綜合管廊頂進(jìn)下穿高鐵橋墩的施工技術(shù)

胡 平

北京京投交通發(fā)展有限公司 北京 102606

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

北京新機(jī)場高速公路地下綜合管廊（南五環(huán)—新機(jī)場）一期工程在過大龍河后下穿京滬高鐵。綜合管廊在京滬高鐵處采用2＋1艙分別下穿高鐵高架橋。

管廊兩艙段（2.0 m電力艙＋2.6 m電力艙）與京滬高鐵交叉處為京滬高鐵下行線K25＋117，交叉角度90°，管廊從京滬高鐵北京特大橋的D521#—D522#墩之間穿過；管廊單艙段（3.9 m水信艙）與京滬高鐵交叉處為京滬高鐵下行線K25＋150，交叉角度90°，綜合管廊從京滬高鐵北京特大橋的D522#—D523#墩之間穿過（圖1、圖2）。

綜合管廊下穿處高架橋墩上采用32.7 m跨預(yù)應(yīng)力簡支箱梁（雙線），頂進(jìn)坑圍護(hù)樁距高鐵橋墩最小距離7.37 m，下穿位置橋下凈高15 m。橋墩采用圓端形實(shí)體橋墩，主墩基礎(chǔ)均采用12根直徑1.0 m的灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)樁長為36～37 m；采用2層承臺，總厚度3.5 m，承臺底層尺寸為8.0 m×11.0 m×2.0 m（長×寬×高），上層尺寸為4.5 m×8.0 m×1.5 m（長×寬×高）。

圖1 綜合管廊下穿京滬高鐵橋墩平面

圖2 管廊穿越京滬高鐵結(jié)構(gòu)斷面

1.2 工程地質(zhì)概況

擬建場區(qū)位于北京市南部大興區(qū)永定河沖洪積扇下游，在本次最大勘探深度范圍內(nèi)分布的土層，按沉積年代、成因類型可分為第四系全新統(tǒng)人工填土層及第四系全新統(tǒng)沖洪積層，按地層巖性及工程特性，勘察揭露地層（最深20 m）從上往下為：雜填土、粉細(xì)砂、粉土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土及黏土。其中管廊結(jié)構(gòu)主要位于粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、黏土及粉土。

場地勘察期間地下20 m范圍內(nèi)未揭露地下水，根據(jù)擬建場區(qū)周邊的水文地質(zhì)資料，場區(qū)1959年最高地下水位接近自然地面，近3～5 a沿線最高地下水位標(biāo)高為20.0 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗浮設(shè)防水位按地表下2 m左右，即絕對高程32.0 m考慮。

2 工程重、難點(diǎn)

鄰近和穿越高鐵施工時(shí)，如何確保運(yùn)營京滬高鐵行車安全，最大限度地減小綜合管廊頂進(jìn)施工對鄰近高鐵橋墩產(chǎn)生的影響，是工程過程控制的關(guān)鍵，其中高速橋墩的差異控制是主要因素[1-4]。

1）國內(nèi)首次采用2＋1艙矩形綜合管廊分跨頂進(jìn)下穿高鐵橋墩技術(shù)，如何在控制分跨頂進(jìn)間隔時(shí)序及保證工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度的情況下，防“抬頭”和防坍塌，順利完成頂進(jìn)施工，是施工的重點(diǎn)。

2）高鐵橋墩沉降變形控制要求極高，綜合管廊頂進(jìn)施工時(shí)，如何將高鐵橋墩沉降變形控制在指標(biāo)范圍內(nèi)是施工的難點(diǎn)[5-7]。

3 頂進(jìn)方案

3.1 頂進(jìn)方案簡介

根據(jù)TB 10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》要求，下穿高速鐵路橋梁墩臺的水平及豎向位移均須≤2 mm，控制標(biāo)準(zhǔn)要求極高。在綜合管廊頂進(jìn)穿越京滬高鐵橋墩工程實(shí)施前，對穿越方案進(jìn)行數(shù)次專家會討論和論證，最終從原始三艙整體頂進(jìn)方案調(diào)整為2＋1艙分跨頂進(jìn)，即：下穿京滬高鐵分2次頂進(jìn)下穿，在高鐵橋墩D521#和D522#之間以及D522#和D523#之間，管廊頂進(jìn)框架橋均采用5.2 m×6.4 m（高×寬）的矩形斷面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，凈高3.5 m?？蚣軜蝽斶M(jìn)施工完成后再施工管廊結(jié)構(gòu)。頂板厚0.70 m、底板厚1.00 m、邊墻厚0.70 m，中墻厚0.25 m和0.25 m，頂板加腋均采用0.5 m×1.5 m結(jié)構(gòu)形式。京滬高鐵框架橋工作坑設(shè)置在高鐵南側(cè)，由南向北頂進(jìn)，框架橋總長40 m，頂程50.4 m，最大頂力為24 800 kN。

3.2 頂進(jìn)施工流程

施工流程：頂進(jìn)坑圍護(hù)樁施工→京滬高鐵地基加固處理→開挖支護(hù)頂進(jìn)坑→施作頂進(jìn)后背及基坑滑板→基坑內(nèi)預(yù)制頂進(jìn)框架橋→頂進(jìn)框架橋壓重→頂進(jìn)切土、出土施工→頂進(jìn)框架橋就位→頂進(jìn)完成。

3.3 分跨頂進(jìn)安排

分跨頂進(jìn)施工的整個(gè)工期計(jì)劃為14 d，先期頂進(jìn)主線框架橋（D521#—D522#之間），頂進(jìn)計(jì)劃用時(shí)7 d，頂程50.4 m；其次再頂進(jìn)支線框架橋（D522#—D523#之間），頂進(jìn)計(jì)劃用時(shí)7 d，頂程50.4 m。

4 施工技術(shù)要點(diǎn)

4.1 頂進(jìn)圍護(hù)樁及后背樁施工

下穿高鐵橋墩頂進(jìn)工作坑在高鐵橋墩南側(cè)采用放坡開挖，其余三側(cè)采用鉆孔灌注樁＋內(nèi)支撐形式支護(hù)開挖，頂進(jìn)坑圍護(hù)樁采φ800 mm@1 200 mm、樁長16 m鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)置800 mm×800 mm冠梁；京滬高鐵下設(shè)置φ1 250 mm@1 500 mm、樁長13m鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)置1 250 mm×1 000 mm冠梁；后背樁采用φ1 250 mm@1 500 mm、樁長15 m鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)置1 250 mm×1 250 mm冠梁，如圖3所示。

圖3 頂進(jìn)圍護(hù)樁及后背樁平面

灌注樁現(xiàn)場采用旋挖鉆機(jī)“隔一打一”方式成孔，高鐵橋下旋挖鉆機(jī)施工時(shí)應(yīng)注意高鐵橋墩的成品保護(hù)；雙排后背樁頂冠梁及連梁施工時(shí)應(yīng)同時(shí)澆筑，以保證其連接的整體性。

4.2 基底旋噴樁加固

1）京滬高鐵框架橋基底采用φ600 mm@1 300 mm旋噴樁進(jìn)行加固處理，基底旋噴樁土體加固范圍從地面至結(jié)構(gòu)底板下2.5 m，梅花形布置，加固范圍如圖4所示。

圖4 頂進(jìn)范圍旋噴樁加固平面

2）旋噴樁采用跳孔施工，隔2～3孔，工藝流程為：鉆機(jī)就位→鉆孔至設(shè)計(jì)深度→插入噴射管→高壓噴射漿液并逐步提升噴射管→噴射結(jié)束→拔管。

3）根據(jù)工程水文地質(zhì)情況，采用42.5級普通硅酸鹽水泥單液漿三重管旋噴加固，旋噴樁施工時(shí)，水泥漿水灰比控制在1.0左右。注漿壓力不得小于20 MPa，且滿足加固后土體的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.0 MPa要求。

4）高壓噴射注漿時(shí)，應(yīng)由下而上均勻噴射，噴射管分段提升的搭接長度不小于100 mm。

5）高壓旋噴樁注漿完畢后應(yīng)迅速拔出噴射管。必要時(shí)應(yīng)在原孔位采取冒漿回灌或二次注漿措施。

6）旋噴樁施工允許偏差不大于50 mm。

7）旋噴樁質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)對樁身完整性、均勻性及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測，檢查數(shù)量為施工總樁數(shù)的0.2%，且不少于3根。

4.3 頂進(jìn)坑開挖支護(hù)

頂進(jìn)范圍灌注樁及旋噴基底加固完成之后，開始進(jìn)行基坑冠梁及土方開挖支護(hù)施工，基坑內(nèi)采用1道600 mm× 800 mm鋼筋混凝土支撐，支撐均撐在冠梁上?；炷林嗡介g距約6.0 m，個(gè)別位置根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整?；悠矫鎯?nèi)一般采用對撐，基坑樁間設(shè)置φ8 mm @150 mm× 150 mm鋼筋網(wǎng)，并噴射厚10 cm的C20早強(qiáng)混凝土。

基坑土方需待混凝土支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可開挖，開挖時(shí)應(yīng)遵循“先撐后挖，分層對稱，嚴(yán)禁超挖”的原則。為減少樁體和地面變形，確保施工安全，基坑開挖時(shí)應(yīng)分層、分段對稱平衡開挖，基坑四周需預(yù)留三角土護(hù)坡，每層挖土厚度不宜超過2.5 m，開挖至距坑底300 mm時(shí)應(yīng)由人工開挖、找平，并對坑底進(jìn)行及時(shí)封閉，不允許欠挖，盡量減少超挖。

4.4 框架壓重

為控制頂進(jìn)施工期間的高鐵橋墩變形，在施工期間采取卸載＋壓重的方式，補(bǔ)償因頂進(jìn)卸荷之后引起的橋墩沉降變形[3]，在框架橋頂部33.4 m×4.8 m范圍填筑厚30 cm壓重碎石道砟，如圖5所示。

圖5 框架橋壓重頂進(jìn)立面

具體施工順序?yàn)椋?/p>

1）頂進(jìn)工作坑內(nèi)澆筑框構(gòu)主體時(shí)，預(yù)埋壓重?fù)蹴膲K鋼筋，將框頂擋砟塊一并澆筑。

2）頂進(jìn)開始前填筑壓重材料，填至設(shè)計(jì)厚度30 cm。

3）頂進(jìn)施工過程中，壓重要根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整厚度。

4.5 頂進(jìn)施工

4.5.1 頂進(jìn)設(shè)備布置

京滬高鐵框架橋總頂程為50.4 m，其中空頂頂程2 m。設(shè)計(jì)最大頂力24 800 kN。頂鐵、頂柱按頂力、頂程實(shí)際情況配置，頂進(jìn)設(shè)備利用系數(shù)按0.7考慮。頂進(jìn)時(shí)配備流量為63 L/min的高壓油泵1臺，500 t級頂鎬7臺。

頂進(jìn)過程中安放頂鐵、頂柱時(shí)要做到3個(gè)“一致”，即軸線一致、長短搭配一致、位置一致。每間隔4/6 m頂柱長設(shè)橫梁一道。頂鐵長度有6.0、4.0、2.0、1.2、0.6、0.3、0.2、0.1 m等，斷面尺寸0.6 m×0.5 m。頂鐵拆裝采用吊車配合。根據(jù)橋體頂進(jìn)土方數(shù)量，配置2輛挖掘機(jī)、10輛自卸翻斗車。

4.5.2 布置頂鐵

頂鐵或頂柱保持與立交橋軸線平行布置，橫梁與頂柱垂直。每行頂鐵和頂柱的中線與千斤頂軸線平行，各行長度一致。頂進(jìn)時(shí)注意觀察頂柱受力情況，防止崩出傷人。在其上填土碾壓，填土厚度與底板相同。各行頂鐵松緊程度應(yīng)一致。楔緊頂鐵時(shí)不得用錘猛擊，以免鐵墊板卷邊，不易楔平楔嚴(yán)，如發(fā)現(xiàn)有卷邊飛剌，應(yīng)修整后再用。頂進(jìn)前將不同規(guī)格尺寸的頂鐵、頂柱進(jìn)行排列組合，以便根據(jù)每次頂程填補(bǔ)或更換。安裝頂柱前事先做好安排，準(zhǔn)備好足夠的拖運(yùn)和起重設(shè)備。使用2臺25 t汽車吊機(jī)安裝橫梁、頂鐵、頂柱，配合頂進(jìn)施工，如圖6所示。

圖6 頂進(jìn)設(shè)備布置

4.5.3 啟動（空頂）

京滬高鐵框架橋空頂距離8.695 m，頂進(jìn)施工是整個(gè)工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此開頂前必須進(jìn)行試頂。試頂頂力不宜過大，一般為橋結(jié)構(gòu)自重的0.6～1.0倍。開始啟動時(shí)不能突然增到此數(shù)值，應(yīng)使頂鎬同步加壓，每升壓一次穩(wěn)定幾分 鐘，并派專人對設(shè)備及滑板、后背、橋體進(jìn)行檢查，如一切正常，方可加壓正式頂進(jìn)。在加壓過程中，如油表壓力突然下降，表明橋體與滑板脫離，橋體向前移動。

空頂時(shí)嚴(yán)格控制橋體方向，防止偏離中線給頂進(jìn)工作帶來困難。

4.5.4 框架橋頂進(jìn)

京滬高鐵框架橋頂程50.4 m，頂進(jìn)前端按1∶1.5進(jìn)行放坡，頂進(jìn)過程應(yīng)做到“短進(jìn)尺，快開挖，勤頂進(jìn)”，嚴(yán)格控制一次土方開挖的數(shù)量。頂進(jìn)時(shí)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測情況及時(shí)調(diào)整頂力和頂進(jìn)方向，防止箱體偏轉(zhuǎn)和扎頭，如圖7所示。

頂進(jìn)時(shí)開動高壓油泵，使千斤頂受液壓力而產(chǎn)生頂力，推動箱身前進(jìn)，一鎬一頂。箱身前進(jìn)后使千斤頂?shù)幕钊謴?fù)原位，在空當(dāng)處填放頂鐵。每頂進(jìn)0.8～1.0 m后，由挖掘機(jī)和裝載機(jī)配合自卸汽車出土，根據(jù)實(shí)際情況，出土?xí)r間約2 h，出土清理完畢后再次開鎬頂進(jìn)，如此反復(fù)循環(huán)，直至箱身就位。

圖7 頂進(jìn)斷面

4.5.5 挖土及出土

京滬高鐵框架橋頂進(jìn)出土?xí)r受橋體內(nèi)凈空（凈寬5.0 m，凈高3.5 m）的限制，頂進(jìn)過程中無法僅采用橋內(nèi)常規(guī)開挖作業(yè)，因此2個(gè)高鐵框構(gòu)橋頂進(jìn)作業(yè)時(shí)采用地表及橋內(nèi)雙出土的形式。每次縱向開挖沿頂進(jìn)方向按每鎬頂進(jìn)長度取土，開挖深度為地面以下4.5 m，由前端地表裝車外運(yùn)。剩余土方按橋內(nèi)出土，洞內(nèi)配一臺裝載機(jī)，由橋內(nèi)開挖剩余1.2 m土方，裝車外運(yùn)。

頂進(jìn)出土?xí)r預(yù)留兩側(cè)刃角土，為避免頂進(jìn)時(shí)橋體兩側(cè)坍塌，兩側(cè)刃角墻體部位采用人工提前挖土，防止橋體兩側(cè)由于吃土過多造成土體坍塌。土方挖運(yùn)完成且刃角清除完畢后，馬上開始頂進(jìn)。每次開挖頂進(jìn)長度控制在30～40 cm，嚴(yán)禁超挖。

4.6 后背拆除及刃角補(bǔ)齊

1）后背及樁的拆除。頂進(jìn)施工完成后，拆除后背梁和混凝土樁體，恢復(fù)回填頂進(jìn)坑。

2）刃角補(bǔ)齊施工。頂進(jìn)就位后，應(yīng)將刃角混凝土鑿毛再進(jìn)行補(bǔ)墻施工，補(bǔ)墻鋼筋要與刃角伸出鋼筋焊接，刃角底板下鋪厚20 cm的C20混凝土墊層，后補(bǔ)底板與側(cè)墻應(yīng)同時(shí)澆筑施工。刃角混凝土澆筑完畢后，進(jìn)行刃角背部土方的回填工作，回填土方應(yīng)分層進(jìn)行，確?；靥蠲軐?shí)。

5 變形監(jiān)測及分析

依據(jù)相關(guān)文件要求，在頂進(jìn)的工前、工時(shí)、工后對施工影響范圍內(nèi)D520#—D524#高鐵橋墩基礎(chǔ)沉降及墩頂位移進(jìn)行監(jiān)測，以確保高鐵運(yùn)行安全。

5.1 橋墩變形監(jiān)測點(diǎn)布置

1）橋墩沉降監(jiān)測。D521#、D522#、D523#墩的4個(gè)方向均布設(shè)測點(diǎn)，共布設(shè)12個(gè)測點(diǎn)，D520#、D524#墩各布設(shè)1個(gè)測點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)與既有線路基準(zhǔn)點(diǎn)共用。

2）橋墩水平位移監(jiān)測。每個(gè)橋墩底部布置2個(gè)測點(diǎn)，橋墩頂部布置2個(gè)測點(diǎn)，共布設(shè)12個(gè)測點(diǎn)，設(shè)置2個(gè)水平變形基準(zhǔn)點(diǎn)。

5.2 監(jiān)測控制指標(biāo)及頻率

根據(jù)安全評估文件要求，將控制值的85%作為報(bào)警值，70%作為預(yù)警值。

高鐵橋梁兩側(cè)20 m范圍內(nèi)打樁及土方開挖期間（45 d），每天監(jiān)測4次；管廊結(jié)構(gòu)施作至回填期間（30 d），每3 d監(jiān)測1次；結(jié)構(gòu)完成，回填完成后，每7 d監(jiān)測1次，持續(xù)90 d。監(jiān)測周期：基坑施工前至回填后3個(gè)月且監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

5.3 監(jiān)測結(jié)果分析

目前綜合管廊頂進(jìn)下穿京滬高鐵已完工1 a有余，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)得到高鐵橋墩沉降變化趨勢，如圖8、圖9所示。

圖8 高鐵橋墩垂直沉降曲線

圖9 高鐵橋墩水平位移曲線

從圖8可以看出：

1）管廊框架橋頂進(jìn)下穿高鐵橋墩引起的豎向變形主要為隆起變形。

2）在初期頂進(jìn)坑開挖支護(hù)階段，隨著基坑開挖卸荷的影響，距高鐵橋墩較遠(yuǎn)的D520#和D524#橋墩隆起值較小，此時(shí)隆起最大值為0.56 mm；距離頂進(jìn)坑較近的D521#、D522#、D523#橋墩隆起變化相對較大，其中位于兩頂進(jìn)坑中間的D522#橋墩因受兩基坑同步開挖支護(hù)施工影響，隆起值變化要高于其他橋墩，此時(shí)最大隆起達(dá)到0.82 mm。

3）隨著頂進(jìn)施工開始，橋墩基礎(chǔ)之間土方卸荷，各高鐵橋墩豎向隆起變形急劇增大，其中受影響較大的D521#、D522#、D523#橋墩隆起變化要高于兩側(cè)D520#與D524#橋墩；因受分跨頂進(jìn)影響，位于兩頂進(jìn)坑中間的D522#橋墩隆起最大，最大隆起高達(dá)1.2 mm，逼近預(yù)警值1.4 mm。

4）隨著管廊框架橋頂進(jìn)就位，頂進(jìn)基坑回填及后續(xù)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)施工回填完成，高鐵橋墩基礎(chǔ)隨著回填荷載的增加，隆起變形逐漸回落，最終各橋墩最大隆起變形穩(wěn)定在0.78 mm。

從圖9可以看出：

1）橋墩水平位移變形隨著基坑開挖支護(hù)及頂進(jìn)施工影響，墩頂水平位移呈正負(fù)交替變化。

2）初期基坑開挖支護(hù)階段，隨著橋墩附近卸荷及施工因素影響，橋墩水平位移逐漸增大，水平位移最大值0.59 mm。

3）隨著管廊框架橋頂進(jìn)施工開始，橋墩水平位移逐漸增大，其中D522#橋墩水平位移變化最大，向東位移最大1.28 mm。

4）隨著框架橋頂進(jìn)就位，基坑回填荷載量逐漸增大，橋墩水平位移逐漸減小，最終變化最大的D522#橋墩水平位移穩(wěn)定在0.53 mm。

綜上分析，綜合管廊框架橋下穿頂進(jìn)高鐵橋墩施工引起的橋墩水平及豎向（隆起）變形均小于預(yù)警值（1.4 mm）和控制值2 mm，整個(gè)施工過程中未發(fā)生監(jiān)測預(yù)警情況，確保了高鐵運(yùn)行安全，同時(shí)管廊頂進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制。

6 結(jié)語

北京新機(jī)場高速綜合管廊下穿京滬高鐵在綜合管廊類工程中非常具有代表性，同時(shí)綜合管廊采用分跨頂進(jìn)下穿高鐵橋墩的方案也尚屬首例。管廊下穿位置位于京滬高速鐵路高架段，穿越施工對京滬高速鐵路橋墩變形的控制要求很高。現(xiàn)場實(shí)踐表明：通過采取加強(qiáng)支護(hù)樁、旋噴加固土體、增加壓重、分跨先后頂進(jìn)穿越等一系列措施，有效地將頂進(jìn)開挖卸荷對橋墩變形的影響減少到了可控制的范圍內(nèi)。目前，我國高鐵建設(shè)和運(yùn)營里程正在快速增長，本工程的成功實(shí)施，為今后類似城市綜合管廊穿越高速鐵路工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)及施工提供了參考經(jīng)驗(yàn)。