黄土地区涵洞接长对既有线的影响

柴亮

（中国铁路兰州局集团有限公司 兰州工程建设指挥部，甘肃 兰州 730031）

0 引言

高速铁路的发展具有政治意义、经济贡献、社会效益和文化价值等，在铁路工作者的共同努力下，我国已成为高速铁路运营里程最长、在建规模最大和商业运营速度最高的国家［1］。随着铁路网的完善，新建铁路在进站前需接轨既有铁路，形成路基帮宽结构或涵洞接长结构，且列车随运营速度的提高对轨下结构要求更高，如何控制轨下结构的变形是临近工程的技术难题［2-3］。

当铁路帮宽段修筑涵洞接长结构时，既有线涵洞结构及过渡段在填筑阶段和服役阶段均已发生一定的工后沉降［4-6］。为降低新建结构施工时对既有线的影响，李东等［7］分析高填土涵洞接长施工前，在既有路基侧采用人工挖孔桩和H 型钢板桩组合对既有路基开展防护，保证既有路基沉降在合理范围内；左家强［8］针对邯长、邯济铁路增建二线项目，为保证既有线涵洞施工安全，提出框涵和板涵接长涵洞类型及预制顶进施工方案；连新奇［9］结合海南环岛铁路东段提速改造工程，提出钢板桩和横撑组合防护施工方案；陈济洲［10］结合实际工程，基于铁路既有线斜交盖板涵接长施工的实际困难，提出侧向顶进框架涵方案。黄土作为一种特殊土，土体结构在附加应力或水分增加的作用下容易产生显著的附加变形［11］，如何在黄土地区开展涵洞接长工程是面临的技术难题之一，也是铁路建设工程中的控制性工程之一。

以黄土地区铁路帮宽段涵洞接长工程为背景，结合工程概况，剖析涵洞接长方案技术难点，基于防护方案和结构施工方案确定优化减控措施，监测涵洞接长及其过渡段填筑施工阶段既有线过渡段和涵洞变形数据，研究涵洞接长方案对既有线的影响。

1 工程概况

1.1 地质条件

工程位于兰州市永登县树坪镇，工点内地层岩性主要为砂质黄土、粗砂和下伏泥岩夹砂岩。结合地勘资料，各地层物理力学参数见表1。

表1 各地层物理力学参数

1.2 涵洞接长工况

涵洞接长工况示意见图1，工点1 既有涵洞地基处理形式为灰土挤密桩，桩径40 cm，桩长12 m，桩间距95 cm，梅花形布置。工点2 既有涵洞地基处理形式为水泥搅拌桩，桩径50 cm，桩长14 m，桩间距120 cm，梅花形布置。涵洞接长段地基处理形式均为高压旋喷桩，桩径50 cm，桩间距140 cm，正方形布置，其中工点1桩长12 m，工点2桩长13 m。

图1 涵洞接长工况示意图

既有线元器件布置示意见图2，对于既有线和新建线涵洞过渡段和基床表层均分别采用掺3%水泥级配碎石、5%水泥级配碎石（0.6 m）分层填筑。工点1 涵洞主体长15.75 m、宽6.00 m、高6.00 m，上行侧接长7 m，下行侧接长9 m；工点2 涵洞主体长15.00 m、宽4.00 m、高6.00 m，上行侧和下行侧接长均为13 m。如图2 所示，既有线路运营阶段，距离涵洞构筑物1 m 处设置监测断面，采用沉降观测标监测（线路中心与路肩位置），同时新建路基施工前在既有线过渡段和涵洞顶部道砟坡脚位置纵向设置物位计。

图2 既有线元器件布置示意图

2 涵洞接长技术难点及施工方案

2.1 技术难点

（1）防护方案实施困难。原涵洞接长防护方案（见图3）与文献［7］提出的防护方案相似，采用人工挖孔桩进行支护，桩径为1.0 m、桩长为8.0 m。既有路基地面线下由于存在复合地基，当人工挖孔桩挖至该位置时，实施困难。同时对于工点1（见图4），人工挖孔桩位置临近接触网立柱及其基础，施工时不可避免会对其造成弱扰动，影响列车运行安全；而且人工挖孔桩位于路堤本体内，由于既有路堤填料为散粒体材料，在列车动荷载作用下，挖孔过程中或护壁强度形成前容易出现坍塌，威胁施工人员和既有线的安全。

图3 原涵洞接长防护方案

图4 接触网立柱与涵洞位置关系（工点1）

（2）新旧结合易产生差异沉降。路涵过渡段浆砌片石破损见图5，对于工点2，路涵过渡段两侧出现由于工后变形大引起的浆砌片石破损现象，结合过渡段一侧沉降标沉降-运营时间关系曲线（见图6），分析可知：沉降标沉降值均随运营时间增长而增大，从运营开始至2017 年底沉降较小，且基本处于稳定趋势；而后进入由于长期降雨、冻胀和上部列车荷载等引起的非常态增速期，产生较大的非常态永久变形［12］；至2020年底，过渡段中心位置和两侧路肩位置工后沉降值分别为11.809、4.680、5.031 mm。由于新建线与既有线复合地基和填料固结程度的差异，在自质量荷载和上部列车作用下，涵洞接长结构和既有涵洞结构容易产生差异沉降，且由于该位置前期工后沉降值较大，表现出不稳定现象，当新旧结合处刚性连接时，容易出现较大的附加应力，进而产生裂缝，因此采用设置接缝的柔性连接，但防水问题突出［13］。

图5 路涵过渡段浆砌片石破损

图6 沉降标沉降-运营时间关系曲线

（3）复合地基施工侧向压力大。新建线帮宽段复合地基选择时，高压旋喷桩既满足施工机械净空要求低、工艺简单、施工周期短等要求，又可达到加固地基的目的，因此选取高压旋喷桩复合地基作为地基处理形式［14-15］。结合高压喷射注浆试验，注浆压力为25 MPa，提升速度约0.2 m/min，结合文献［16-17］提出的喷射压力衰减经验公式，计算可得桩周压力为220 kPa，该压力可通过下部复合地基传递至既有路基过渡段和涵洞，产生变形影响列车运营品质，因此需实时监测，控制既有结构变形合理。

2.2 施工方案

结合涵洞接长技术难点，最终确定弱扰动涵洞接长施工方案：钢板桩防护施工→工字钢支撑安装→既有八字墙凿除→防水施做→涵洞基础施工→涵洞主体施工。

（1）钢板桩防护施工：八字墙外侧采用SP-Ⅳ钢板桩防护，其中钢板桩单根长度6.0 m，顶部内侧设置Ⅰ20a型钢，钢板桩与工字钢采用U型箍连接。

（2）工字钢支撑安装：采用Ⅰ32a型钢对撑既有八字墙身加固既有线路基，其中既有顶板底以下50 cm为支撑上平面，顺接长方向采用连接梁焊接3根工字钢为整体，工字钢与八字墙采用墙内钻眼植筋焊接固定。

（3）既有八字墙凿除：对既有八字墙影响新建涵身部分采用风镐凿除，同时需保证挡块嵌入不破坏墙身。

（4）防水施做：既有八字墙切除后采用环氧树脂砂浆找平，涂刷防水涂料，缝内填塞聚乙烯泡沫塑料板与聚氯乙烯胶泥，涵洞顶部及底部防水采用背贴式橡胶止水带，外层涂刷2道聚氨酯防水涂料，顶层施做3 cm厚C40细石混凝土。

（5）涵洞基础施工：涵洞接长段高压旋喷桩施工顺序示意见图7，高压旋喷桩采用跳桩法相对新旧复合地基交界线由近及远施工，即先顺序施工P1→P3→P5排桩（奇数），等桩体强度不低于设计要求的50%后，施工P2→P4→P6 排桩（偶数），其中不拆除八字墙的基础范围内新建高压旋喷桩不再施做，对于工点1和工点2，分别需施做9排和8排桩。

图7 涵洞接长段高压旋喷桩施工顺序示意图

（6）涵洞主体施工：主要包含底板、侧板、顶板和八字墙浇筑4个阶段，期间进行钢筋工程施工和模板安装。

3 监测结果

3.1 弱扰动防护方案实施阶段变形

各工点物位计变形随防护方案实施时间关系曲线见图8，其中工点1 既有上行线八字墙凿除施工处施工完成后，分析可知：当上行线和下行线钢板桩施工时，物位计变形均随实施时间而增加；当工字钢支撑安装时，物位计变形均减小，其中涵洞上侧物位计变形为0.139～0.264 mm，而涵洞过渡段位置物位计变形较小（<0.1 mm）；当既有八字墙凿除时，对本侧物位计变形影响较大，且涵洞上侧物位计变形呈减小趋势，而过渡段位置物位计变形呈增大趋势；对于工点1和工点2，物位计W1-W4变形均出现在钢板桩施工阶段，分别为0.085、0.145、0.364、0.371、0.136、0.197、0.424、0.481 mm，表明弱扰动防护方案实施对既有线的影响较小。

上述数据变化是复合作用的结果，在钢板桩施工时，对既有路基本体结构会产生侧向力，且在高密实度粗颗粒路基填料中，该现象更明显，而在既有八字墙凿除时起到约束既有路基侧向变形的作用［18］；工字钢支撑结构自质量直接作用至涵洞结构，对涵洞结构竖向变形影响较大，同时后期可提高涵洞结构的抗变形能力；既有八字墙部分凿除既降低了自质量又降低了对既有线路基的约束作用。

3.2 涵洞接长结构施工阶段变形

工点1物位计变形随各阶段施工时间关系曲线见图9，其中上行侧复合地基处理时间为2021年6月15—18日，下行侧复合地基处理时间为2021年7月20—24日，分析可知：当上行侧复合地基处理时，上行侧物位计W-2和W-3变形随每日地基处理施工和间歇呈先增加后减小，且涵洞顶部W-2变形随复合地基处理时间整体而增加，而过渡段位置W-3仅在P1和P3排桩施工时，变形较明显，而后呈下降趋势，上行侧复合地基施工完成后，W-2和W-3 的隆起变形分别为0.597、0.317 mm，而下行侧物位计W-1和W-4变形较小；当上行侧涵洞接长结构施工时，上行侧物位计W-2和W-3变形在底板、侧板、顶板和八字墙浇筑阶段均发生突降，对于W-2，各阶段对应的变形值分别为-0.105、-0.924、-1.618、-2.186 mm，对于W-3，各阶段对应的变形值分别为-0.069、-0.304、-0.499、-0.714 mm，而对于下行侧物位计W-1 和W-4变形值均较小；当下行侧复合地基施工时，下行侧物位计W-1 和W-4 呈与上行侧复合地基施工时物位计W-2和W-3 相似规律，均表现为涵洞上侧物位计隆起变形大，过渡段隆起变形小的规律，当下行侧涵洞接长结构施工时，上行侧物位计变形随各阶段施工发生突降；至涵洞接长结构施工完成，W-1 至W-4 变形值分别为-3.092、-2.451、-0.859、-1.184 mm，由于两侧复合地基处理区、涵洞接长结构区别和施工时间不同，导致涵洞上侧（W-1、W-2）和过渡段位置（W-3、W-4）两侧物位计变形值出现差异，且最大差异值均出现在下行侧复合地基处理结束，最大差异值分别为2.873、0.706 mm。

图9 物位计变形随各阶段施工时间关系曲线（工点1）

为降低涵洞上侧和过渡段位置两侧变形值的差异对既有线轨道水平值的影响，工点2涵洞接长结构施工采用横向对称施工，工点1 和工点2 过渡段填筑均采用纵向和横向对称施工（见图10）。

图10 对称施工

对于工点2物位计变形随各阶段施工时间关系曲线见图11，分析可知：涵洞上侧物位计W-1 和W-2 变形均随复合地基施工波动，整体呈上升趋势，至复合地基施工完成，变形值分别为0.676、0.877 mm；过渡段位置物位计W-3 和W-4 变形随复合地基施工先增加而后降低；复合地基施工后期，靠近下行侧过渡段位置由于物料堆积，对于涵洞上侧和过渡段位置，下行侧物位计变形值均低于上行侧；当涵洞接长结构施工时，W-1至W-4变形值均随底板、侧板、顶板和八字墙浇筑突降式减小，至涵洞接长结构施工完成，W-1至W-4变形值分别为-2.636、-3.009、-1.109、-1.310 mm，且W-1和W-2变形值明显高于W-3和W-4；涵洞上侧和过渡段位置最大差异值分别为0.373、0.201 mm，结合图9对比分析，对于涵洞接长段施工，采用横向对称施工可明显降低涵洞上侧和过渡段位置两侧变形值的差异对既有线轨道水平值的影响。

图11 物位计变形随各阶段施工时间关系曲线（工点2）

3.3 过渡段填筑阶段沉降

对于工点1 和工点2，物位计沉降-填筑-时间曲线关系见图12，分析可知：随着填筑高度增加，各工点物位计沉降值均非线性增加，且各填筑阶段过渡段位置沉降变化值均高于涵洞上侧，涵洞上侧与过渡段位置沉降差值先减小而后逐渐增大，工点1 和工点2 最大沉降差值分别为6.436、6.954 mm，由于上行线和下行线中心位置距离道砟坡脚约2.7 m，实测工点1和工点2上行线和下行线轨道前后高低值分别为0.8 mm/（10 m）、1.1 mm/（10 m）和1.1 mm/（10 m）、1.2 mm/（10 m），均低于控制值（3 mm/（10 m））；对于工点1，至过渡段填筑完成W-1 至W-4 沉降值分别为7.584、6.349、12.635、14.020 mm；对于工点2，至过渡段填筑完成W-1 至W-4沉降值分别为12.593、14.125、20.528、19.547 mm，均满足工后沉降值要求（≤5 cm）。

图12 物位计沉降-填筑-时间曲线关系

分析上述现象产生原因：假定各层为均布荷载（P）（见图13），随着新建线过渡段逐层填筑升高，同时由于过渡段纵向长度随高度增加逐渐增长，其对既有路基影响范围逐层增大，过渡段位置物位计沉降值随填筑高度增加而非线性增加；过渡段填筑层对涵洞结构的影响可分为侧部区域和上部区域，其中对于侧部区域，通过涵洞侧壁和下部复合地基影响涵洞结构，对于上部区域，对涵洞结构产生的竖向应力与填土高度和涵洞宽度之比相关［19］；随着新建路基横向宽度的增加影响范围亦逐渐增大，则出现对于工点1下行侧过渡段填筑影响大于上行侧的现象。

图13 填筑阶段各层均布荷载附加应力等值线示意图

4 结论

以黄土地区铁路帮宽段涵洞接长实际工程为背景，针对涵洞接长技术难点，优化施工方案，基于各阶段监测数据，研究涵洞接长方案的适宜性及各阶段施工对既有线的影响，得到如下结论：

（1）结合黄土地区涵洞接长技术难点，确定弱扰动涵洞接长施工方案：钢板桩防护施工→工字钢支撑安装→既有八字墙凿除→防水施做→涵洞基础施工（跳桩法）→涵洞主体施工，结果表明弱扰动防护方案对既有线的影响较小（<0.5 mm）。

（2）采用涵洞接长结构横向对称施工可明显降低既有线两侧变形值的差异对既有线轨道水平值的影响，涵洞上侧和过渡段位置最大差异值分别从2.873、0.706 mm（工点1）降低至0.373、0.201 mm（工点2）。

（3）随复合地基施工，本侧涵洞上侧变形呈波动上升趋势，过渡段位置变形先增加而后降低；当涵洞接长结构施工时，本侧涵洞上侧变形值随涵洞接长结构各阶段浇筑突降式减小，且明显高于过渡段位置。

（4）路涵过渡段填筑阶段，各工点物位计沉降值均随填筑高度的增加而非线性增加，且各填筑阶段过渡段位置沉降变化值均高于涵洞上侧；至过渡段填筑完成，两工点产生的最大轨道前后高低值分别为1.1 mm/（10 m）和1.2 mm/（10 m），最大沉降值分别为14.020 mm 和20.528 mm，均满足前后高低值（3 mm/（10 m））和工后沉降值（≤5 cm）控制要求。