既有鐵路頂進(jìn)立交架空區(qū)地下巷道處理

田英杰

（中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司武漢工程建設(shè)指揮部，湖北武漢 430023）

0 引言

2019年3月28日，施工單位按照編制審批的施工方案和當(dāng)日施工計(jì)劃，進(jìn)行既有鐵路頂進(jìn)立交支點(diǎn)樁作業(yè)，當(dāng)支點(diǎn)樁P4E開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高26.08 m，發(fā)現(xiàn)樁底不斷有地下水涌出，抽水后繼續(xù)向下探挖1 m，P4E樁底出現(xiàn)深約3 m、走向不明的巷道，且P4D、P4E兩樁底部互通，遂暫停施工。據(jù)作業(yè)人員匯報(bào)，P3E、P5D樁開(kāi)挖時(shí)，發(fā)現(xiàn)老舊木質(zhì)結(jié)構(gòu)；P5C樁開(kāi)挖時(shí)，樁壁出現(xiàn)老舊磚墻。中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司工程建設(shè)指揮部（簡(jiǎn)稱(chēng)指揮部）走訪附近居民，了解到該區(qū)域?yàn)槟甏眠h(yuǎn)采礦區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況初步判斷，線路下方可能存在多條、多層采礦巷道及豎井，樁底地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)不符。為確保施工和行車(chē)安全，指揮部多次組織設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位和業(yè)內(nèi)專(zhuān)家研討論證，進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)充勘察，確定了可行的變更設(shè)計(jì)及施工方案。

1 概況

1.1 設(shè)計(jì)方案

棋盤(pán)洲長(zhǎng)江公路大橋連接線陽(yáng)新至大冶段下穿武九鐵路立交工程，在武九鐵路黃石至大箕鋪K122+814.6相交，與鐵路交角59°，鐵路曲線半徑2 800 m，曲線超高115 mm，線間距4.6 m，為雙線電氣化無(wú)縫線路，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km。線路與框架平面示意見(jiàn)圖1。

設(shè)計(jì)主體采用2-14.0 m整體式箱形框架橋，箱橋內(nèi)道路為雙向四車(chē)道，箱橋主體為斜交斜做。箱橋頂板至鐵路軌底不小于1.2 m。單孔結(jié)構(gòu)凈寬14.0 m、凈高8.3 m、凈空6.9 m，箱橋頂板厚1.10 m、底板厚1.15 m、邊墻厚1.20 m，沿鐵路線方向全寬34.64 m，沿公路線方向全長(zhǎng)21.00 m。框架采用C35混凝土，預(yù)制頂進(jìn)法施工［1-3］?？蚣芰⒚媸疽庖?jiàn)圖2。

圖1 線路與框架平面圖

圖2 框架立面示意圖

1.2 地質(zhì)水文

橋址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低山地形，經(jīng)長(zhǎng)期剝蝕切割，外貌呈起伏地形。山勢(shì)平緩，自然坡度10°～15°，切割深度約40 m，相對(duì)高差較小。植被較發(fā)育，灌木為主。

橋址區(qū)位于太子廟臺(tái)褶束，未見(jiàn)明顯斷裂痕跡，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。出露地層主要為燕山期中酸性侵入巖陽(yáng)新雜巖體（Qδ52-1）地層及局部第四系沖積物（Q4ai），按地層的地質(zhì)年代、形成機(jī)制及其物理力學(xué)性質(zhì)，自地表往下各地層主要特征分述如下：①-1填土：褐灰色，松散，含少量碎石；①-2粉質(zhì)黏土：褐灰-褐紅色，可塑狀，稍濕，含少量鐵錳氧化物，局部夾強(qiáng)風(fēng)化花崗巖塊；②-1全風(fēng)化角閃石英閃長(zhǎng)巖：褐灰-青灰色，巖芯呈碎塊狀，手捏呈砂狀，采取率70%；②-2強(qiáng)風(fēng)化角閃石英閃長(zhǎng)巖：青灰色，巖芯呈碎塊狀，采取率50%；②-3中風(fēng)化角閃石英閃長(zhǎng)巖：青灰色，巖芯呈碎塊狀及柱狀，半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，主要礦物成分分為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英、角閃石，采取率50%。地下水：主要為基巖裂隙水及第四系上層滯水。

1.3 原施工方案

框架橋施工采用在公路大冶側(cè)開(kāi)挖預(yù)制基坑，施工頂進(jìn)后背墻和預(yù)制箱橋。采用5孔16 m 100型工字鋼架空線路，最大跨度10 m，頂進(jìn)箱橋下橫穿3組3片1束的60型工字鋼作為橫抬梁，箱頂設(shè)置槽鋼滑道。兩線間共用1片縱梁，4.94 m鋼枕，支點(diǎn)為人工圓形挖孔樁φ1.5 m和φ1.8 m，深度16 m。箱橋頂進(jìn)采用支點(diǎn)轉(zhuǎn)換，邊頂進(jìn)邊拆除P3、P4、P5排支點(diǎn)樁，箱橋就位，最后拆除P3E、P4E、P5E 3個(gè)阻力樁［4-5］。原架空立面和平面示意見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 原架空立面示意圖

圖4 原架空平面示意圖

1.4 施工情況

發(fā)現(xiàn)P4D、P4E樁底孔洞時(shí)，框架主體已預(yù)制完成。線路外側(cè)P3E、P3D、P4E、P4D、P5E、P5D等6根樁已按設(shè)計(jì)標(biāo)高開(kāi)挖成型，未澆筑混凝土，其他樁及頂帽均已完成澆筑。

2 補(bǔ)充地質(zhì)勘探

為查明橋址采空區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，2019年4月19日—5月8日，湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)湖北省交規(guī)院）地勘部門(mén)采用鉆探、物探等方法，沿既有鐵路兩側(cè)布設(shè)鉆探孔10個(gè)、物探CT測(cè)線17對(duì)，對(duì)鐵路架空區(qū)域進(jìn)行勘察，初步推斷P1—P3樁底無(wú)孔洞，P4—P7樁底情況不明。

5月29日，由湖北省交通投資集團(tuán)有限公司組織召開(kāi)工程勘察方案咨詢(xún)專(zhuān)家會(huì)，確定按實(shí)際需要增加斜孔補(bǔ)充鉆探，利用已施工完成的16 m支點(diǎn)樁作為臨時(shí)支點(diǎn)，由施工單位配合，在線路下方開(kāi)槽4 m凈高提供鉆探空間。湖北省交規(guī)院采用100型鉆機(jī)，并定制改裝鉆機(jī)塔架、主動(dòng)鉆桿及鉆桿，滿足線下最小操作空間要求，以1樁1孔對(duì)樁底情況進(jìn)行鉆探，地質(zhì)勘察結(jié)果顯示：P3E、P3D、P5E、P5D、P3A、P3B、P3C、P2C樁底均無(wú)空洞；P4E、P4D已知空洞下方無(wú)第2層空洞；P5E、P5D有巷道坍塌形成的填充物。

7月9日，在對(duì)勘察結(jié)果顯示無(wú)空洞的P3E樁灌注時(shí)，水泥漿從P3E樁底流入P4E樁洞內(nèi)，經(jīng)綜合分析，P3E樁底有未探明空洞，采空巷道不規(guī)則，建議對(duì)P5B、P5C補(bǔ)強(qiáng)。

8月2—8日，對(duì)擬采用的補(bǔ)強(qiáng)樁基P8A、P8D、P8E、P9A、P9D、P9E等6根樁進(jìn)行鉆探，探明支點(diǎn)樁樁底至基巖面以下5倍樁徑深度地質(zhì)情況，鉆探深度最大34 m，樁底未發(fā)現(xiàn)巷道、孔洞。

綜合3個(gè)批次地質(zhì)勘察情況判斷，采空巷道大致由P3E沿線路東側(cè)至P5C，穿過(guò)鐵路分2支至P6A，深度位于樁頂下6.40～26.85 m，呈不規(guī)則布置，需對(duì)支點(diǎn)樁和架空體系進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。采空巷道地質(zhì)勘察示意見(jiàn)圖5。

3 地下巷道處理

3.1 方案研究

方案Ⅰ：對(duì)地下巷道進(jìn)行人工探查和封堵：（1）對(duì)P4E、P4D樁孔和西南側(cè)巷道入口進(jìn)行抽水；（2）利用P4E、P4D樁孔和附近巷道進(jìn)口，進(jìn)行人工探查；（3）對(duì)鐵路架空下方的巷道進(jìn)行人工封堵；（4）用低標(biāo)號(hào)或輕質(zhì)混凝土對(duì)巷道進(jìn)行填充。方案Ⅰ預(yù)估時(shí)間1～2個(gè)月，費(fèi)用約100萬(wàn)元。

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)地下采空區(qū)的探查和處理最徹底；能完全保證鐵路架空體系安全和高速公路下穿鐵路立交橋運(yùn)營(yíng)安全；所用時(shí)間和費(fèi)用較少［6-7］。

缺點(diǎn)：因地下巷道年代久遠(yuǎn)，前期鉆探顯示巷道局部有填充，懷疑巷道內(nèi)有穿孔或坍塌現(xiàn)象，不能完全保證施工人員的人身安全。

圖5 采空巷道地質(zhì)勘察示意圖

方案Ⅱ：廢棄目前支點(diǎn)樁，重做支點(diǎn)樁。在架空范圍P1—P7排，增加6排共26根支點(diǎn)樁，支點(diǎn)樁采用φ1.5 m直徑鉆孔樁，位于已灌注支點(diǎn)樁的中間，架空跨度不變。設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)不小于16 m，根據(jù)地勘資料，樁底穿過(guò)巷道底部不小于1.5 m。鉆孔樁采用特殊的改裝鉆機(jī)，利用原設(shè)計(jì)挖孔樁作為臨時(shí)支點(diǎn)，開(kāi)槽5 m進(jìn)行施工，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)槽情況和位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)槽方案安全可行。新架空體系完成后，對(duì)既有巷道采用鉆孔注漿方式填充，保證箱橋基礎(chǔ)安全。方案Ⅱ架空立面示意見(jiàn)圖6（a）。

優(yōu)點(diǎn)：不需對(duì)地下采空區(qū)探明和預(yù)處理，能完全保證鐵路架空體系安全；鉆孔樁施工不受16 m樁長(zhǎng)限制；穿過(guò)地下巷道易于處理，安全風(fēng)險(xiǎn)較低。

缺點(diǎn)：需重做鉆孔樁，費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，費(fèi)用較高；根據(jù)地質(zhì)資料顯示，鐵路下方除表層為4～6 m厚的路基填土，其余均為全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化角閃石英閃長(zhǎng)巖，不太適合改裝鉆機(jī)的施工。

圖6 架空立面示意圖

方案Ⅲ：加樁，同時(shí)減小架空跨度。在箱橋頂進(jìn)范圍P2—P6排，增加4排共20根支點(diǎn)樁，支點(diǎn)樁采用φ1.5 m直徑挖孔樁，位于已灌注支點(diǎn)樁的中間，與原有支點(diǎn)樁共同受力，將原跨度10 m的架空體系改為5 m，可減少近一半的樁頂荷載。樁長(zhǎng)根據(jù)地勘資料中巷道情況確定，支點(diǎn)樁可采取多種措施穿過(guò)采空區(qū)，樁的承載能力能夠保證。建議施工前在樁位中心處進(jìn)行鉆探，將鉆探結(jié)果提供給施工單位參考。新架空體系完成后，對(duì)既有巷道采用鉆孔注漿方式填充，保證箱橋基礎(chǔ)安全。方案Ⅲ架空立面示意見(jiàn)圖6（b）。

優(yōu)點(diǎn)：不需對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行鉆探和預(yù)處理，能完全保證鐵路架空體系安全。

缺點(diǎn)：需重做挖孔樁，費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，費(fèi)用較高；在挖孔樁施工遇巷道時(shí)，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

方案Ⅳ：鐵路臨時(shí)改線。將本段鐵路線路臨時(shí)改線，改線線路最大半徑為300 m，箱橋處與原線路線間距為15 m。既有線路中斷，大開(kāi)挖處理地基，然后現(xiàn)澆箱橋，再將線路改回。線路改線方案平面示意見(jiàn)圖7。

優(yōu)點(diǎn)：規(guī)避了架空風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)地下采空區(qū)的處理最徹底、最安全，能完全保證鐵路和公路下穿立交橋的運(yùn)營(yíng)安全。

缺點(diǎn)：費(fèi)時(shí)最長(zhǎng)、費(fèi)用最高，存在大量征地拆遷。

3.2 方案比選

圖7 線路改線方案平面示意圖

本次立交頂進(jìn)涵施工方案研究論證，重點(diǎn)研究在減小對(duì)運(yùn)輸干擾的前提下，確保施工、行車(chē)和后期運(yùn)營(yíng)安全［8-9］。因此，首要考慮的是架空體系的安全穩(wěn)定性以及框架頂進(jìn)到位后的運(yùn)營(yíng)安全，其次是經(jīng)濟(jì)效益比選，并且要加快既有線施工進(jìn)度，降低風(fēng)險(xiǎn)，保證工期。結(jié)合上述幾種方案，同時(shí)考慮施工工藝、施工環(huán)境、工程地質(zhì)、施工機(jī)械等，綜合考慮進(jìn)行比選后選定方案Ⅴ（見(jiàn)表1）。

3.3 方案Ⅴ

為確?？蚣軜蝽斶M(jìn)施工順利及武九線運(yùn)營(yíng)安全，建設(shè)單位組織勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等單位專(zhuān)家對(duì)棋盤(pán)洲下穿武九鐵路立交線路下方采礦巷道處理方案進(jìn)行論證，充分聽(tīng)取鐵路局集團(tuán)公司有關(guān)部門(mén)和設(shè)備管理單位的意見(jiàn)，確定在方案Ⅱ、Ⅲ基礎(chǔ)上結(jié)合施工單位編制的方案進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)原有架空體系予以補(bǔ)強(qiáng)。在P5軸兩側(cè)5 m處新增2排3根鉆孔樁作為架空支點(diǎn)樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)需穿過(guò)采空區(qū)深入巖層。支點(diǎn)樁布置在線路外側(cè)，穿設(shè)大橫抬梁，減少對(duì)線路的干擾［10］。目前，架空區(qū)存在不利地質(zhì)條件，根據(jù)已鉆探35個(gè)鉆孔的情況，合理選擇孔洞注漿，填充空洞。

表1 施工方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選結(jié)果

3.3.1 巷道預(yù)注漿處理

地勘資料顯示：P5C-1鉆孔處在高程21.9～19.9 m有雜物和填充物，P5C-2鉆孔處在高程21.18～19.28 m有空洞，P3E-2鉆孔處在高程31.76～30.16 m有填充物，對(duì)此區(qū)域采用低壓注漿處理。

注漿孔口壓力控制在0.2～0.6 MPa，具體壓力值和漿液配合比由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。單孔注漿量按50 m3控制，超過(guò)50 m3仍未見(jiàn)壓力超標(biāo)或返漿，應(yīng)停止注漿，通知地勘單位和設(shè)計(jì)單位處理。

3.3.2 采用大橫梁對(duì)架空體系進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)

（1）對(duì)原設(shè)計(jì)未設(shè)置橫抬梁的架空P2、P6排支點(diǎn)樁，每處增加4根30型工字鋼橫抬梁以增加橫向聯(lián)系，改善架空支點(diǎn)樁的受力。

（2）在P4—P5排樁、P5—P6排樁各增加3根φ1.8 m鉆孔樁支點(diǎn)樁，增加P8、P9大橫抬梁，每處大橫抬梁各采用4根16 m的I100型工字鋼組裝而成，工字鋼之間采用螺栓連接，中間用硬木填塞，對(duì)架空支點(diǎn)樁樁底發(fā)現(xiàn)有采空區(qū)的架空體系進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)（見(jiàn)圖8）。根據(jù)地勘資料，新增P8、P9支點(diǎn)樁樁長(zhǎng)見(jiàn)表2。

（3）樁基施工宜在巷道預(yù)注漿完成后實(shí)施，在線路外側(cè)開(kāi)挖施工平臺(tái)，平臺(tái)高程距離鐵路軌底不大于5.2 m。施工單位應(yīng)嚴(yán)格控制樁基施工設(shè)備與鐵路限界、鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備的安全距離。

表2 新增P8、P9支點(diǎn)樁樁長(zhǎng) m

（4）根據(jù)地質(zhì)探明情況，鉆孔樁采用沖擊鉆施工。

（5）樁基施工前，在樁位處進(jìn)行地質(zhì)超前鉆，施工單位根據(jù)地質(zhì)超前鉆結(jié)果，調(diào)整樁基施工組織方案。為防止樁基漏漿塌孔，在超前鉆或鄰近鉆孔顯示有地下空洞或巷道的區(qū)域，采取鋼護(hù)筒跟進(jìn)的方式施工，同時(shí)預(yù)備拋填片石等。如發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況與補(bǔ)充地勘資料不符，立即通知勘察設(shè)計(jì)單位處理。

（6）在P4D、P4E樁底巷道打設(shè)φ1.45 m、長(zhǎng)3.5 m鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒穿過(guò)巷道3.0 m，進(jìn)行P4D、P4E樁的澆筑。

圖8 架空補(bǔ)強(qiáng)方案示意圖

4 既有線施工安全措施

4.1 開(kāi)展第三方架空體系監(jiān)測(cè)

指揮部委托有資質(zhì)的第三方監(jiān)測(cè)單位對(duì)完成施工的支點(diǎn)樁、架空梁進(jìn)行24 h動(dòng)態(tài)控制。在立交架空體系27個(gè)支墩 （A1—A7、B1—B7、C1—C7、D1—D3、E1—E3）設(shè)置27個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，架空軌道縱梁每片設(shè)置4個(gè)（共12個(gè)）監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行沉降和位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)采用全自動(dòng)無(wú)人值守在線監(jiān)測(cè)法。在基坑開(kāi)挖、地質(zhì)鉆探、樁基施工、線路架空、頂進(jìn)施工、拆除架空等施工期間，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理和分析，掌握施工過(guò)程中周邊土體穩(wěn)定性的變化規(guī)律，掌握地層和結(jié)構(gòu)體系的狀態(tài)及施工對(duì)既有鐵路的影響，及時(shí)調(diào)整或確定相應(yīng)的施工參數(shù)和施工措施，優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，保證架空體系及線路狀態(tài)絕對(duì)穩(wěn)定。

4.2 加強(qiáng)線路巡視檢查

為確保施工和營(yíng)業(yè)線行車(chē)安全，在發(fā)現(xiàn)框架立交架空區(qū)域線路下方存在地下巷道時(shí)，立即暫停施工，由施工單位對(duì)線路設(shè)備進(jìn)行24 h巡視檢查，實(shí)行趟檢制，并加強(qiáng)對(duì)既有路基的觀察，防止路基下沉影響行車(chē)安全。

4.3 加強(qiáng)施工機(jī)械設(shè)備管理

每日作業(yè)前、作業(yè)中和作業(yè)后，需對(duì)投入使用的機(jī)具做全面檢查。作業(yè)機(jī)具不得侵入鐵路限界，卷?yè)P(yáng)機(jī)高度不得超出軌面15 cm。升降設(shè)備應(yīng)裝有必要的安全裝置，如剎車(chē)、吊鉤防脫器、斷繩保險(xiǎn)器及限位裝置等。

4.4 開(kāi)展架空體系人工測(cè)量復(fù)核

架空支點(diǎn)樁每12 h、架空梁限界每6 h，均需由專(zhuān)人檢查1次。在施工地段線路兩端各50 m內(nèi)，每通過(guò)1趟列車(chē)或每2 h，需檢查線路軌距、水平、高低、方向，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)整治。

4.5 嚴(yán)防觸電傷害

所有施工機(jī)具、人員在非停電點(diǎn)內(nèi)施工時(shí)，需與接觸網(wǎng)帶電設(shè)備保證2 m以上的安全距離。

5 結(jié)束語(yǔ)

既有線框架立交橋頂進(jìn)施工時(shí)遇地下巷道，存在重大施工和運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)，如不及時(shí)處理或處理不到位，將給后期鐵路和公路運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患。通過(guò)本工程地下巷道和架空施工處理方案的研究，經(jīng)過(guò)方案比選和充分論證，架空體系補(bǔ)強(qiáng)方案可行，在減小對(duì)運(yùn)輸干擾的前提下，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較低、費(fèi)用低、工期可控，能夠確保施工和行車(chē)安全，為類(lèi)似施工提供了可行的參考依據(jù)。