高速鐵路橋梁跨越既有鐵路的施工技術(shù)

張守信

摘要：以某實(shí)際高速鐵路橋梁跨越既有鐵路工程為依托，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程概況與地質(zhì)條件，提出橋梁跨越既有鐵路施工技術(shù)。通過框架橋預(yù)制、掘進(jìn)參數(shù)控制及跨越試驗(yàn)段的確定等施工前準(zhǔn)備，根據(jù)施工工藝流程完成橋梁跨越鐵路施工。對(duì)施工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析表明，跨越段地表沉降量符合設(shè)計(jì)要求，可為類似工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：跨越；橋梁；既有鐵路；施工技術(shù)

0? ?引言

高速鐵路橋梁跨越既有鐵路工程具有跨度大、距離長(zhǎng)、周圍干擾因素多、施工環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，給施工過程帶來了極大的挑戰(zhàn)，提高了工程的風(fēng)險(xiǎn)程度，為此施工方案的合理選擇尤為關(guān)鍵。

當(dāng)前，應(yīng)用較為廣泛的橋梁跨越既有鐵路施工技術(shù)，為箱橋頂進(jìn)與鐵路下穿施工工藝[1]。箱橋頂進(jìn)施工方法主要通過數(shù)值計(jì)算與模型分析，借助輔助加固措施進(jìn)行反力墻與管幕施作，完成施工過程。但該施工方法對(duì)既有鐵路的穩(wěn)定性影響較大，其安全性及使用性能還有待提高。

目前，鐵路下穿施工工藝主要是在管幕雙層支護(hù)條件下，采用臺(tái)階式開挖施工方式。經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用表明，采用該工藝地表沉降量較大，不符合相應(yīng)施工監(jiān)測(cè)的控制標(biāo)準(zhǔn)。鑒于以上問題，本文結(jié)合實(shí)際工程案例，設(shè)計(jì)一種新穎的橋梁跨越既有鐵路施工技術(shù)，并基于施工效果展開可行性研究。

1? ?工程概況

某高速鐵路是一條新的客運(yùn)專線，根據(jù)ZK活載設(shè)計(jì)，時(shí)速250km。其中橋梁跨越工程是整個(gè)過程中的核心性工程。主橋結(jié)構(gòu)為反力墻混凝土橫架拱橋，分別跨越兩條主要道路、一個(gè)水電站及1條其他公路，長(zhǎng)574m。河道寬約300m，為規(guī)劃的V（2）級(jí)水道。

該橋梁的初期設(shè)計(jì)跨度總長(zhǎng)為264m，包含一條城市道路，寬約25m，凈高超過20m[2]。城市道路橫穿3條鐵軌及水電站，主跨為123m，側(cè)跨70m，位于鐵路出入口咽喉處。該鐵路每天開行70對(duì)列車，交通密度約為5.8輛/h。

梁體為單箱雙室截面，頂寬1650cm，底寬1370cm。根梁高8.5m，中跨梁高3.8m，梁底為二次拋物線。設(shè)計(jì)基于三向預(yù)應(yīng)力，采用C55混凝土。涵洞跨度10m、18m、10m，道路中心線與鐵路上行方向的夾角約為75.36°?？蚣軜驑蝽斉c鐵路下行方向的尾端距離為2.3m，框架橋立板與跨越鐵路之間的水平距離為15.63m。

框架橋總質(zhì)量5869t，平均厚度為10.6m，平均頂升力為1250.3t，頂升長(zhǎng)度可達(dá)到62m[3]。主橋梁的最大升跨比為1/3，斷面主要采用Φ1000mm×16mm的可變高度架式斷面。幅橋梁最大升跨比為1/6，斷面采用Φ1000mm×16mm的混凝土拱形斷面。鋼管拱的鋼材材質(zhì)為Q345qD，拱肋、拱助內(nèi)采用C40混凝土注漿。單根拱肋包含10組立板，相鄰兩塊立板間的距離為6.1m。主橋主要由實(shí)體墩石與Φ2.5m樁基組成，平均樁徑為6.2m。部分鋼筋混凝土樁基參數(shù)如表1所示。

該鐵路位于曲線半徑為410m、430m的高速鐵路區(qū)間，首次穿過3條鐵軌和交叉道岔，包括4個(gè)信號(hào)燈、2個(gè)道岔機(jī)、4個(gè)接觸網(wǎng)支柱和其他相關(guān)設(shè)備和設(shè)施。第二次，它穿過2條鐵軌、一座鐵路橋和7根接觸網(wǎng)支柱。左線隧道頂部與鐵路軌底之間的垂直間隙約為25.7m（與第2個(gè)地下通道間隙為27.6m），右線隧道頂部和鐵路軌底的垂直間隙為25.0m（與第2個(gè)地下通道間距為28.4m）。

2? ?施工準(zhǔn)備

2.1? ?框架橋預(yù)制

2.1.1? ?確定基坑開挖地點(diǎn)

首先需要確定工程的基坑開挖地點(diǎn)。在不破壞既有鐵路條件下，在保護(hù)區(qū)外的指定范圍內(nèi)開挖基坑。參照擬建場(chǎng)地的土質(zhì)條件、工程設(shè)計(jì)要求等適時(shí)更換樁基礎(chǔ)，之后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙制作框架橋。

2.1.2? ?布設(shè)掛網(wǎng)

工作坑高邊坡周圍每隔2m布置一片掛網(wǎng)，便于噴射混凝土。在掛網(wǎng)表面均勻涂抹1.5cm厚的工程用砂漿，作為周圍掛網(wǎng)與邊坡間的隔離層，同時(shí)保證隔離層與鐵路側(cè)的距離不小于3.5m。

2.1.3? ?配置混凝土漿液

之后利用鋼筋混凝土制作框架橋。按照1：3的水與水泥比例配置混凝土漿液，框架橋的結(jié)構(gòu)為剛性框架連接結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行混凝土底板施工[4]。

2.1.4? ?混凝土底板施工

在反力墻與框架橋頂板之間的縫隙處放置混凝土底板，與反力墻和頂板間距均為2m，同時(shí)利用腳手架固定墻體與底板。基于腳手架與鋼木復(fù)合模板分兩次將混凝土澆筑成型，模板采用十字鋼釘進(jìn)行加固。

框架橋的鋼筋骨架屬于大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，體系為固定板支撐，為此對(duì)框架橋骨架進(jìn)行混凝土澆筑前，要嚴(yán)格控制漿液配比以及混凝土成型過程中的坍落度及振石的振動(dòng)頻率。

2.1.5? ?養(yǎng)護(hù)

澆筑結(jié)束后要隨混凝土進(jìn)行合理養(yǎng)護(hù)，根據(jù)實(shí)際施工條件，設(shè)定養(yǎng)護(hù)溫度與養(yǎng)護(hù)條件?？蚣軜蛑谱魍瓿珊?，使用聚合防水膠由框架橋頂板向底板方向反復(fù)涂抹，以起到二次保護(hù)作用。

2.2? ?掘進(jìn)控制

2.2.1? ?確定掘進(jìn)方案

根據(jù)施工要求可知，跨越橋梁在鐵路段的最大埋深為32.6m。該區(qū)域的地質(zhì)主要為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，其中摻雜少量圓礫。經(jīng)過掘進(jìn)方案比選，確定采用輔助推進(jìn)模式，以保證將掘進(jìn)載荷控制在最低。需要注意的是，在掘進(jìn)之前，要仔細(xì)檢查掘進(jìn)機(jī)械的保護(hù)刀具的磨損情況[5]。

2.2.2? ?擬定掘進(jìn)參數(shù)

以其他類似工程為借鑒，對(duì)本工程的鐵路試驗(yàn)段的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)比分析地質(zhì)條件，擬定了跨鐵橋梁的隧道掘進(jìn)參數(shù)，如表2所示。

2.2.3? ?掘進(jìn)控制要點(diǎn)

掘進(jìn)方式主要為“輔助掘進(jìn)”，頂部開挖方式為高塑性推進(jìn)，保證工程的穩(wěn)定性。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)積渣筒倉(cāng)的高度超過筒倉(cāng)容量的2/3時(shí)，對(duì)其進(jìn)行清理。在推進(jìn)框架橋頂板表面的巖層時(shí)，渣土的清理標(biāo)準(zhǔn)為筒倉(cāng)中的渣土超過總?cè)萘康?/2，每次掘進(jìn)深度不應(yīng)小于5.5m。

為滿足螺旋鉆機(jī)的鉆孔需求，提前預(yù)防巖性突變帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)，在開挖過程中，要保持渣土表面在一個(gè)高度，以避免對(duì)工作面施加負(fù)壓導(dǎo)致坍塌。

2.3? ?裝置配備與跨越試驗(yàn)段確定

2.3.1? ?裝置配備

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件與地質(zhì)現(xiàn)狀，參照以往橋梁鐵路施工經(jīng)驗(yàn)，決定采用2臺(tái)Herrick土壓平衡鉆機(jī)在鐵路沿線分距離鉆進(jìn)，并配備高速率空氣防噴儀[6]。

鉆機(jī)內(nèi)置漿液添加裝置與泡沫產(chǎn)生裝置，邊鉆進(jìn)邊改良土渣性質(zhì)，增大其流塑性以及彈性，從而減小鉆機(jī)土倉(cāng)的表面壓力。由于高速率空氣旋噴儀器能夠通過調(diào)節(jié)旋噴速率來控制挖土量，因此開挖表面的平整度較高，不會(huì)破壞原有土質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)既有鐵路的安全產(chǎn)生影響。

2.3.2? ?跨越試驗(yàn)段確定

根據(jù)鐵路上行線方向、線路正上方的施工條件以及鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果，選定跨越前100條環(huán)線作為橋梁跨越的鐵路試驗(yàn)段。在橋梁跨越鐵路掘進(jìn)參數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)段勘察結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)取值，保證既有鐵路的安全運(yùn)行。

3? ?施工工藝流程

3.1? ?過渡架空

3.1.1? ?架空方式

架空線路采用4根組合式橫向提升梁，包括7跨16m的I100型鋼縱梁、4.95m的I20型鋼枕、16m的I56C型鋼橫梁、20m的I56C型鋼橫梁。人工挖孔樁與橫向提升梁的間距為7.3m，將Φ1.25m樁基作為人工支撐樁的基礎(chǔ)，采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的方式進(jìn)行架空。

架空總長(zhǎng)為234.8m，其中架空梁正下方的軌面高程為5.6m，高于其他軌面大約2.3m。架空梁的底部支撐樁為13.2m、Φ1.25m的人工制作孔樁，其他軌道的支撐樁為11.5m、Φ1.25m機(jī)械挖孔樁[7]。

3.1.2? ?架空樁布置

為滿足鐵路兩側(cè)的降水要求，在橋梁周邊布置一層架空樁，兩者之間的斷面位置示意圖如圖1所示。其中A樁為過渡架空樁，B樁為下部傘形樁。

地下水的水位高度為9.6m，屬于低水位，且土質(zhì)條件較為惡劣，為防止不良地質(zhì)對(duì)后續(xù)施工的影響，現(xiàn)場(chǎng)先使用3根L=23m、Φ1.25m挖孔樁進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，當(dāng)?shù)叵滤耐寥罓顟B(tài)為可塑性時(shí)，表明此時(shí)地下水處于水流追蹤狀態(tài)，此時(shí)可進(jìn)行人工挖孔施工。

由于架空線路的跨度大，所需地基支撐樁的數(shù)量較多，進(jìn)而增大降水面積與深度，因此為保證既有鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，綜合考慮地下水的水位條件，最終決定采用15m的支護(hù)樁，置于除上行線以外的其他軌道下方。

3.2? ?自密實(shí)混凝土澆筑

3.2.1? ?安裝封邊模板

橋梁的過渡架空施工結(jié)束后，立即在架空底板上安裝封邊模板（125mm的硬鋼材質(zhì)），并在其內(nèi)側(cè)覆蓋一層2.5mm厚的不透水薄膜。

在模板的四個(gè)角位置，利用鉆機(jī)鉆出孔徑為1.2mm的圓孔，作為模板的通風(fēng)口，以避免自密實(shí)混凝土在模板轉(zhuǎn)角位置出現(xiàn)泡沫聚集現(xiàn)象。同時(shí)將模板的兩根排氣管置于高程為5.6m的軌面上。觀察軌道架空梁立板之間的距離，若距離較近，則需要把通風(fēng)口錯(cuò)開。

3.2.2? ?布置壓緊裝置

為防止在澆筑混凝土過程中，軌道板由于浮力作用超出上限標(biāo)準(zhǔn)，在澆筑前，應(yīng)該在軌道板底部布置壓緊裝置，并利用鋼絲將兩者進(jìn)行固定[8]。壓緊裝置的橫梁為鋼槽深度為2.4～3.5m的凹形。

增加鋼絲直徑使其與鋼槽厚度一致，并在鋼槽內(nèi)側(cè)設(shè)置防水與防滑裝置。P5600型的軌道板的防水裝置與防滑裝置的總數(shù)量不得少于4個(gè)，其他輔助裝置數(shù)量應(yīng)該根據(jù)混凝土澆筑效果進(jìn)行適當(dāng)增加與減少。

3.2.3? ?混凝土澆筑速度控制

前文對(duì)試驗(yàn)段的預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，若混凝土澆筑速度過快，則會(huì)導(dǎo)致軌道板發(fā)生橫向位移，最大位移可達(dá)4.3mm。鑒于此，需要嚴(yán)格控制混凝土的澆筑速度。通常情況下，澆筑過程要在7～10min之內(nèi)完成，軌道板的支撐架應(yīng)該在混凝土初凝之后再拆除，以保證混凝土終凝后不會(huì)產(chǎn)生間隙。

3.2.4? ?澆筑操作要點(diǎn)

根據(jù)軌道模板與現(xiàn)澆支架的安裝進(jìn)度，在軌道兩側(cè)，同時(shí)進(jìn)行混凝土澆筑操作?；炷翝{液通過運(yùn)輸小車將混凝土運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)，然后將混凝土放入混凝土輸送泵中，利用混凝土輸送泵泵送混凝土至橋梁處。

3.3? ?連續(xù)梁施工

連續(xù)梁全長(zhǎng)196m，采用支架現(xiàn)澆。分A，B，C三個(gè)節(jié)段，如圖2所示?，F(xiàn)澆梁的A、B、C段長(zhǎng)度分別為65.3m、56.3m、75.9m。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，先對(duì)A段進(jìn)行連續(xù)梁施工，當(dāng)A段混凝土的終凝強(qiáng)度達(dá)到施工要求的80%以上時(shí)，停止?jié)仓?，并立即拆除該段?nèi)部的應(yīng)力筋。之后利用相同方法對(duì)B、C段進(jìn)行連續(xù)梁施工。為保證現(xiàn)澆梁施工時(shí)間不超過混凝土澆筑時(shí)間，采取A、C段的后澆帶同時(shí)施工的方式，并對(duì)施工段的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行整體張拉。

3.4? ?注漿

3.4.1? ?確定漿液配比

該工程的灌漿施工過程分為同步注漿與二次注漿兩部分。經(jīng)過預(yù)前試驗(yàn)，選取具有良好和易性、一定抗壓強(qiáng)度的水、水泥與復(fù)合摻料作為漿液的主原料。同步灌漿與二次灌漿液的配比情況見表3。

3.4.2? ?合理控制注漿壓力和注漿量

同步灌漿壓力應(yīng)控制在0.16～0.18MPa，同步注漿量控制在3.4～5.2m3范圍內(nèi)。為防止混凝土泵中的漿液出現(xiàn)提前凝固現(xiàn)象，在每個(gè)灌漿周期結(jié)束后，需注入自來水清洗灌漿管道。

二次注漿應(yīng)在同步注漿終凝2d后進(jìn)行，注漿時(shí)長(zhǎng)為同步注漿過程的2倍。二次注漿的目的是補(bǔ)充孔隙，以提高掘進(jìn)圍巖的穩(wěn)定性，有效阻止地基沉降。每圈進(jìn)行二次注漿時(shí)，盾構(gòu)尾部需要拆除10圈管片。

要求二次注漿量為0.3m3，注漿壓力為0.3MPa。在二次注漿過程中，當(dāng)滿足壓力或注漿量?jī)蓚€(gè)條件之一時(shí)，應(yīng)立即停止注漿，以防止壓力過大而引起隆起。

4? ?施工效果分析

整個(gè)鐵路施工工程歷時(shí)7個(gè)月，為驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)的鐵路施工效果，對(duì)橋梁跨越段沉降情況進(jìn)行觀測(cè)。線路架空階段，在架空段路段各設(shè)置一個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在施工期間每天時(shí)隔3h監(jiān)測(cè)一次，并每2h派專人對(duì)施工段及前后50m線路進(jìn)行檢查。

該工程項(xiàng)目的控制指標(biāo)，為最大沉降量不超過10mm。對(duì)跨越段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)制成沉降曲線。沉降監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，試驗(yàn)地段的累積沉降值在3d后逐漸平穩(wěn)，其中最大沉降值為5.1mm，未超過允許值，滿足10mm的工程控制指標(biāo)。實(shí)踐證明，橋梁跨越既有鐵路的施工過程順利，施工技術(shù)合理，能夠保證高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

5? ?結(jié)束語

高速鐵路橋梁跨越既有鐵路工程具有跨度大、距離長(zhǎng)、周圍干擾因素多、施工環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，給施工過程帶來了極大的挑戰(zhàn)，提高了工程的風(fēng)險(xiǎn)程度，為此施工方案的合理選擇尤為關(guān)鍵。

本文以實(shí)際建設(shè)工程項(xiàng)目為研究背景，對(duì)高速鐵路橋梁跨越既有鐵路施工技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。結(jié)合工程特點(diǎn)制定合理的施工方案，通過施工監(jiān)測(cè)與效果評(píng)價(jià)得出，文中所提施工技術(shù)具有可行性，可為類似建設(shè)條件下的橋梁施工工程提供借鑒作用。

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