复线路的施工顺序是“补充道碴并捣固→拆除纵横梁连接系统→拆除纵梁→横抬梁抽出并及时补充道碴、捣固→养护线路→线路验收交接”。

过渡段：

箱桥顶进就位后，按设计要求做好框架两侧过渡段路基土体的加固，回填混凝土。抽出横梁时注意避免钢轨联电。

(2)护涵施工

主要包括位于京包、集包铁路的管道(1座雨水管道护涵及1道污水管道护涵)。施工方案为在铁路中间及两侧设置三个工作井，工作井采用围护明挖法。由于集包铁路下有碎石桩，护涵下穿集包铁路路基段采用明挖法施工，下穿京包铁路路基段采用顶管法施工。

工作井施工：工作井施工采用钻孔灌注桩+管内支撑体系，围护结构周边设封闭的止水帷幕。

护涵止水帷幕施工：护涵止水帷幕采用双层注浆加固圈，注浆材料为超细水泥-水玻璃双浆液。注浆加固圈采用前进式分段注浆，利用铁路路基两侧的3个工作井相向钻注，两侧注浆加固圈搭接3 m。

暗挖法施工：下穿集包线路基段采用暗挖法施工，暗挖法施工采用城门洞形断面，开挖前进行小导管注浆加固，初支为180 mm厚C25喷射混凝土，全断面设置1榀/m的I14型钢钢架，二衬为250 mm厚C30钢筋混凝土，初支与二衬间全断面铺设EVA分离式防水板。

顶管法施工：下穿京包线路基段采用顶管法施工，污水管顶管法采用内径2 000 mm，壁厚270 mm的预制钢筋混凝土管道；雨水管顶管法采用内径2 500 mm，壁厚290 mm的预制钢筋混凝土管道。

5 沉降变形监测

5.1 沉降变形监测的必要性

对本工程而言，开展大断面、复杂立交桥及管护涵洞下穿既有铁路工程施工过程中路基和线路的变形监测是整个施工顺利完成的基本保障，对确保既有铁路安全营运具有十分重要的意义。通过监测下穿立交桥和管线护涵顶进施工期间既有集包铁路基础的下沉变形和D梁桩基沉降，实时监测顶进施工对既有铁路的影响，从而为施工提供实时的数据信息，在此基础上对监测数据进行对比分析，得出下穿既有铁路过程中路基的沉降变形规律。

(1)掌握箱涵和圆涵下穿既有铁路过程中的路基变形规律

下穿立交桥顶进和污水、雨水管护涵的掘进施工产生地层变形，这种扰动传播到既有铁路，使得路基表面产生相应下沉变形，下沉的速度和程度会随着箱涵推进的进程不断扩大和增加，同时既有铁路对新建下穿工程也会产生一定程度的影响。

(2)防止施工过程中路基面出现过大下沉变形

由于路段自身的地质条件，下穿既有铁路涵洞作业施工区内的地质条件直接影响路基沉降程度。同时，不恰当的施工管理往往是造成路面沉降的主要原因，由于不能坚持“吃土挺进”原则，导致大量土体的堆积，增加路基受到的张力。

(3) 控制顶进过程中既有线路出现较大水平位移

受到现有技术的限制，在实际施工过程中会受到很多客观因素的影响，导致顶进施工过程中摩擦力过大，也就使大断面箱涵和既有铁路路基产生巨大的摩擦，造成出口处的路基发生平移或者破裂，影响既有铁路的运营。

5.2 沉降变形监测的要求

根据《铁路线路维修规则》关于线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值规定的最大累计变形小于(+20～-20 mm)的要求。路基变化量大于8 mm/d或累计变化量大于20 mm时必须停止施工。监控单位在路基变化量大于5 mm/d或累计变化量大于15 mm时应提出预警。

5.3 沉降变形监测内容

在既有线修建复杂交通涵的重点和难点在于保证铁路行车安全，施工期间既要兼顾施工进度、保证工程质量，更要保证行车及施工安全，还要尽可能减少对铁路运输的干扰。该段线路采用人工观测及沉降自动观测两种方式相结合的方案。

(1)监控阶段1：设置基准点和测点。

确定并安装静力水准仪测点；

指导施工单位设置基准点；

测试基准点和静力水准仪测点的初始值。

(2)监控阶段2：①、⑤箱涵顶进施工，包括便梁架设、开挖以及顶进。

监测①、⑤箱体顶进施工过程中D型便梁桩基的沉降变化。

(3)监控阶段3：②箱涵顶进施工，包括便梁移设、开挖以及顶进。

监测②箱体顶进施工过程中D型便梁桩基的沉降变化。

(4)监控阶段4：③、④箱体顶进施工，包括便梁移设、开挖以及顶进。

监测③、④箱体顶进过程中D型便梁桩基的沉降变化。

6 建设管理

6.1 建设管理思路

高速铁路桥涵建设管理流程可以概括为：高速铁路进入护网内施工请示→上级主管部门批准→施工方案审批→施工计划上报→施工危险源分析→专项方案编制→应急处置方案制定→施工过程中的工艺控制→竣工验收。6.2 建设管理经验

(1)高速铁路线路沉降观测制度是对路基、支撑桩沉降的重要监控手段，必须要落实到位，包括观测位置、时间、联合检查机制等都要逐一落实，做到人工巡查、机械测量的有机结合，避免发生线路沉降时，不能及时预警而造成的事故。

(2)本工程范围内地质情况较为复杂，存在地下水位较高、土质差、碎石桩加固路基较难顶进等问题，怎样有效防止开挖过程中的土体坍塌、支点桩的塌孔、桥涵基坑及开挖段的地下水封闭、针对碎石桩制定行之有效的施工方案等问题是工程顺利进行的保障。

(3)充分发挥各设备管理单位的监控能力，制定可行有效的应急抢险方案、准备充足的应急抢险资源是事故发生后能够快速有效处理的关键。

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Essential Technical Research of the Construction of Large Pusher Frame Bridge in Saturated Silty Sand Geological Conditions Area

DING Yukun

2016-06-27

丁宇坤(1971—)，男，1994年毕业于西南交通大学地下工程与隧道工程专业，工程硕士，高级工程师。

1672-7479(2016)05-0091-04

U449.52

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