下穿既有铁路箱涵改扩建施工技术

2021-12-29魏健伟中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司上海200042

建筑科技 2021年3期

魏健伟（中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司，上海 200042）

1 工程概况

浙江省嘉兴市嘉善县体育路下穿某铁路立交桥改扩建工程位于嘉善县城区，为南北向城市道路。主线下穿某铁路，为箱涵结构，铁路外侧为 U 型槽结构与箱涵连接。设计道路全长 366 m，设计宽度为 28.8 m；体育路与沪昆铁路斜交，道路中线与铁路法线交角 4°。既有沪昆铁路有上行线、下行线和牵出线 3 个股道，与道路交叉处铁路为直线，线间距 5.04 m，最低轨底标高为 4.26 m。

下穿某铁路原有箱涵为 4.5 m + 8.0 m + 4.5 m（净宽）3 孔（分离式）。本次下穿某铁路立交改扩建内容为将原有西侧 4.5 m 箱涵破除，在该侧对称新建 4.5 m + 8.0 m 的 2孔分离式箱涵。其中，1.0～4.5 m 箱涵长 25.1 m（含 3 m连体 U 型槽），箱身净宽 4.5 m，外围宽 5.4 m，净高 6.2 m，顶板厚 35 cm，底板厚 45 cm，腹板厚 45 cm。其中，1～8 m 箱涵长 22.1 m，箱身净宽 8 m，外围宽 9.3 m，净高 5.8 m，顶板厚 50 cm，底板厚 70 cm，腹板厚 65 cm。框架主体采用穿 C 40 防渗钢筋混凝土结构。箱涵采用支架法分两次浇筑，第一次浇筑底板及底板以上 70 cm 墙板，第二次浇筑其余墙板及顶板。

新建箱涵采用铁路外侧预制、顶进法施工。顶进工作坑位于铁路南侧，长度 41.60 m，宽度 15.30 m，开挖深度5.91 m，顶程 38.00 m，按施工图设计基坑采用围护钻孔桩同止水高压旋喷桩相结合的形式。

2 既有箱涵破除方案选择

在顶进 1～8 m 箱涵前需对既有 4.5 m 箱涵进行破除，破除方式采用镐头机凿除。箱涵破除可选择直接在线路下方进行凿除，也可尝试将箱涵顶出线路以外进行凿除。通过安全、技术、进度以经济方面的分析可知，线路下凿除方案技术难度方面不存在问题，但由于机械在线路下作业面受限，功效较低，预计将箱涵全部凿除需要 20 d。由于该项作业是在营业线慢行条件下施工，慢行时间较长，且对影响铁路行车安全风险较大。如将箱涵顶出线路以外凿除，则不需要在营业线慢行条件作业，降低了铁路行车安全的影响，且线路外凿除不占用总体顶进的工期，如顶出顺利，1 d 即可完成工作。但由于既有箱涵年代久远，无相关资料可查询，技术上可能存在一定难度。经综合考虑，最终选择了线路外凿除的方案，在技术上做好充分探究和准备。

3 总体方案的实施

本次下穿既有线箱涵改扩建总体方案的核心是顶进施工，而顶进施工成功的关键是确保铁路行车安全和箱涵就位的质量控制。总体方案实施主要步骤是简易支墩制作 D 24型便梁架设线下开挖、条形支墩制作便梁纵移，线下开挖加固。0～4.5 m 箱涵顶进便梁纵移既有箱涵顶出地基加固，1～8 m 箱涵顶进线路回填、恢复。合理编制施工计划，充分考虑线路加固与顶进工作坑及箱涵预制施工的同步性和衔接性，高效利用铁路慢行时间。

3.1 线路加固

3.1.1 简易支墩施工

在条形支墩线下开挖施工前，便梁架设采用简易支墩。简易支墩尺寸为 1.5 m × 1.5 m（线路外侧）及 1.5 m × 2.5 m（线路间）。结构由下至上分别为 10 mm 碎石垫层，50 cm 厚 C 40混凝土，并设置双层钢筋网片，钢筋为φ14 cm @ 150cm。基床上面铺设 10 cm 碎石垫层，然后铺设钢筋网片，浇注混凝土，采用人工搬运混凝土料浇注。

3.1.2 便梁架设、纵移及拆除

本次总体施工方案中，先架设 3 孔 D 24 型便梁制作条形支墩；再人工采用千斤顶、运梁台车纵移便梁，用于 2 个箱涵的顶进（含既有箱涵顶出）。全过程 3 孔便梁，共架设3 孔次，移梁 6 孔次。便梁架设做好接地、观测点及便梁限位器。在便梁架设及拆除过程中需要铁路慢行 45 km/h，且在穿钢枕、便梁架设（含组装）及拆卸时需要封锁，轨道车架设便梁作业同时需要接触网停电。

（1）穿钢枕作业。封锁点开始，清除轨枕间道砟至枕木底（深度以能穿入钢枕为宜）。为充分高效利用封锁时间，钢枕预先摆置线路旁相应位置。穿钢枕时，采用软橡胶垫包住轨底，以防钢枕同时搭接钢轨出现红光带。

（2）便梁架设。便梁采用轨道车运输，每次架设 1 孔便梁。接到线路封锁命令后，轨道车运至施工地，由轨道吊安装架设就位。在安装过程中，注意避免触碰接触网及其立杆。

（3）便梁组装。先将纵梁调整高度，组装两端第一根钢枕，再组装钢枕时须逐挡进行。作业过程中避免组拼成一侧完成、另一侧空缺的现象，造成左右股道钢轨受力不均的不安全状态。采用高强树脂基复合材料 D 24 新型扣件，可先按隔 4 挡定位安装一挡，再逐挡安装。扣件及钢枕组装完成后，全面检查扣件状态，压板是否可靠、绝缘胶垫是否密贴。同时，再全面紧固一次钢枕螺栓。便梁组装完成后，由铁路电务部门对便梁进行绝缘测试、接地检查，并做好记录和签认。

（4）便梁纵移。第 1 次便梁架设是为条形支墩施工做线路加固，待条形支墩达到设计强度之后进行移梁。第 1次移梁将 3 孔便梁同时移至支墩上及既有 4.5 m 箱涵上，纵移距离约 6 m。第 2 次移梁将 3 孔便梁同时移至新顶进1.0～4.5 m 箱涵及既有 8 m 箱涵上，纵移距离约 12 m。移梁作业采用千斤顶及运梁台车方式进行人工纵移。步骤如下。① 便梁拆解前，先在纵梁两端以内约 4 m 处（第 6 根钢枕）、钢轨上方约 15 cm 位置各拼装 1 根钢枕，如图 1所示。② 将原 37 根钢枕与纵梁拆解，在每片纵梁的两端利用千斤顶将两片纵梁向上顶起；并将运梁小台车置于上方的钢枕下，回落千斤顶，如图 2 所示。③ 通过人力将纵梁推移至指定位置后，利用千斤顶顶高纵梁，抽出小台车、落梁，然后拆除轨道上方两根钢枕，拼装 37 根钢枕。

图1 移梁步骤 1

图2 移梁步骤 2

（5）便梁拆除。在便梁区域回填道碴并捣实，使线路基础处于受力状态，再拆除钢枕与纵梁的连接。便梁拆解过程中，需线路工随时检查轨道几何状态，不断调整。便梁构件全部撤除后，及时补充道碴、捣固、养护线路，使线路恢复正常运行状态。

3.1.3 条形支墩制作

条形支墩施工流程为放样架设便梁线下放坡开挖高压旋喷桩加固钢筋绑扎、立模、浇筑支墩回填捣实。

条形支墩采用与线路正交制作，线路下拉槽深度 3.0 m，然后采用密排φ60 cm 高压旋喷桩加固基底，桩长12 m。基底加固完成后，进行回填 10 cm 碎石垫层、钢筋绑扎作业、立模、浇筑 C 25 混凝土。混凝土浇筑完成后进行养护，强度达到要求后拆除模板，回填土及素混凝土（永久性三角区），恢复线路。

线下拉槽采取 1∶1 放坡开挖。根据设计图纸及施工要求，开挖深度为轨底下去 3 m，支墩两侧留有 0.5 m工作面，即基底开挖宽度为 3.5 m，轨底开挖宽度为 9.5 m。施工全过程进行路基沉降观测。在线下拉槽作业时，挖掘机指挥及司机必须高度警惕，严防挖掘机碰撞便梁的下端，以免造成对既有线行车安全的影响。

3.2 滑板、后靠背施工

顶进工作坑开挖完成、箱涵结构预制前进行滑板及后靠背的施工。该临时结构也是顶进施工的关键。待滑板强度满足施工要求，在其上进行箱涵预制。

3.2.1 滑板结构及控制要点

（1）滑板结构层如图 3 所示。

图3 滑板结构层

（2）控制要点如下。① 滑板混凝土的表面需要光滑，以减少摩阻力，在滑板浇筑抹平后用 M 10 砂浆压实抹光。②为保证滑板的抗滑能力，保证箱涵顶进时不会带走滑板，锚梁深度必须满足设计要求。③ 滑板顶面的坡度为无坡度。

3.2.2 后靠背施工

（1）土体开挖。后背梁底标高为滑板顶面以下75cm，滑板顶面上部高 80 cm。土体开挖要严格控制标高，一次开挖到位，不得超挖进行回填，减少原土体扰动。

（2）后靠背清理。后靠背采用间距 95 cm。φ80 cm 钻孔桩结构形式，后背梁钢筋绑扎前对钻孔桩间隙处土体进行清理干净，顶进施工前采用半干湿砂将后背梁与后靠背之间的间隙灌填密实。

（3）钢筋绑扎。滑板纵向主筋端头设置成 L 形，并与后背梁竖向钢筋进行牢固焊接。纵向主筋轴线必须与顶进方向一致，不得歪斜、弯曲。纵向钢筋全部采用电焊焊接。

（4）混凝土浇筑。与滑板同时浇筑，浇筑时必须振捣密实。

3.3 箱涵顶进施工

根据现场实际，优化作业工况。箱涵顶进顺序如下：先顶进 1.0～4.5 m 箱涵，此时，D 24 型便梁架设在条形支墩和既有 4.5 m 箱涵顶；再纵移便梁至新建 1.0～4.5 m 箱涵顶和既有 8 m 箱涵顶，顶出既有 4.5 m 箱涵，顶进新建1～8 m 箱涵；便梁纵移前，在新建 1 .0～4.5 m 箱涵内，对应便梁在箱涵顶支撑位置，加设φ609 mm 钢管支撑，以确保新建箱涵结构不受施工影响。

3.3.1 顶进技术参数及油顶布置

顶力计算如式（1）所示。

式中：F—最大顶力，kN；

K—系数，采取 1.3 摩擦因数；

μ—箱身底部与基底土体摩阻系数，取 0.8；

N—箱体自重，kN；

E—箱身两侧土压力，kN；

f—箱涵侧面与土体摩阻因数，取 0.7。

箱身两侧土压力E计算如式（2）所示。

式中：γ—土体自重，取 17 kN/m³；

H—箱涵两侧土压力高度，m；

Ka—土压力系数，取 0.5；

L—顶进箱体长度，m。

由式（2）可知，1.0～4.5 m 箱涵总重 647 t，计算最大顶力F=9 835 kN，理论配备油顶数量为N=F/9.8/200=5台，实际顶进时采用 6 台 200 t 油顶进行施工，1 台备用。油顶间距 0.9 m ，对称布置于箱涵后端与后靠背之间，由后靠背提供支撑反力，控制箱置于后背梁上位置。

既有 4.5 m 箱涵经计算其总重约 562 t。由式（1）、式（2）计算得出顶力F=5 845 kN，理论配备油顶数量N=2.9≈3，实际顶进时采用 6 台 200 t 千斤顶进行施工，其中2 台作为备用。油顶间距 0.9 m 对称布置于既有箱涵后端与新建 1～8 m 箱涵前端之间（1～8 m 箱涵后端与后靠背之间采用千斤顶施力加紧），通过新建 1～8 m 箱涵传递反力。控制箱置于新建 1～8 m 箱涵内前端位置。在实际顶出作业中，读表计算起动力约为 4 100 kN，箱涵顶出比预想顺利。

1～8 m 箱涵总重 1 057 t。由于顶进 1～8 m 箱涵时，箱体两侧均为框架，不存在土体，故箱身两侧土压力E为 0，计算最大顶力F=10 993 kN。理论配备油顶数量为N=F/9.8/200=5.6≈6，实际顶进时采用 8 台 200 t 油顶进行施工，2 台备用。油顶间距 0.9 m 对称布置，控制箱置于后背梁上位置。

3.3.2 顶进施工流程

（1）施工流程。准备工作→检查安装顶力设备→试顶→顶进→更换顶铁、加放管桩→测量校正→挖土、运土（循环作业）。

（2）组织检查。顶进作业，成立顶进作业工作小组，全面检查各项准备工作,包括箱身结构强度、线路加固、后靠背结构强度、顶进设备布置情况、现场照明布置、液压系统安装及试验情况、观测体系的建立、与铁路行车单位联系情况等。

（3）准备工作就绪，先进行试顶以获取实际工况数据与理论对比。试顶正常后，开始正式顶进，顶进过程中加强对线路进行监测。顶进过程中吊机停放于后靠背西侧，采用25 t 吊机吊装顶进设备。

3.3.3 顶进过程中监测及纠偏措施

箱涵内顶面轴心处设置轴线测量标牌，标牌中心刻度为 0，左右各标注刻度 –20 cm、+20 cm。框架内侧墙 4个角位置底板以上 1 m 处用红漆进行高度标注，用以控制框架顶进过程中左右标高。顶进方向及标高控制采用全站仪，仪器架设在后背梁上与框架顶进轴线重合。顶进前读取原始读数并记录。顶进时进行连续观测及时掌握有关数据，每个顶程观测一次。测量人员、挖掘机防护员、顶进设备操作手随时沟通，以便及时纠偏。顶进全过程中派人监测。纠偏方法如表 1 所示。

表1 纠偏方法

3.3.4 顶进挖土

箱涵顶进采取带土顶进，顶进前进行拉槽挖土，挖槽深度为便梁以下不超过 3 m。顶进时进行第二次挖土，挖土采用 2 台 0.4 m3挖掘机，2 台 1 m3挖掘机进行。线路外采用大挖掘机挖运土方，线路下挖土采用小挖掘机结合人工在顶进时对中线进行抽槽挖土。开挖底面高于箱身底面 5～10 cm，根据箱涵顶进时高程调整。挖土指挥与监测人员保持联系，随时根据箱涵顶进的偏差情况以调整挖土方式。

顶进挖土专人指挥，严格按照监测结果挖土，挖土人员与观测人员紧密配合，不可发生信息中断情况。列车通过时，挖掘机停止工作，人员退出至开挖面 1 m 以外，土方装入自卸汽车外运。

3.3.5 顶进就位在顶进前要严格对铁路两侧顶进就位线准确放样，并用石灰线洒出，保证顶进过程中的控制。在顶进即将完成时，铁路两侧就位线处各站一名技术员，保持与顶进设备操作人员、挖土人员对讲机联系，保证顶进就位准确，误差不超过2 cm。

3.3.6 顶进注意事项

（1）箱涵在工作坑内滑板上顶进时，注意箱身的中轴线方向，顶管（传力管桩）前须增加横向连系梁。

（2）顶进工作小组之间交接时，对油顶设备及液压系统、传力装置、后靠背及平台等进行检查，掌握顶进箱涵的方向及高程状态。在顶进过程中，全程做好记录，随班交接，以利于箱身顶进控制。

（3）顶进箱身在列车运行间隙进行，列车通过线路时暂停顶进。顶进挖土人员和人员制定联系制度，使洞内外密切配合，以确保施工安全。

（4）顶进时，顶管和后背梁上不准站人，以防止顶管崩出引起意外伤人。

（5）安放顶铁或顶柱时保持与顶进轴线顺直一致，与横梁垂直，每行顶铁和顶管与千斤顶成一直线。

（6）顶进前采用槽钢对箱体前端止水带进行保护。

（7）加强线路路基位移、高程观测，保证线路行车安全。对工作坑以及后靠背也要进行实时观测观察，保证基坑稳定。

（8）顶进作业 24 h 连续作业，施工前注意关注天气情况，避开雨天施工。