鄂北工程下穿鄭萬高鐵交叉段專項(xiàng)設(shè)計(jì)研究

司培育，李 淺

(鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局(籌)，湖北 武漢 430063)

湖北省鄂北地區(qū)水資源配置工程(簡稱“鄂北工程”)為Ⅱ等大(2)型線性輸水工程，是為解決湖北省鄂北地區(qū)水源性缺水問題而提出的長距離調(diào)水工程。鄂北工程從丹江口水庫清泉溝隧洞進(jìn)口引水，輸水線路全長269.672km，穿越襄陽市的老河口市、襄州區(qū)、棗陽市，隨州市的隨縣、曾都區(qū)、廣水市，孝感市的大悟縣等7個(gè)縣(市、區(qū))。鄂北工程受水區(qū)多年平均引水量7.70億m3，渠首工程設(shè)計(jì)流量為38m3/s，渠首設(shè)計(jì)水位147.70m，末端王家沖水庫正常蓄水位為100m，全程自流。工程建成后，預(yù)計(jì)受益人口約500萬人，灌溉面積24萬hm2。

鄂北工程在樁號(hào)C1K76+362.279處(孟樓—七方倒虹吸)與鄭萬高鐵交叉。鄂北工程與鄭萬高鐵可行性研究批復(fù)時(shí)間基本同步，鄂北工程該交叉段施工時(shí)，鄭萬高鐵主體工程已完工，為保證鄭萬高鐵和鄂北工程建設(shè)運(yùn)行質(zhì)量和安全，對(duì)工程下穿鄭萬鐵路工程進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。本文結(jié)合工程水文、地質(zhì)，施工工藝及施工組織深入分析了交叉段工程設(shè)計(jì)重點(diǎn)、難點(diǎn)，并在交叉段專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案中有針對(duì)性地提出相應(yīng)措施，最后對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)價(jià)。

1 工程簡介

鄂北工程孟樓—七方倒虹吸夾河套段為白河和唐河之間的管段工程，樁號(hào)區(qū)間為C1K75+063.4—81+435，總長6.441km。樁號(hào)C1K75+063.4—C1K75+255段管段線路走向S65.55°E，其后向北偏轉(zhuǎn)為S70.84°E，在樁號(hào)C1K79+020處向南偏轉(zhuǎn)為S66.55°E，延伸至C1K79+069.131(79+000)后以直線布置到唐河右岸、寇集村北側(cè)(樁號(hào)81+435)。此段由3根DN3800mm的溝埋PCCP同槽并排布置，管中心距6.1m。管道工作內(nèi)壓0.6～0.8MPa。管頂覆土厚度為2.0～7.0m。

新建鄭萬高速鐵路線白河雙線特大橋全長6384.656m，中心里程為D1K352+147.074，橋梁起止里程為DK348+500～D1K354+884.656。鐵路橋梁均為32m簡支跨，孔跨樣式為47×32m簡支箱梁+3×24m簡支箱梁+58×32m簡支箱梁+(72+128+72)m連續(xù)梁+5×32m簡支箱梁+1×24m簡支箱梁+32×32m簡支箱梁+2×24m簡支箱梁+40×32m簡支箱梁。全橋梁部采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用混凝土圓端形橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)。

鄂北工程孟樓—七方倒虹吸3根并排PCCP(沿輸水方向由左至右)依次從鄭萬高鐵白河雙線特大橋142#-143#、143#-144#、144#-145#橋墩間交叉穿過，交叉角度為71°，樁中心最小距離為7.75m。

2 工程地質(zhì)情況

鄂北工程PCCP管線在樁號(hào)C1K76+362.279—C1K76+707.279之間線路總長345m的區(qū)間內(nèi)穿過鄭萬高鐵，該段倒虹吸地面高程73.20～74.31m，PCCP管底板高程65.04m，鎮(zhèn)墩建基面高程64.24m。線路上部為層厚2.8m(底部高程70.81m)第四系上更新統(tǒng)琚灣組(Q3jal)壤土，下部為層厚7.0m(底部高程63.81m)第四系上更新統(tǒng)琚灣組(Q3jal)中細(xì)砂，其下為上第三系(N)泥質(zhì)粉砂巖，半固結(jié)半成巖狀態(tài)，線路段地層物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

表1 管線地基各土層設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表

區(qū)內(nèi)上部地層巖性主要為弱至微透水的黏性土層，下部為砂性土層，根據(jù)地下水的賦存條件，區(qū)內(nèi)地下水分為上層滯水和潛水2類。上層滯水主要賦存于地表松散粘性土層中，具儲(chǔ)量小、運(yùn)移緩慢等特點(diǎn)；潛水則賦存于下部砂性土層中，具含水量高，儲(chǔ)水量大，運(yùn)移快等特點(diǎn)，局部具承壓性，主要接受大氣降水補(bǔ)給，同時(shí)與白河及唐河河水形成互補(bǔ)關(guān)系，距白河約1.9km，距唐河約4.9km，勘探時(shí)顯示鉆孔地下水位高程68.21m。

倒虹吸基坑邊坡土層上部為(Q3jal)壤土，下部為(Q3jal)中細(xì)砂，PCCP管及鎮(zhèn)墩建基面土層為(Q3jal)中細(xì)砂，地基承載力特征值245kPa，(Q3jal)中細(xì)砂滿足PCCP管及其鎮(zhèn)墩的地基承載力設(shè)計(jì)要求，基底摩擦系數(shù)f=0.40。

地基基坑臨時(shí)開挖邊坡坡高8～10m，基坑臨時(shí)邊坡開挖坡比壤土為1∶1.0～1∶1.5，中細(xì)砂開挖坡比1∶2～1∶2.5，基坑開挖時(shí)中細(xì)砂組成的邊坡存在向基坑滲透變形問題，需采取相應(yīng)的工程措施(如基坑降水或基坑支護(hù)等)，砂層滲透系數(shù)k為1.0×10-3cm/s，水平允許滲透比降0.1～0.2。

根據(jù)本次勘探揭示，擬建場地勘探深度范圍內(nèi)的地層巖性表層為填土，其下為一般第四紀(jì)沖洪積松散土層。其中一般第四紀(jì)沖洪積松散地層主要由粉砂、粉土和粉質(zhì)黏土組成。

3 交叉段技術(shù)難點(diǎn)分析

(1)地下水豐富，工程地基處理難度大。鄂北工程及鄭萬鐵路交叉段工程位于唐河與白河之間，所在地層主要為粉細(xì)砂和粉質(zhì)黏土，地勢低洼，地下水豐富，基礎(chǔ)設(shè)置埋深在地下水位以下，施工期間可能存在邊坡塌方、基坑積水、地質(zhì)破壞等不利情況。同時(shí)，降水措施形成降水漏斗后土壤應(yīng)力發(fā)生變化，土體將發(fā)生不同程度的沉降。因此，設(shè)計(jì)方案需同時(shí)評(píng)估地下水降水措施對(duì)地基可能產(chǎn)生的影響，采取可行的排水措施，加強(qiáng)地表及基坑排水。

(2)地質(zhì)條件復(fù)雜，施工質(zhì)量安全控制難度大。工程交叉處土層較為松軟，交叉施工引起的地質(zhì)沉降難以控制。交叉段施工前，鄭萬高鐵主體工程已完工，按照TB10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，鐵路軌道鋪設(shè)完成后，下穿高速鐵路施工時(shí)需保證高鐵沉降在2mm以內(nèi)，因此，施工期質(zhì)量安全控制指標(biāo)較為嚴(yán)格，常規(guī)明挖埋管方案難以滿足高鐵安全指標(biāo)。經(jīng)過討論比選，采用頂管施工方案，采用框架涵下穿鄭萬高鐵對(duì)高鐵影響較小。單個(gè)框架涵頂進(jìn)重量為1100t，最大頂力為3000t，頂程為49.41m，且與高鐵線路斜交，地下水位較高，且地質(zhì)情況較差，頂進(jìn)時(shí)容易造成涵體方向和高程偏差，高鐵橋墩基礎(chǔ)安全控制和鄂北工程質(zhì)量控制難度大。

(3)臨近鄂北工程首次試通水和鄭萬鐵路聯(lián)合試運(yùn)行，工期緊張。按施工進(jìn)度計(jì)劃，鄂北工程于2019年底開展首次試通水，彼時(shí)鄭萬鐵路已逐步進(jìn)入聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)階段。因此，工程施工后期可能會(huì)出現(xiàn)與鄭萬高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試重合，頂進(jìn)施工條件發(fā)生了變化，變?yōu)榭缂扔芯€路施工。為實(shí)現(xiàn)鄂北工程通水目標(biāo)實(shí)現(xiàn)和確保鄭萬鐵路安全試運(yùn)行，交叉段施工設(shè)計(jì)需充分考慮進(jìn)度影響，優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，科學(xué)確定交叉段施工進(jìn)度。

4 設(shè)計(jì)方案擬定

4.1 降水方案

為避免基坑開挖及頂進(jìn)過程中，地下水對(duì)工程的影響，本段交叉工程采用疏干井降水方案，疏干井位于線路兩側(cè)，距離最近線路中心線5m，疏干井直徑0.4m，間距8m，井深19m。抽水真空水泵根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。進(jìn)行疏干井抽水作業(yè)后，使地下水位保持框架橋底板底以下1.0m，同時(shí)路基本體干燥密實(shí)。為了避免場地內(nèi)的大氣降水不回灌到地表以下及地面水流入基坑，開挖前在基坑兩側(cè)合理設(shè)置截水溝和排水溝。

框架涵頂進(jìn)期間，密切監(jiān)測基坑水位、鐵路橋橋墩水平變形及橋墩沉降情況，確定監(jiān)測頻率，設(shè)定預(yù)警和報(bào)警指標(biāo)，成立監(jiān)測和安全領(lǐng)導(dǎo)部門，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)采取相應(yīng)措施。

4.2 下穿設(shè)計(jì)方案

鄂北工程孟樓—七方倒虹吸穿鄭萬鐵路段位于樁號(hào)區(qū)間C1K76+362.279～C1K76+707.279，3根管道(PCCP)分別從鄭萬鐵路線白河雙線特大橋142號(hào)～145號(hào)的相鄰2根橋墩之間穿過。3管單獨(dú)編樁號(hào)，左側(cè)輸水管(142#墩～143#墩間)交叉點(diǎn)鐵路里程D1K353+306.869、水管樁號(hào)KL0+144.53，交叉角度71°，樁中心最小距離7.67m；中間輸水管(143#墩～144#墩間)交叉點(diǎn)鐵路里程D1K353+339.127、水管樁號(hào)KC0+159.13，交叉角度71°，樁中心最小距離8.10m；右側(cè)輸水管(144#墩—145#墩間)交叉點(diǎn)鐵路里程D1K353+371.384、水管樁號(hào)KR0+178.594，交叉角度71°，樁中心最小距離7.84m。具體管線、框架涵與墩臺(tái)、梁底的關(guān)系如圖1—2所示。

交叉段工程采用寬5.8m×高6.8m框架涵防護(hù)水管，兩側(cè)框架涵同時(shí)對(duì)稱頂進(jìn)施工，單節(jié)框架長29m，共2節(jié)58m，框架外采用1根1.25m長鉆孔樁防護(hù)；框架側(cè)面采用φ70雙排高壓旋噴樁止水帷幕，框架底采用φ70厚度為2.5m的高壓旋噴樁水平止水帷幕，上覆2m原狀土。在支護(hù)范圍內(nèi)，管道采用鋼管外包C25混凝土，左右側(cè)外包砼厚度為100cm，管頂、管底外包混凝土厚度為65cm，管頂外混凝土砼頂部凈空高度170cm。外包混凝土施工完成后以原狀土回填封閉框架。

施工時(shí)，需選取專業(yè)有經(jīng)驗(yàn)的頂進(jìn)施工隊(duì)伍，頂進(jìn)作業(yè)前設(shè)置橫向防滑位移裝置及其他防護(hù)設(shè)施，避免頂進(jìn)過程中發(fā)生支點(diǎn)懸空，同時(shí)，嚴(yán)格控制頂力大小及方向，加強(qiáng)安全監(jiān)測，保證頂進(jìn)安全和工程質(zhì)量。

5 工期保障

框架涵頂進(jìn)施工需配備具有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)技術(shù)能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高，曾參與過鐵路頂進(jìn)橋梁工程施工任務(wù)的工程管理和技術(shù)人員參與項(xiàng)目建設(shè)管理。同時(shí)，加強(qiáng)與鐵路部門溝通交流，待框架涵強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度且相關(guān)防護(hù)及手續(xù)完備后進(jìn)行頂進(jìn)施工。

鐵路東西兩側(cè)6個(gè)工作坑同時(shí)對(duì)稱頂進(jìn)，計(jì)劃工期為15d，為保證既有鐵路線路穩(wěn)定，在高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試前完成工程交叉段鉆孔樁防護(hù)、止水帷幕施工。施工過程中嚴(yán)格按照橋墩變形監(jiān)測方案進(jìn)行監(jiān)測，在保障高鐵橋墩的安全下，加快防護(hù)施工進(jìn)度。

圖1 框架涵與鐵路橋梁平面位置圖(單位：cm)

6 結(jié)語

鄂北工程與鄭萬鐵路交叉段建設(shè)涉及水利及鐵路2個(gè)不同行業(yè)，需同時(shí)滿足2個(gè)行業(yè)相關(guān)的質(zhì)量安全建設(shè)規(guī)范，必須進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。交叉段設(shè)計(jì)方案的安全、可行，是保證工程質(zhì)量和效益的重要前提。鄂北工程下穿鄭萬高鐵交叉段存在地下水位控制、質(zhì)量安全把控及工期壓力等難點(diǎn)，通過選取和采用適當(dāng)?shù)慕邓胧┖退槐O(jiān)測、框架涵頂進(jìn)施工及橋墩監(jiān)測、優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)等方式，使該交叉段工程按既定工期順利完工，保證了施工期間交叉工程的質(zhì)量安全，實(shí)現(xiàn)了鄂北工程首次試通水目標(biāo)和鄭萬鐵路按時(shí)通車運(yùn)行。筆者結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，闡述了鄂北工程下穿鄭萬高鐵實(shí)際設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和可行性，為類似交叉段工程設(shè)計(jì)提供了借鑒和思考。