鄂北工程下穿郑万高铁交叉段专项设计研究

司培育，李 浅

(鄂北地区水资源配置工程建设与管理局(筹)，湖北 武汉 430063)

湖北省鄂北地区水资源配置工程(简称“鄂北工程”)为Ⅱ等大(2)型线性输水工程，是为解决湖北省鄂北地区水源性缺水问题而提出的长距离调水工程。鄂北工程从丹江口水库清泉沟隧洞进口引水，输水线路全长269.672km，穿越襄阳市的老河口市、襄州区、枣阳市，随州市的随县、曾都区、广水市，孝感市的大悟县等7个县(市、区)。鄂北工程受水区多年平均引水量7.70亿m3，渠首工程设计流量为38m3/s，渠首设计水位147.70m，末端王家冲水库正常蓄水位为100m，全程自流。工程建成后，预计受益人口约500万人，灌溉面积24万hm2。

鄂北工程在桩号C1K76+362.279处(孟楼—七方倒虹吸)与郑万高铁交叉。鄂北工程与郑万高铁可行性研究批复时间基本同步，鄂北工程该交叉段施工时，郑万高铁主体工程已完工，为保证郑万高铁和鄂北工程建设运行质量和安全，对工程下穿郑万铁路工程进行专项设计。本文结合工程水文、地质，施工工艺及施工组织深入分析了交叉段工程设计重点、难点，并在交叉段专项设计方案中有针对性地提出相应措施，最后对实施效果进行了总结和评价。

1 工程简介

鄂北工程孟楼—七方倒虹吸夹河套段为白河和唐河之间的管段工程，桩号区间为C1K75+063.4—81+435，总长6.441km。桩号C1K75+063.4—C1K75+255段管段线路走向S65.55°E，其后向北偏转为S70.84°E，在桩号C1K79+020处向南偏转为S66.55°E，延伸至C1K79+069.131(79+000)后以直线布置到唐河右岸、寇集村北侧(桩号81+435)。此段由3根DN3800mm的沟埋PCCP同槽并排布置，管中心距6.1m。管道工作内压0.6～0.8MPa。管顶覆土厚度为2.0～7.0m。

新建郑万高速铁路线白河双线特大桥全长6384.656m，中心里程为D1K352+147.074，桥梁起止里程为DK348+500～D1K354+884.656。铁路桥梁均为32m简支跨，孔跨样式为47×32m简支箱梁+3×24m简支箱梁+58×32m简支箱梁+(72+128+72)m连续梁+5×32m简支箱梁+1×24m简支箱梁+32×32m简支箱梁+2×24m简支箱梁+40×32m简支箱梁。全桥梁部采用预应力钢筋混凝土箱梁，下部结构采用混凝土圆端形桥墩，钻孔桩基础。

鄂北工程孟楼—七方倒虹吸3根并排PCCP(沿输水方向由左至右)依次从郑万高铁白河双线特大桥142#-143#、143#-144#、144#-145#桥墩间交叉穿过，交叉角度为71°，桩中心最小距离为7.75m。

2 工程地质情况

鄂北工程PCCP管线在桩号C1K76+362.279—C1K76+707.279之间线路总长345m的区间内穿过郑万高铁，该段倒虹吸地面高程73.20～74.31m，PCCP管底板高程65.04m，镇墩建基面高程64.24m。线路上部为层厚2.8m(底部高程70.81m)第四系上更新统琚湾组(Q3jal)壤土，下部为层厚7.0m(底部高程63.81m)第四系上更新统琚湾组(Q3jal)中细砂，其下为上第三系(N)泥质粉砂岩，半固结半成岩状态，线路段地层物理力学参数建议值见表1。

表1 管线地基各土层设计参数建议值表

区内上部地层岩性主要为弱至微透水的黏性土层，下部为砂性土层，根据地下水的赋存条件，区内地下水分为上层滞水和潜水2类。上层滞水主要赋存于地表松散粘性土层中，具储量小、运移缓慢等特点；潜水则赋存于下部砂性土层中，具含水量高，储水量大，运移快等特点，局部具承压性，主要接受大气降水补给，同时与白河及唐河河水形成互补关系，距白河约1.9km，距唐河约4.9km，勘探时显示钻孔地下水位高程68.21m。

倒虹吸基坑边坡土层上部为(Q3jal)壤土，下部为(Q3jal)中细砂，PCCP管及镇墩建基面土层为(Q3jal)中细砂，地基承载力特征值245kPa，(Q3jal)中细砂满足PCCP管及其镇墩的地基承载力设计要求，基底摩擦系数f=0.40。

地基基坑临时开挖边坡坡高8～10m，基坑临时边坡开挖坡比壤土为1∶1.0～1∶1.5，中细砂开挖坡比1∶2～1∶2.5，基坑开挖时中细砂组成的边坡存在向基坑渗透变形问题，需采取相应的工程措施(如基坑降水或基坑支护等)，砂层渗透系数k为1.0×10-3cm/s，水平允许渗透比降0.1～0.2。

根据本次勘探揭示，拟建场地勘探深度范围内的地层岩性表层为填土，其下为一般第四纪冲洪积松散土层。其中一般第四纪冲洪积松散地层主要由粉砂、粉土和粉质黏土组成。

3 交叉段技术难点分析

(1)地下水丰富，工程地基处理难度大。鄂北工程及郑万铁路交叉段工程位于唐河与白河之间，所在地层主要为粉细砂和粉质黏土，地势低洼，地下水丰富，基础设置埋深在地下水位以下，施工期间可能存在边坡塌方、基坑积水、地质破坏等不利情况。同时，降水措施形成降水漏斗后土壤应力发生变化，土体将发生不同程度的沉降。因此，设计方案需同时评估地下水降水措施对地基可能产生的影响，采取可行的排水措施，加强地表及基坑排水。

(2)地质条件复杂，施工质量安全控制难度大。工程交叉处土层较为松软，交叉施工引起的地质沉降难以控制。交叉段施工前，郑万高铁主体工程已完工，按照TB10182—2017《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》有关规定，铁路轨道铺设完成后，下穿高速铁路施工时需保证高铁沉降在2mm以内，因此，施工期质量安全控制指标较为严格，常规明挖埋管方案难以满足高铁安全指标。经过讨论比选，采用顶管施工方案，采用框架涵下穿郑万高铁对高铁影响较小。单个框架涵顶进重量为1100t，最大顶力为3000t，顶程为49.41m，且与高铁线路斜交，地下水位较高，且地质情况较差，顶进时容易造成涵体方向和高程偏差，高铁桥墩基础安全控制和鄂北工程质量控制难度大。

(3)临近鄂北工程首次试通水和郑万铁路联合试运行，工期紧张。按施工进度计划，鄂北工程于2019年底开展首次试通水，彼时郑万铁路已逐步进入联合试运转阶段。因此，工程施工后期可能会出现与郑万高铁联调联试重合，顶进施工条件发生了变化，变为跨既有线路施工。为实现鄂北工程通水目标实现和确保郑万铁路安全试运行，交叉段施工设计需充分考虑进度影响，优化施工组织设计，科学确定交叉段施工进度。

4 设计方案拟定

4.1 降水方案

为避免基坑开挖及顶进过程中，地下水对工程的影响，本段交叉工程采用疏干井降水方案，疏干井位于线路两侧，距离最近线路中心线5m，疏干井直径0.4m，间距8m，井深19m。抽水真空水泵根据现场实际情况及经验进行选择。进行疏干井抽水作业后，使地下水位保持框架桥底板底以下1.0m，同时路基本体干燥密实。为了避免场地内的大气降水不回灌到地表以下及地面水流入基坑，开挖前在基坑两侧合理设置截水沟和排水沟。

框架涵顶进期间，密切监测基坑水位、铁路桥桥墩水平变形及桥墩沉降情况，确定监测频率，设定预警和报警指标，成立监测和安全领导部门，发现异常，及时采取相应措施。

4.2 下穿设计方案

鄂北工程孟楼—七方倒虹吸穿郑万铁路段位于桩号区间C1K76+362.279～C1K76+707.279，3根管道(PCCP)分别从郑万铁路线白河双线特大桥142号～145号的相邻2根桥墩之间穿过。3管单独编桩号，左侧输水管(142#墩～143#墩间)交叉点铁路里程D1K353+306.869、水管桩号KL0+144.53，交叉角度71°，桩中心最小距离7.67m；中间输水管(143#墩～144#墩间)交叉点铁路里程D1K353+339.127、水管桩号KC0+159.13，交叉角度71°，桩中心最小距离8.10m；右侧输水管(144#墩—145#墩间)交叉点铁路里程D1K353+371.384、水管桩号KR0+178.594，交叉角度71°，桩中心最小距离7.84m。具体管线、框架涵与墩台、梁底的关系如图1—2所示。

交叉段工程采用宽5.8m×高6.8m框架涵防护水管，两侧框架涵同时对称顶进施工，单节框架长29m，共2节58m，框架外采用1根1.25m长钻孔桩防护；框架侧面采用φ70双排高压旋喷桩止水帷幕，框架底采用φ70厚度为2.5m的高压旋喷桩水平止水帷幕，上覆2m原状土。在支护范围内，管道采用钢管外包C25混凝土，左右侧外包砼厚度为100cm，管顶、管底外包混凝土厚度为65cm，管顶外混凝土砼顶部净空高度170cm。外包混凝土施工完成后以原状土回填封闭框架。

施工时，需选取专业有经验的顶进施工队伍，顶进作业前设置横向防滑位移装置及其他防护设施，避免顶进过程中发生支点悬空，同时，严格控制顶力大小及方向，加强安全监测，保证顶进安全和工程质量。

5 工期保障

框架涵顶进施工需配备具有丰富的施工经验、专业技术能力强、综合素质高，曾参与过铁路顶进桥梁工程施工任务的工程管理和技术人员参与项目建设管理。同时，加强与铁路部门沟通交流，待框架涵强度达到设计强度且相关防护及手续完备后进行顶进施工。

铁路东西两侧6个工作坑同时对称顶进，计划工期为15d，为保证既有铁路线路稳定，在高铁联调联试前完成工程交叉段钻孔桩防护、止水帷幕施工。施工过程中严格按照桥墩变形监测方案进行监测，在保障高铁桥墩的安全下，加快防护施工进度。

图1 框架涵与铁路桥梁平面位置图(单位：cm)

6 结语

鄂北工程与郑万铁路交叉段建设涉及水利及铁路2个不同行业，需同时满足2个行业相关的质量安全建设规范，必须进行专项设计。交叉段设计方案的安全、可行，是保证工程质量和效益的重要前提。鄂北工程下穿郑万高铁交叉段存在地下水位控制、质量安全把控及工期压力等难点，通过选取和采用适当的降水措施和水位监测、框架涵顶进施工及桥墩监测、优化施工组织设计等方式，使该交叉段工程按既定工期顺利完工，保证了施工期间交叉工程的质量安全，实现了鄂北工程首次试通水目标和郑万铁路按时通车运行。笔者结合自身工作经验，阐述了鄂北工程下穿郑万高铁实际设计方案的科学性和可行性，为类似交叉段工程设计提供了借鉴和思考。