人工挖孔樁在高速鐵路運(yùn)營線路站場改造施工中的兩種應(yīng)用

舒思義

（中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036）

1 工程實(shí)例

該實(shí)例為天津西站和北京大興國際機(jī)場的鐵路聯(lián)絡(luò)線，其中天津西站至勝芳站利用既有津霸客專，固安東站至大興國際機(jī)場站利用既有京雄城際。勝芳站改造施工是津興鐵路的一項(xiàng)控制性工程，改造區(qū)域位于勝芳高鐵站西咽喉，通過對(duì)既有路基進(jìn)行幫寬，并對(duì)線路進(jìn)行改造，在既有津霸客專正線上插入2組42#道岔實(shí)現(xiàn)新建津興鐵路引入勝芳站，從而利用津霸客專與天津方向連通；新線引入勝芳站需在站場與橋梁分界處新建橋臺(tái)，同時(shí)站內(nèi)進(jìn)行接觸網(wǎng)改造施工，新建橋臺(tái)防護(hù)樁及新建接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)施工均需采用人工挖孔樁形式，通過地質(zhì)情況調(diào)查及設(shè)計(jì)資料核對(duì)并結(jié)合現(xiàn)場施工環(huán)境，人工挖孔樁分別采取永久鋼護(hù)壁及混凝土沉管護(hù)壁形式，施工效果安全、可靠，最大限度降低了對(duì)既有線行車的影響，得到了鐵路局及相關(guān)站段的一致好評(píng)，同時(shí)為其他類似工程施工提供了參考依據(jù)。

2 既有高鐵線路旁人工挖孔樁永久鋼護(hù)壁形式

新建津興鐵路勝芳左右線橋臺(tái)里程為：DK49+003.38，既有津霸客專里程為K37+243.970。新線引入過程中需在既有橋臺(tái)旁新建橋臺(tái)，新建橋臺(tái)邊緣與既有橋臺(tái)邊緣相距4.2m，新建橋臺(tái)施工時(shí)侵入既有橋臺(tái)護(hù)錐，為保證既有津霸客專行車安全，采用人工挖孔防護(hù)樁施工，為防止既有橋臺(tái)受偏載影響發(fā)生變形，既有橋臺(tái)兩側(cè)挖孔樁對(duì)稱施工（見圖1）。津霸客專梁邊緣與防護(hù)樁施工最近距離1.7m。防護(hù)樁采用直徑1.25m，A(A')型7根，樁長12m，沿路基邊坡向坡腳其余4根B(B')型樁長依次為9m、6m、4m、3m，采用三面防護(hù)，防護(hù)樁共計(jì)30根，樁間距1.7m。結(jié)合鐵路局工務(wù)部門對(duì)人工挖孔樁施工提出的要求，孔內(nèi)護(hù)壁采用永久鋼護(hù)壁形式，規(guī)避了挖孔過程中因護(hù)壁強(qiáng)度不足造成的塌孔進(jìn)而影響行車的事故。

圖1 新建橋臺(tái)與既有橋臺(tái)位置關(guān)系圖、永久鋼護(hù)壁結(jié)構(gòu)圖

施工前需破除既有橋臺(tái)錐體護(hù)坡，利用土袋砌筑施工平臺(tái)，對(duì)應(yīng)挖孔位置做護(hù)壁鎖口，挖孔樁開挖遵循隔二挖一的原則，跳孔開挖，分8組（左右橋臺(tái)各4組）施工，具體施工順序?yàn)椋旱谝恢芷贐(B')3、A(A')2、A(A')5、B(B')8，第二周期B(B')4、A(A')3、A(A')6、B(B')7，第三周期A(A')1、A(A')4、A(A')7，第四周期B(B')2、B(B')6，第五周期B(B')1、B(B')5。樁孔開挖采用分節(jié)挖土法，人工手持十字鎬，鐵鍬裝入提升吊桶內(nèi)，由手搖轆轆提至地面后，就地裝袋碼放或攤鋪，以便逐漸擴(kuò)大操作面?？讟堕_挖按照掘進(jìn)一段、護(hù)壁一節(jié)的施工原則，由淺至深不斷循環(huán)作業(yè)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)樁深，一般情況下每次單節(jié)開挖深度控制在0.5m左右。

護(hù)壁采用C25混凝土現(xiàn)澆，護(hù)壁上口厚度200mm，下口厚150mm，上下護(hù)壁間搭接50mm，護(hù)壁采用外齒式，每節(jié)護(hù)壁控制在0.5m左右。護(hù)壁豎向和水平均采用Φ10鋼筋，單層設(shè)置，間距25cm。護(hù)壁模板采用定型組合式拼裝鋼模板，為不拆除永久模板，厚度為5mm，沿樁孔一周分為四塊，分別吊裝安裝。為保證模板剛度，護(hù)壁模板內(nèi)側(cè)用80×60×5聯(lián)結(jié)鋼片焊接加固，模板的每道交接縫設(shè)置三個(gè)連接點(diǎn)。支模時(shí)在內(nèi)側(cè)用木方支撐，預(yù)防澆筑護(hù)壁混凝土?xí)r模板變形。模板做成上口小、下口大的形狀，即每節(jié)護(hù)壁接頭處成八字階梯形。每節(jié)模板安裝均采用井內(nèi)吊線定位，模板安裝完畢后進(jìn)行復(fù)測，確保斷面大小、樁孔垂直度符合設(shè)計(jì)要求，護(hù)壁模板加工誤差控制在5mm以內(nèi)。

為最大限度降低挖孔樁施工對(duì)既有線行車的影響，挖孔樁施工需利用高速鐵路天窗點(diǎn)內(nèi)時(shí)間進(jìn)行，鋼筋籠吊裝及混凝土澆筑作業(yè)因施工機(jī)械與接觸網(wǎng)之間距離不滿足安全限界需求，需接觸網(wǎng)配合停電。該施工方法有效避免了高速鐵路既有橋臺(tái)錐坡開挖新建橋臺(tái)導(dǎo)致的路基坍塌引起人身傷亡事故及行車事故的發(fā)生，施工過程中未產(chǎn)生任何安全事故，施工工藝簡單、施工成本低、施工效果良好。

3 既有高鐵線路路基上方人工挖孔樁混凝土沉管護(hù)壁形式

勝芳站改造施工需進(jìn)行既有路基幫寬，同時(shí)引起既有接觸網(wǎng)位置調(diào)整，調(diào)整后接觸網(wǎng)距離既有線線路中心最近3.25m，受既有高鐵運(yùn)營影響，接觸網(wǎng)施工無法采用傳統(tǒng)的機(jī)械開挖方法，采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土護(hù)壁等強(qiáng)時(shí)間較長，不能在有效天窗點(diǎn)內(nèi)完成樁基礎(chǔ)施工，且施工材料清理時(shí)間長，不利于天窗點(diǎn)內(nèi)施工，采用鋼筋混凝土沉管護(hù)壁可充分利用高鐵天窗時(shí)間完成挖樁，及時(shí)進(jìn)行混凝土灌注，避免孔口塌方對(duì)行車造成的影響。

接觸網(wǎng)基礎(chǔ)護(hù)壁部分侵入既有線砟腳，施工過程中靠近線路方向設(shè)置擋砟板，防止道砟溜進(jìn)孔內(nèi)，保護(hù)既有道床。擋砟板采用厚3mm鋼板焊接而成，順線路方向尺寸為1.3m寬0.45m高，鋼板中心焊接1.3m長角鋼（45mm×45mm×5mm），擋砟板采用直徑16mm的J型鋼筋錨固，每塊擋砟板需錨固4根鋼筋，錨固深度不少于40cm。擋砟板后道砟最高為32cm，放置擋砟板挖出的道砟向道心或枕木頭位置進(jìn)行補(bǔ)填，防止線路縱向位移，保證營業(yè)線行車安全。

圖2 擋砟板樣式圖

圖3 J型鋼筋拉鉤樣式圖

接觸網(wǎng)基礎(chǔ)采用人工開挖成孔加預(yù)制鋼筋混凝土沉管護(hù)壁，樁孔開挖采用分節(jié)挖土法，人工手持十字鎬、鐵鍬進(jìn)行開挖，孔樁開挖按照掘進(jìn)一段、護(hù)壁一節(jié)的施工原則?；A(chǔ)挖土順序?yàn)橄戎胁亢笾苓叄_挖一節(jié)支護(hù)一節(jié)。護(hù)壁內(nèi)徑1m，每節(jié)高度0.5m，壁厚5cm。第一節(jié)開挖深度至0.3m開始沉管做護(hù)壁，外露0.2m作為孔口鎖口，防止道砟等掉入孔內(nèi)。之后每次單節(jié)開挖深度控制在0.5m，保證孔口外露護(hù)壁0.2m；由淺至深不斷循環(huán)作業(yè)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)樁深。樁頂部分挖孔時(shí)應(yīng)注意保持挖孔的垂直度，需使用鉛垂線吊線檢驗(yàn)。同時(shí)，要控制孔徑，避免超挖。深度到位后再次對(duì)孔深、垂直度、孔位進(jìn)行檢驗(yàn)。鉆孔深度和垂直度測定采用測繩（錘）和吊繩進(jìn)行測定，不符合要求時(shí)應(yīng)由人工進(jìn)行修孔，直到符合設(shè)計(jì)要求，孔位檢驗(yàn)由測量人員進(jìn)行檢查。

為防止沉管護(hù)壁外側(cè)空隙對(duì)路基本體產(chǎn)生影響，每節(jié)護(hù)壁外側(cè)與土基間灌入細(xì)砂（0.125～0.25mm）；灌入細(xì)砂時(shí)需繞護(hù)壁周圍均勻灌入，同時(shí)輕敲護(hù)壁，保證灌入密實(shí)。挖孔完成后在孔口護(hù)壁周圍灌入水泥漿液，進(jìn)一步保證沉管護(hù)壁外側(cè)密實(shí)，防止雨水灌入護(hù)壁外側(cè)引起土基坍塌。挖出的土裝入提升吊桶內(nèi)，由三角架定滑輪提至地面后，就地裝袋碼放，人工抬運(yùn)出既有線后裝車?yán)摺?/p>

人工挖孔時(shí)保證每天點(diǎn)畢前將孔口用鋼板沖孔網(wǎng)覆蓋，并用膨脹螺栓固定在護(hù)壁鎖口，護(hù)壁提前預(yù)留或點(diǎn)前開好膨脹螺栓孔，采用膨脹螺栓將鋼板沖孔網(wǎng)固定，鋼板沖孔網(wǎng)厚8mm，沖孔率70%，沖孔網(wǎng)表面焊接4根12mm鋼筋防止在列車荷載作用下沖孔網(wǎng)飛起并沿線路滾動(dòng)?？卓诓捎肕10×80型號(hào)膨脹螺栓在沉管壁厚中心位置開孔，膨脹螺栓邊距護(hù)壁邊緣3.4cm。鋼板沖孔網(wǎng)設(shè)置4根直徑12mm的G型鋼筋錨固深度20cm，通過對(duì)鋼板沖孔網(wǎng)在水平放置狀態(tài)下、鋼板沖孔網(wǎng)與水平面呈15夾角兩種工況的受力分析，考慮250km/h高速列車通過產(chǎn)生的風(fēng)動(dòng)力，計(jì)算膨脹螺栓錨固力滿足要求，安全系數(shù)可達(dá)30倍，能夠有效保證列車運(yùn)行時(shí)不會(huì)引起鋼板沖孔網(wǎng)飛出，保證既有線行車安全。

圖4 鋼板沖孔網(wǎng)封口示意圖

圖5 鋼板沖孔網(wǎng)實(shí)物圖

施工過程中人工挖孔及鋼筋籠安裝均利用天窗點(diǎn)要點(diǎn)施工；鋼筋籠安裝、混凝土澆筑及施工過程中機(jī)具物料與接觸網(wǎng)之間不滿足安全距離時(shí)需接觸網(wǎng)停電才能繼續(xù)施工。鄰近施工過程中靠近既有線施工的大型機(jī)械采取接地措施，進(jìn)一步保證了既有線安全。

4 沉管護(hù)壁強(qiáng)度驗(yàn)算

為保證挖孔樁施工對(duì)既有線行車安全，針對(duì)路基上方人工挖孔樁混凝土沉管護(hù)壁采用大型通用有限元分析軟件MidasGTSNX建立整體有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，土體模型認(rèn)為各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布且同一土層為各向同性，考慮巖土工程中存在的開挖問題及樁基施工等問題的施工過程通常較為復(fù)雜，如分步驟開挖、分步加載的施工等，常規(guī)的分析方法計(jì)算起來十分困難，往往需要通過有限元對(duì)周圍土體的位移、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形等進(jìn)行分析。針對(duì)這類問題，國內(nèi)外應(yīng)用最多的研究方法是有限元法，該方法可以用于求解非線性問題，可在計(jì)算過程中模擬各種復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系，易于處理非均勻介質(zhì)問題、模擬各向異性材料，適用于各種復(fù)雜的邊界條件。

整個(gè)分析過程分為11個(gè)階段：施加地基及既有線自重荷載、軌道列車荷載并清零—分步開挖樁基基坑并施工沉管護(hù)壁（每步開挖深度0.5m）—樁基施工，具體模擬過程如表1所示。

表1 施工階段說明

計(jì)算可得到每個(gè)分析步下模型應(yīng)力場分布，隨著樁基開挖深度的增加，樁基基坑開挖對(duì)既有路基的影響逐漸增大，列出基坑開挖工況下的沉管壓力場分布如圖6、圖7所示。

圖6 沉管表面垂直線路向壓應(yīng)力

圖7 沉管表面沿線路方 方向壓應(yīng)力

沉管護(hù)壁采用C30混凝土預(yù)制，C30混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=14.3MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.43MPa。根據(jù)預(yù)制沉管護(hù)壁的受力分析結(jié)果，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.35，沉管護(hù)壁外表面法向最大壓應(yīng)力產(chǎn)生在3.5m～4.0m范圍，1.35×840kPa＜ft；沉管護(hù)壁外表面法向最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在3.5m～4.0m范圍，1.35×491kPa＜fc。由計(jì)算可知，混凝土沉管護(hù)壁強(qiáng)度滿足要求，安全系數(shù)較高。

5 社會(huì)效益分析

隨著高速鐵路建設(shè)腳步日益加快，人工挖孔樁施工工藝也將發(fā)展出不同形式的護(hù)壁結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而適應(yīng)不同的施工環(huán)境，此次闡述的兩種護(hù)壁結(jié)構(gòu)形式在未來高速鐵路站場改造中將得到更廣泛應(yīng)用，能夠適應(yīng)現(xiàn)如今對(duì)既有線施工的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求的境況，為更高效、安全、經(jīng)濟(jì)施工創(chuàng)造條件，從成本角度分析，永久鋼護(hù)壁雖然在一定程度上增加了成本，但其產(chǎn)生的護(hù)壁效果好于傳統(tǒng)護(hù)壁形式，更為安全，混凝土沉管護(hù)壁在一定程度上節(jié)約了施工時(shí)間，并大大降低了施工所需的材料和人力成本，是一種更為適用于既有高鐵路基上方天窗點(diǎn)挖樁成孔的施工方法，推廣意義很大。

6 結(jié)語

該施工方法對(duì)以后類似工程設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義，具有廣泛的推廣和應(yīng)用前景。目前我國有軌交通、橋梁工程正在飛速發(fā)展，站場改造要求標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，追求更高效、合理的施工方法尤為重要，而永久鋼護(hù)壁人工挖孔樁相對(duì)于傳統(tǒng)混凝土護(hù)壁具有護(hù)壁強(qiáng)度大、安全性高、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，在營業(yè)線增建二線工程方面具有明顯優(yōu)勢；混凝土沉管護(hù)壁相對(duì)于傳統(tǒng)混凝土護(hù)壁具有節(jié)約施工時(shí)間、施工周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，人工挖孔樁作為現(xiàn)代化高速鐵路站場改造施工將會(huì)大面積推廣和采用。