下穿鐵路框構橋頂進工程中有關線路加固問題的探討

□文/鄭 偉 司軍平

下穿鐵路框構橋頂進工程中有關線路加固問題的探討

□文/鄭 偉 司軍平

文中通過天津軍糧城三號路下穿鐵路地道橋頂進工程的實踐，針對既有鐵路線路加固、開挖掌子面土體加固、影響加固效果的重點影響因素等方面進行詳細探討。

框構橋頂進；掌子面加固；下穿鐵路；

隨著天津城市基礎設施建設的逐漸完善，溝通既有鐵路兩側道路交通，帶動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的需求與日俱增，市政地道與既有鐵路線路的立交工程頻繁出現(xiàn)，采用框構橋頂進工藝因其拆遷占地少、適宜周邊城市景觀風格等優(yōu)點被廣泛應用。隨著重載、高速鐵路的快速建設和發(fā)展，框構橋頂進過程中保障既有線路安全運營的線路加固問題變得至關重要。

工程概況

工程簡介

軍糧城三號路位于天津市東麗區(qū)，比鄰濱海新區(qū)，為規(guī)劃軍糧城示范鎮(zhèn)道路，跨越海河，是海河中游地區(qū)南北向交通的主要干道，該道路由南向北依次穿越既有津山鐵路、在建津秦客專、在建京津城際延長線等多條鐵路干線，需與在建高鐵線路同期完成，以實現(xiàn)對高速鐵路修建影響最小并實現(xiàn)與市政道路立交的效果。

軍糧城三號路規(guī)劃為城市主干路，正常路段紅線寬40 m，規(guī)劃橫斷面為5 m（人行與非機動車道）＋1.5 m（綠化帶）＋12 m（車行道）＋3 m（中央分隔帶）＋12 m（車行道＋1.5 m（綠化帶）＋5 m（人行與非機動車道）。見圖1。

現(xiàn)狀鐵路兩側地勢平坦，基本為城鎮(zhèn)村落用地、廠礦用地、農(nóng)耕地及部分魚塘溝渠，無現(xiàn)狀交通。

水文地質

項目地處華北平原東北部，海河流域下游，地勢平坦低洼，地下水位較高。該區(qū)域土質主要系海水與河流沖積而成，歷史上經(jīng)黃河淤積成陸地，地勢平坦而低洼，土質鹽堿。從起點至終點其松散土類的壓縮性由中壓縮性、中－高壓縮性向高壓縮性過渡。地層按時代、成因和工程地質性質綜合分析，可劃分如下。

（1）人工填土層。該層在工程沿線普遍分布，主要為雜填土、素填土，由于受到地形及人工活動影響厚度差別較大，大致厚度在0.40～6.7 m不等。

a雜填土。雜色，粘性土夾灰渣、磚塊等,厚1.50～3.20 m。

b素填土。黃褐色～灰褐色，軟～松散狀態(tài)，亞粘土與粘土為主，結構亂，部分地段少夾灰渣等。

（2）新近沉積土層。亞粘土。黃褐色，飽和，可塑偏軟，土質均勻，局部地段少量銹染。該層厚度約為0.50～3.60 m，底板標高為 -1.71～1.64 m。

（3）第Ⅰ海相沉積土層。該層以軟土、亞粘土為主，局部少夾亞砂土，該層在沿線分布厚度較大，約為14.0～19.0 m，根據(jù)土質情況大致可分為兩個亞層。

a軟土?；疑柡?，軟～流塑狀態(tài)，砂粘交互，含少量貝殼。該層以淤泥質土為主，局部夾淤泥及亞粘土層，屬高壓縮性土。該層在水平方向上厚度變化較大，約為2.0～12.70 m，底板標高為-4.03～-13.76 m。

b亞粘土?；疑?，飽和，軟塑狀態(tài)，土質均勻，含云母、貝殼，局部少含有機質。該層厚度約為1.0～15.50 m，底板標高為 -10.88～-17.10 m。

（4）第Ⅱ陸相層亞粘土呈淺灰色～灰黃色，飽和，可塑偏軟，土質均勻，少銹染。該層厚度約為3.10～12.0 m，底板標高為 -17.75～-22.88 m。

（5）第Ⅲ陸相沖積土層

a亞粘土。黃褐色，飽和，可塑狀態(tài)，土質均勻，具銹染。該層厚度約為3.90～7.80 m。

b粉砂。黃褐色，飽和，密實狀態(tài)，土質均勻，具繡染。

設計加固方案及實施效果

線路加固方案

采用“縱挑橫抬”的縱橫梁加固體系。

（1）吊軌。采用3-5-3制，鋼軌接頭需錯開1.0 m以上，伸出框構邊墻以外的長度滿足要求，吊軌與枕木用φ20 mmU型螺栓連接，鋼軌采用50 kg/m標準軌。

（2）橫梁。采用45b工字鋼，鋪設間距0.90 m，接頭錯開1.5 m，橫梁伸出鐵路右線中心線以外9 m。

（3）縱梁。采用45b工字鋼，3根一組，接頭錯開1.5 m以上，縱梁與橫梁用φ20 mmU型螺栓連接，縱梁兩端支撐于枕木垛上。

（4）支撐樁。為增大縱梁的剛度，頂進前端沿鐵路方向設置支撐樁，支撐樁采用直徑1.0 m鉆孔樁，樁間距4.0 m，樁長8.0 m。樁中心距離線路中心4.5 m。

（5）抗移樁。為避免頂進過程中鐵路軌道變形，防止頂進挖土造成頂進前端土體坍塌，頂進前端鐵路左線中心線外11.9 m處平行于鐵路需設置抗移樁，采用直徑1.0 m直徑的鉆孔樁，樁間距4.0 m，樁長16.0 m。

（6）路基防護樁。為避免頂進作業(yè)及工作坑開挖對既有線運營安全造成隱患，在框構擬就位的四角設置路基防護樁，防護樁采用直徑1.0 m鉆孔樁，與鐵路成20°夾角布置。順框構頂進方向的防護樁采用直徑1.2 m鉆孔樁，樁長16.0 m。

土體加固方案

（1）框構邊墻兩側5 m范圍。為了防止頂進過程中開挖面兩側土體坍塌，頂進作業(yè)前需對框構頂進及就位區(qū)間邊墻兩側各5 m范圍以內的土體進行加固，采用雙液注漿的方式，斜向鉆孔至鐵路線路下方插入花管，進行輻射注漿，梅花形布孔，間距1.0 m。固化深度為鐵路路肩以下3.0 m至框構底板底下9.0 m。

（2）開挖掌子面（頂進正前方）

a水泥攪拌樁。線路影響范圍外采用水泥攪拌樁垂直加固，加固深度17 m，樁底達到不透水層，起到封閉基坑，截斷外部水源目的的同時，確保初始開挖的路基邊坡土體具備一定的強度。水泥攪拌樁直徑為60 cm，采用普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶0.5，水泥摻量為20%。

b雙液注漿。線路正下方的加固深度及工藝同框構邊墻外的加固方法一致，采用斜向鉆孔，雙液注漿的方法，布孔間距1.0 m。加固深度線路3 m以下至框構底板下9.0 m范圍。

雙液加固是在不改變土層組織的情況下，將三相結合體土層顆粒間的游離水擠出，使其間充滿漿液，達到改良土層性質的目的，改善土層的抗剪強度指標。注漿壓力控制在0.5 MPa，擴散半徑按照0.5 m考慮。設計提出的注漿后的土體基本承載力指標為174.4 kPa。

實施效果

（1）水泥攪拌樁加固效果檢驗。經(jīng)過基坑開挖，坑內的水泥攪拌樁加固效果較好，具備一定的強度，起到加固土體的作用；頂進前方路基坡面的水泥攪拌樁強度達到設計要求。

（2）雙液注漿加固效果檢驗。注漿加固后地基承載力提高不明顯。經(jīng)過現(xiàn)場多處靜力觸探檢測，地基強度一般在100～110 kPa之間，均值不足120 kPa，距離設計提出的加固后地基承載力指標174.4 kPa的差距較大。

加固效果因土層性質不同而效果迥然。掌子面開挖實際情況充分證明了雙液注漿離散型很強的特點，設計布孔距離1.0 m，有效加固半徑0.5 m，實際開挖后發(fā)現(xiàn)效果不明顯。由于在掌子面前方土體具有鮮明的層次，由上至下分別為雜填土、粉質粘土、淤泥質粉土、粉砂土，明顯可見加固效果的土層為粉砂土層，其次是粉質粘土層加固半徑不足0.2 m，而在淤泥質粉土中基本不見加固痕跡。由此可見掌子面加固的效果并未達到預期。

相關問題的探討

影響加固效果的因素

通過本工程加固效果的實踐檢驗，可以看出注漿工藝、土層性質是影響掌子面加固效果的重要因素。

本工程采用劈裂注漿的工藝進行注漿施工，注漿壓力在不同土層中的適用性受到了限制且采用插入花管注漿的工藝并未像設計預期的那樣完全都擠出土體中的游離水，而置換成漿液。因此在確定工藝參數(shù)的時候還需針對不同土質情況進行轉換，在今后的實踐中可以參照工程中做試樁的方法，就近試驗不同土層采用不同的注漿壓力，通過試驗分析后再確定最佳的工藝參數(shù)。

由于不同土層的滲透性不一致，尤其個別土層的滲透系數(shù)較低是造成注漿效果不明顯的關鍵因素。本工程中淤泥質粉土的的滲透系數(shù)低于10-2cm/s，這類土層飽和度較高，無法達到劈裂注漿的預期效果。

另外，本工程未系統(tǒng)的對土體的孔隙率、注漿流量、飽和土的注漿填充率等指標進行更深入地分析也是造成注漿效果不佳的重要原因。

綜合加固措施的重要性

首先采用3-5-3制“縱挑橫抬”的縱橫梁加固體系將下穿段既有線線路托起；其次對框構邊墻兩側5 m范圍進行注漿加固以及實施路基防護樁，以上措施消除或大大減小了豎向荷載和側向土體壓力。通過本次工程實踐表明，降水固結是土體加固順利頂進的重要因素。

雖然本次掌子面的注漿加固并未達到預期，但在頂進開挖過程中未發(fā)生開挖面土體沿圓弧滑動面失穩(wěn)的情況。這說明降水固結的作用至關重要。由于在框構預制前，框構基坑及坑外均設置了大口井降水，地下水位保持在框構底板以下0.5 m，這樣由于降水原因使得基坑周圍一定范圍及基坑內的水位基本持平，滲流力得到最大程度的降低，坡面失穩(wěn)的風險大大降低。另外由于降水范圍內的土體中含水量顯著減少，其重度由浮重度提高到飽和重度，這部分土層在增加自重應力作用下逐漸固結，土體抗剪強度相應增加。降水固結效果最明顯的粘土層及砂層在本工程的開挖面穩(wěn)定中起到一定作用。

在今后的工程實踐中應充分重視降水效果的保證，降低工程風險。

加固效果改進方式的探討

（1）改進劈裂注漿工藝。采用軟土分層注漿SRF工法，該工法是上海隧道股份有限公司的成熟劈裂注漿工藝，這種方法采用塑料注漿閥管和注漿芯管相結合的方式達到分層劈裂的目的，通過注漿芯管和預埋入土體的單向密封塑料閥管將漿液注入土體，漿液在壓力的作用下將土體劈開，隨著注漿芯管的不斷提升，在土體中形成脈狀注漿體，若土體存在裂縫、孔洞或土質疏松的情況下，還有填充、壓密和加固土體的作用，可用于提高地基土的強度和變形模量、防滲堵漏、控制地層沉降、進行托換等，在處理軟土地層中廣泛應用。

（2）采用玻璃纖維注漿錨桿技術。框構下穿既有線實際上相當于在框構護頂下采用非爆破法施工的暗挖淺埋隧道掘進，而在此施工領域，國內外采用非爆破開挖法施工加固掌子面有成熟的成功經(jīng)驗可以借鑒。

根據(jù)國外的研究表明，地下工程掌子面擠出變形是隧道開挖后產(chǎn)生變形反應的主要表現(xiàn)形式（尤其對于淺埋段及地質不良段），其主要發(fā)生在超前核心土內。擠出變形的大小取決于超前核心土的強度、變形特性及其所處的原始應力場，擠出變形發(fā)生在隧道掌子面的表面，沿隧道水平軸方向發(fā)展，其幾何形狀大概呈軸對稱（掌子面鼓出）或在掌子面形成螺旋狀突出。所以，掌子面預加固著重強調加固工作面以及工作面前方核心圍巖的重要性并認為工作面及前方核心圍巖的失穩(wěn)是地下工程的塌方、失穩(wěn)的誘導原因。反之，如果保證了掌子面圍巖的穩(wěn)定，相應也就可避免出現(xiàn)地下工程坍塌、失穩(wěn)等現(xiàn)象。

因此，掌子面預加固核心主要是關注工作面前方圍巖的穩(wěn)定，控制掌子面的擠出變形（即縱向位移），對掌子面開挖前，通過在拱部打設超前管棚、掌子面打設可切割的錨桿，以穩(wěn)定開挖面的土體，并以此為基礎對施工方法進行選擇，調整支護參數(shù)。

國內報道在武漢至廣州的高速鐵路建設中某單位在下穿瀏陽河隧道施工中通過采用掌子面預加固法，采用全斷面或半斷面開挖，提高機械化作業(yè)程度，安全順利地下穿了瀏陽河。

該工程為淺埋、大斷面、風險較高的穿越水底及敏感建筑物的隧道，設計施工采用玻璃纖維錨桿注漿預加固掌子面以后，采用非爆破開挖法實現(xiàn)全斷面或半斷面開挖，機械化程度高，摒棄了復雜的分部工法。見圖2。

在框構橋頂進過程中，采用此種加固方式，預制框構本身向開挖面方向的頂進，相當于在暗挖隧道作業(yè)中及時跟進了二次襯砌，施工安全得到更大程度地保障。

結語

根據(jù)類似工程的加固效果分析，結合本工程的具體施工實例不難看出，既有線路加固嚴格按照“降水固結—線路加固—線路防護—掌子面及框構兩側土體改良加固—開挖掘進”的工序進行實施，尤其加強掌子面加固效果工藝改進，可有效降低既有線路的安全風險。

［1］龔曉南.地基處理新技術[M].西安：陜西科學技術出版社，1997.

［2］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[M].合肥：安徽教育出版社，2004.

□司軍平/天津市地下鐵道集團有限公司。

U445.4

C

1008-3197（2010）05-32-03

2010-07-22

鄭 偉/男，1980年出生，工程師，工學學士，天津鐵路投資控股（集團）有限公司，從事鐵路工程技術管理工作。