黃土地區(qū)涵洞接長對既有線的影響

柴亮

（中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 蘭州工程建設(shè)指揮部，甘肅 蘭州 730031）

0 引言

高速鐵路的發(fā)展具有政治意義、經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)、社會效益和文化價值等，在鐵路工作者的共同努力下，我國已成為高速鐵路運營里程最長、在建規(guī)模最大和商業(yè)運營速度最高的國家［1］。隨著鐵路網(wǎng)的完善，新建鐵路在進(jìn)站前需接軌既有鐵路，形成路基幫寬結(jié)構(gòu)或涵洞接長結(jié)構(gòu)，且列車隨運營速度的提高對軌下結(jié)構(gòu)要求更高，如何控制軌下結(jié)構(gòu)的變形是臨近工程的技術(shù)難題［2-3］。

當(dāng)鐵路幫寬段修筑涵洞接長結(jié)構(gòu)時，既有線涵洞結(jié)構(gòu)及過渡段在填筑階段和服役階段均已發(fā)生一定的工后沉降［4-6］。為降低新建結(jié)構(gòu)施工時對既有線的影響，李東等［7］分析高填土涵洞接長施工前，在既有路基側(cè)采用人工挖孔樁和H 型鋼板樁組合對既有路基開展防護(hù)，保證既有路基沉降在合理范圍內(nèi)；左家強［8］針對邯長、邯濟(jì)鐵路增建二線項目，為保證既有線涵洞施工安全，提出框涵和板涵接長涵洞類型及預(yù)制頂進(jìn)施工方案；連新奇［9］結(jié)合海南環(huán)島鐵路東段提速改造工程，提出鋼板樁和橫撐組合防護(hù)施工方案；陳濟(jì)洲［10］結(jié)合實際工程，基于鐵路既有線斜交蓋板涵接長施工的實際困難，提出側(cè)向頂進(jìn)框架涵方案。黃土作為一種特殊土，土體結(jié)構(gòu)在附加應(yīng)力或水分增加的作用下容易產(chǎn)生顯著的附加變形［11］，如何在黃土地區(qū)開展涵洞接長工程是面臨的技術(shù)難題之一，也是鐵路建設(shè)工程中的控制性工程之一。

以黃土地區(qū)鐵路幫寬段涵洞接長工程為背景，結(jié)合工程概況，剖析涵洞接長方案技術(shù)難點，基于防護(hù)方案和結(jié)構(gòu)施工方案確定優(yōu)化減控措施，監(jiān)測涵洞接長及其過渡段填筑施工階段既有線過渡段和涵洞變形數(shù)據(jù)，研究涵洞接長方案對既有線的影響。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

工程位于蘭州市永登縣樹坪鎮(zhèn)，工點內(nèi)地層巖性主要為砂質(zhì)黃土、粗砂和下伏泥巖夾砂巖。結(jié)合地勘資料，各地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 涵洞接長工況

涵洞接長工況示意見圖1，工點1 既有涵洞地基處理形式為灰土擠密樁，樁徑40 cm，樁長12 m，樁間距95 cm，梅花形布置。工點2 既有涵洞地基處理形式為水泥攪拌樁，樁徑50 cm，樁長14 m，樁間距120 cm，梅花形布置。涵洞接長段地基處理形式均為高壓旋噴樁，樁徑50 cm，樁間距140 cm，正方形布置，其中工點1樁長12 m，工點2樁長13 m。

圖1 涵洞接長工況示意圖

既有線元器件布置示意見圖2，對于既有線和新建線涵洞過渡段和基床表層均分別采用摻3%水泥級配碎石、5%水泥級配碎石（0.6 m）分層填筑。工點1 涵洞主體長15.75 m、寬6.00 m、高6.00 m，上行側(cè)接長7 m，下行側(cè)接長9 m；工點2 涵洞主體長15.00 m、寬4.00 m、高6.00 m，上行側(cè)和下行側(cè)接長均為13 m。如圖2 所示，既有線路運營階段，距離涵洞構(gòu)筑物1 m 處設(shè)置監(jiān)測斷面，采用沉降觀測標(biāo)監(jiān)測（線路中心與路肩位置），同時新建路基施工前在既有線過渡段和涵洞頂部道砟坡腳位置縱向設(shè)置物位計。

圖2 既有線元器件布置示意圖

2 涵洞接長技術(shù)難點及施工方案

2.1 技術(shù)難點

（1）防護(hù)方案實施困難。原涵洞接長防護(hù)方案（見圖3）與文獻(xiàn)［7］提出的防護(hù)方案相似，采用人工挖孔樁進(jìn)行支護(hù)，樁徑為1.0 m、樁長為8.0 m。既有路基地面線下由于存在復(fù)合地基，當(dāng)人工挖孔樁挖至該位置時，實施困難。同時對于工點1（見圖4），人工挖孔樁位置臨近接觸網(wǎng)立柱及其基礎(chǔ)，施工時不可避免會對其造成弱擾動，影響列車運行安全；而且人工挖孔樁位于路堤本體內(nèi)，由于既有路堤填料為散粒體材料，在列車動荷載作用下，挖孔過程中或護(hù)壁強度形成前容易出現(xiàn)坍塌，威脅施工人員和既有線的安全。

圖3 原涵洞接長防護(hù)方案

圖4 接觸網(wǎng)立柱與涵洞位置關(guān)系（工點1）

（2）新舊結(jié)合易產(chǎn)生差異沉降。路涵過渡段漿砌片石破損見圖5，對于工點2，路涵過渡段兩側(cè)出現(xiàn)由于工后變形大引起的漿砌片石破損現(xiàn)象，結(jié)合過渡段一側(cè)沉降標(biāo)沉降-運營時間關(guān)系曲線（見圖6），分析可知：沉降標(biāo)沉降值均隨運營時間增長而增大，從運營開始至2017 年底沉降較小，且基本處于穩(wěn)定趨勢；而后進(jìn)入由于長期降雨、凍脹和上部列車荷載等引起的非常態(tài)增速期，產(chǎn)生較大的非常態(tài)永久變形［12］；至2020年底，過渡段中心位置和兩側(cè)路肩位置工后沉降值分別為11.809、4.680、5.031 mm。由于新建線與既有線復(fù)合地基和填料固結(jié)程度的差異，在自質(zhì)量荷載和上部列車作用下，涵洞接長結(jié)構(gòu)和既有涵洞結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生差異沉降，且由于該位置前期工后沉降值較大，表現(xiàn)出不穩(wěn)定現(xiàn)象，當(dāng)新舊結(jié)合處剛性連接時，容易出現(xiàn)較大的附加應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫，因此采用設(shè)置接縫的柔性連接，但防水問題突出［13］。

圖5 路涵過渡段漿砌片石破損

圖6 沉降標(biāo)沉降-運營時間關(guān)系曲線

（3）復(fù)合地基施工側(cè)向壓力大。新建線幫寬段復(fù)合地基選擇時，高壓旋噴樁既滿足施工機械凈空要求低、工藝簡單、施工周期短等要求，又可達(dá)到加固地基的目的，因此選取高壓旋噴樁復(fù)合地基作為地基處理形式［14-15］。結(jié)合高壓噴射注漿試驗，注漿壓力為25 MPa，提升速度約0.2 m/min，結(jié)合文獻(xiàn)［16-17］提出的噴射壓力衰減經(jīng)驗公式，計算可得樁周壓力為220 kPa，該壓力可通過下部復(fù)合地基傳遞至既有路基過渡段和涵洞，產(chǎn)生變形影響列車運營品質(zhì)，因此需實時監(jiān)測，控制既有結(jié)構(gòu)變形合理。

2.2 施工方案

結(jié)合涵洞接長技術(shù)難點，最終確定弱擾動涵洞接長施工方案：鋼板樁防護(hù)施工→工字鋼支撐安裝→既有八字墻鑿除→防水施做→涵洞基礎(chǔ)施工→涵洞主體施工。

（1）鋼板樁防護(hù)施工：八字墻外側(cè)采用SP-Ⅳ鋼板樁防護(hù)，其中鋼板樁單根長度6.0 m，頂部內(nèi)側(cè)設(shè)置Ⅰ20a型鋼，鋼板樁與工字鋼采用U型箍連接。

（2）工字鋼支撐安裝：采用Ⅰ32a型鋼對撐既有八字墻身加固既有線路基，其中既有頂板底以下50 cm為支撐上平面，順接長方向采用連接梁焊接3根工字鋼為整體，工字鋼與八字墻采用墻內(nèi)鉆眼植筋焊接固定。

（3）既有八字墻鑿除：對既有八字墻影響新建涵身部分采用風(fēng)鎬鑿除，同時需保證擋塊嵌入不破壞墻身。

（4）防水施做：既有八字墻切除后采用環(huán)氧樹脂砂漿找平，涂刷防水涂料，縫內(nèi)填塞聚乙烯泡沫塑料板與聚氯乙烯膠泥，涵洞頂部及底部防水采用背貼式橡膠止水帶，外層涂刷2道聚氨酯防水涂料，頂層施做3 cm厚C40細(xì)石混凝土。

（5）涵洞基礎(chǔ)施工：涵洞接長段高壓旋噴樁施工順序示意見圖7，高壓旋噴樁采用跳樁法相對新舊復(fù)合地基交界線由近及遠(yuǎn)施工，即先順序施工P1→P3→P5排樁（奇數(shù)），等樁體強度不低于設(shè)計要求的50%后，施工P2→P4→P6 排樁（偶數(shù)），其中不拆除八字墻的基礎(chǔ)范圍內(nèi)新建高壓旋噴樁不再施做，對于工點1和工點2，分別需施做9排和8排樁。

圖7 涵洞接長段高壓旋噴樁施工順序示意圖

（6）涵洞主體施工：主要包含底板、側(cè)板、頂板和八字墻澆筑4個階段，期間進(jìn)行鋼筋工程施工和模板安裝。

3 監(jiān)測結(jié)果

3.1 弱擾動防護(hù)方案實施階段變形

各工點物位計變形隨防護(hù)方案實施時間關(guān)系曲線見圖8，其中工點1 既有上行線八字墻鑿除施工處施工完成后，分析可知：當(dāng)上行線和下行線鋼板樁施工時，物位計變形均隨實施時間而增加；當(dāng)工字鋼支撐安裝時，物位計變形均減小，其中涵洞上側(cè)物位計變形為0.139～0.264 mm，而涵洞過渡段位置物位計變形較?。?0.1 mm）；當(dāng)既有八字墻鑿除時，對本側(cè)物位計變形影響較大，且涵洞上側(cè)物位計變形呈減小趨勢，而過渡段位置物位計變形呈增大趨勢；對于工點1和工點2，物位計W1-W4變形均出現(xiàn)在鋼板樁施工階段，分別為0.085、0.145、0.364、0.371、0.136、0.197、0.424、0.481 mm，表明弱擾動防護(hù)方案實施對既有線的影響較小。

上述數(shù)據(jù)變化是復(fù)合作用的結(jié)果，在鋼板樁施工時，對既有路基本體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生側(cè)向力，且在高密實度粗顆粒路基填料中，該現(xiàn)象更明顯，而在既有八字墻鑿除時起到約束既有路基側(cè)向變形的作用［18］；工字鋼支撐結(jié)構(gòu)自質(zhì)量直接作用至涵洞結(jié)構(gòu)，對涵洞結(jié)構(gòu)豎向變形影響較大，同時后期可提高涵洞結(jié)構(gòu)的抗變形能力；既有八字墻部分鑿除既降低了自質(zhì)量又降低了對既有線路基的約束作用。

3.2 涵洞接長結(jié)構(gòu)施工階段變形

工點1物位計變形隨各階段施工時間關(guān)系曲線見圖9，其中上行側(cè)復(fù)合地基處理時間為2021年6月15—18日，下行側(cè)復(fù)合地基處理時間為2021年7月20—24日，分析可知：當(dāng)上行側(cè)復(fù)合地基處理時，上行側(cè)物位計W-2和W-3變形隨每日地基處理施工和間歇呈先增加后減小，且涵洞頂部W-2變形隨復(fù)合地基處理時間整體而增加，而過渡段位置W-3僅在P1和P3排樁施工時，變形較明顯，而后呈下降趨勢，上行側(cè)復(fù)合地基施工完成后，W-2和W-3 的隆起變形分別為0.597、0.317 mm，而下行側(cè)物位計W-1和W-4變形較??；當(dāng)上行側(cè)涵洞接長結(jié)構(gòu)施工時，上行側(cè)物位計W-2和W-3變形在底板、側(cè)板、頂板和八字墻澆筑階段均發(fā)生突降，對于W-2，各階段對應(yīng)的變形值分別為-0.105、-0.924、-1.618、-2.186 mm，對于W-3，各階段對應(yīng)的變形值分別為-0.069、-0.304、-0.499、-0.714 mm，而對于下行側(cè)物位計W-1 和W-4變形值均較??；當(dāng)下行側(cè)復(fù)合地基施工時，下行側(cè)物位計W-1 和W-4 呈與上行側(cè)復(fù)合地基施工時物位計W-2和W-3 相似規(guī)律，均表現(xiàn)為涵洞上側(cè)物位計隆起變形大，過渡段隆起變形小的規(guī)律，當(dāng)下行側(cè)涵洞接長結(jié)構(gòu)施工時，上行側(cè)物位計變形隨各階段施工發(fā)生突降；至涵洞接長結(jié)構(gòu)施工完成，W-1 至W-4 變形值分別為-3.092、-2.451、-0.859、-1.184 mm，由于兩側(cè)復(fù)合地基處理區(qū)、涵洞接長結(jié)構(gòu)區(qū)別和施工時間不同，導(dǎo)致涵洞上側(cè)（W-1、W-2）和過渡段位置（W-3、W-4）兩側(cè)物位計變形值出現(xiàn)差異，且最大差異值均出現(xiàn)在下行側(cè)復(fù)合地基處理結(jié)束，最大差異值分別為2.873、0.706 mm。

圖9 物位計變形隨各階段施工時間關(guān)系曲線（工點1）

為降低涵洞上側(cè)和過渡段位置兩側(cè)變形值的差異對既有線軌道水平值的影響，工點2涵洞接長結(jié)構(gòu)施工采用橫向?qū)ΨQ施工，工點1 和工點2 過渡段填筑均采用縱向和橫向?qū)ΨQ施工（見圖10）。

圖10 對稱施工

對于工點2物位計變形隨各階段施工時間關(guān)系曲線見圖11，分析可知：涵洞上側(cè)物位計W-1 和W-2 變形均隨復(fù)合地基施工波動，整體呈上升趨勢，至復(fù)合地基施工完成，變形值分別為0.676、0.877 mm；過渡段位置物位計W-3 和W-4 變形隨復(fù)合地基施工先增加而后降低；復(fù)合地基施工后期，靠近下行側(cè)過渡段位置由于物料堆積，對于涵洞上側(cè)和過渡段位置，下行側(cè)物位計變形值均低于上行側(cè)；當(dāng)涵洞接長結(jié)構(gòu)施工時，W-1至W-4變形值均隨底板、側(cè)板、頂板和八字墻澆筑突降式減小，至涵洞接長結(jié)構(gòu)施工完成，W-1至W-4變形值分別為-2.636、-3.009、-1.109、-1.310 mm，且W-1和W-2變形值明顯高于W-3和W-4；涵洞上側(cè)和過渡段位置最大差異值分別為0.373、0.201 mm，結(jié)合圖9對比分析，對于涵洞接長段施工，采用橫向?qū)ΨQ施工可明顯降低涵洞上側(cè)和過渡段位置兩側(cè)變形值的差異對既有線軌道水平值的影響。

圖11 物位計變形隨各階段施工時間關(guān)系曲線（工點2）

3.3 過渡段填筑階段沉降

對于工點1 和工點2，物位計沉降-填筑-時間曲線關(guān)系見圖12，分析可知：隨著填筑高度增加，各工點物位計沉降值均非線性增加，且各填筑階段過渡段位置沉降變化值均高于涵洞上側(cè)，涵洞上側(cè)與過渡段位置沉降差值先減小而后逐漸增大，工點1 和工點2 最大沉降差值分別為6.436、6.954 mm，由于上行線和下行線中心位置距離道砟坡腳約2.7 m，實測工點1和工點2上行線和下行線軌道前后高低值分別為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））；對于工點1，至過渡段填筑完成W-1 至W-4 沉降值分別為7.584、6.349、12.635、14.020 mm；對于工點2，至過渡段填筑完成W-1 至W-4沉降值分別為12.593、14.125、20.528、19.547 mm，均滿足工后沉降值要求（≤5 cm）。

圖12 物位計沉降-填筑-時間曲線關(guān)系

分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生原因：假定各層為均布荷載（P）（見圖13），隨著新建線過渡段逐層填筑升高，同時由于過渡段縱向長度隨高度增加逐漸增長，其對既有路基影響范圍逐層增大，過渡段位置物位計沉降值隨填筑高度增加而非線性增加；過渡段填筑層對涵洞結(jié)構(gòu)的影響可分為側(cè)部區(qū)域和上部區(qū)域，其中對于側(cè)部區(qū)域，通過涵洞側(cè)壁和下部復(fù)合地基影響涵洞結(jié)構(gòu)，對于上部區(qū)域，對涵洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向應(yīng)力與填土高度和涵洞寬度之比相關(guān)［19］；隨著新建路基橫向?qū)挾鹊脑黾佑绊懛秶嘀饾u增大，則出現(xiàn)對于工點1下行側(cè)過渡段填筑影響大于上行側(cè)的現(xiàn)象。

圖13 填筑階段各層均布荷載附加應(yīng)力等值線示意圖

4 結(jié)論

以黃土地區(qū)鐵路幫寬段涵洞接長實際工程為背景，針對涵洞接長技術(shù)難點，優(yōu)化施工方案，基于各階段監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究涵洞接長方案的適宜性及各階段施工對既有線的影響，得到如下結(jié)論：

（1）結(jié)合黃土地區(qū)涵洞接長技術(shù)難點，確定弱擾動涵洞接長施工方案：鋼板樁防護(hù)施工→工字鋼支撐安裝→既有八字墻鑿除→防水施做→涵洞基礎(chǔ)施工（跳樁法）→涵洞主體施工，結(jié)果表明弱擾動防護(hù)方案對既有線的影響較?。?0.5 mm）。

（2）采用涵洞接長結(jié)構(gòu)橫向?qū)ΨQ施工可明顯降低既有線兩側(cè)變形值的差異對既有線軌道水平值的影響，涵洞上側(cè)和過渡段位置最大差異值分別從2.873、0.706 mm（工點1）降低至0.373、0.201 mm（工點2）。

（3）隨復(fù)合地基施工，本側(cè)涵洞上側(cè)變形呈波動上升趨勢，過渡段位置變形先增加而后降低；當(dāng)涵洞接長結(jié)構(gòu)施工時，本側(cè)涵洞上側(cè)變形值隨涵洞接長結(jié)構(gòu)各階段澆筑突降式減小，且明顯高于過渡段位置。

（4）路涵過渡段填筑階段，各工點物位計沉降值均隨填筑高度的增加而非線性增加，且各填筑階段過渡段位置沉降變化值均高于涵洞上側(cè)；至過渡段填筑完成，兩工點產(chǎn)生的最大軌道前后高低值分別為1.1 mm/（10 m）和1.2 mm/（10 m），最大沉降值分別為14.020 mm 和20.528 mm，均滿足前后高低值（3 mm/（10 m））和工后沉降值（≤5 cm）控制要求。