頂進框架橋下穿京滬鐵路與京滬高速鐵路預留立交橋?qū)拥脑O(shè)計探索和實踐

梁紅燕

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司,北京 102600)

京滬高速鐵路從河北省廊坊市的西北側(cè)橫穿市區(qū)到達東南側(cè),將整個市區(qū)一分為二,在建京滬高速鐵路下已預留了立交橋,但既有京滬鐵路位于京滬高速鐵路的左側(cè),與在建京滬高速鐵路平行走向,在既有京滬鐵路下對接頂進下穿框架橋,貫通整個廊坊市的交通成為關(guān)鍵。目前京滬高速鐵路正在建設(shè)中,橋位處高速鐵路的軌道板已經(jīng)鋪設(shè)就位,頂進框架橋的施工必將對已建成的京滬高速鐵路有影響。經(jīng)過數(shù)次專家會議的討論和論證,最后達成一致意見：要求頂進框架橋施工引起的線路變形控制在1 mm以內(nèi),該部分變形可通過后期的聯(lián)試進行調(diào)整。為了在京滬高速鐵路正式聯(lián)試前將下穿京滬鐵路框架橋盡快頂進到位,同時還要將施工中對京滬高速鐵路的影響減少在可控制的范圍內(nèi),都成為本批工程的設(shè)計難點。下面就河北省廊坊市規(guī)劃龍河園區(qū)路與京滬鐵路立交橋工程,對該批工程的設(shè)計探索和實踐進行簡單的闡述,以供借鑒。

1 工程概況

1.1 既有鐵路情況

橋址位于京滬鐵路廊坊站至落垡站之間的區(qū)間線路上。橋址處既有京滬鐵路3股道,分別為京滬鐵路上行線、下行線、第3線,3股道之間的線間距為：4.1、5.3 m,3股道均為曲線,曲線半徑R=3 500 m,60 kg/m鋼軌,無縫線路,鋼筋混凝土枕,線路縱向坡度均為下坡,路基填方高度1～2 m。橋址處京滬鐵路均為電氣化鐵路,框架橋影響范圍內(nèi)有101號—102號、099號—100號2組接觸網(wǎng)硬橫梁,鐵路路基兩側(cè)坡腳處均敷設(shè)有鐵路電纜,橋址北側(cè)有104國道。

1.2 在建京滬高速鐵路情況

在建京滬高速鐵路位于京滬鐵路右側(cè),與京滬鐵路平行走向,橋址處京滬高速鐵路為2股道,分別為左線和右線,線間距為5.0 m,京滬高速鐵路與京滬鐵路之間線距離為18.66 m。京滬高速鐵路路基坡腳設(shè)有排水溝,左側(cè)排水溝(京滬鐵路與京滬高速鐵路間)為矩形,深0.8 m、寬0.4 m；右側(cè)排水溝為梯形,頂寬1.8 m、底寬0.6 m、深0.6 m。橋址處京滬高速鐵路預留8 m-16 m-8 m框架橋已建成,并已填埋。框架橋結(jié)構(gòu)總高度10.55 m,結(jié)構(gòu)凈高7.85 m,頂板厚1.3 m,底板厚1.4 m,邊墻、中墻均厚為1.2 m,中孔頂板加腋采用0.8 m×2.4 m,邊孔頂板加腋采用0.8 m×1.6 m,底板加腋均采用0.3 m×0.3 m,主體全長為19.602 m。

1.3 鐵路規(guī)劃情況

根據(jù)鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司《關(guān)于廊坊市主城區(qū)道路與既有京滬鐵路交叉情況的說明(初步意見)》：京滬鐵路北京與天津間規(guī)劃為4線,第4線規(guī)劃位于既有第3線的東側(cè),線間距為7 m,與既有鐵路平行等高布置,立交橋設(shè)計應預留出規(guī)劃線路的條件；規(guī)劃有廊坊至首都第二機場鐵路客運專線,為雙線,線間距為5 m,規(guī)劃位于在建京滬高速鐵路的西側(cè),兩線間的距離為9.5 m,為平行等高布置,立交橋設(shè)計應預留出規(guī)劃線路的條件。

1.4 地質(zhì)情況

本場地巖土層共分為6個主層,其地層巖性特征由上至下依次為第①層雜填土,層厚0.6～1.1 m；第②層粉土,層厚1.1～2.4 m；第③層黏土,層厚4.0～5.6 m；第④層粉質(zhì)黏土,層厚1.8～2.4 m；第⑤層粉土,層厚3.1～4.1 m；第⑥層粉質(zhì)黏土,層厚大于10.0 m。本場地地下水屬第四系孔隙潛水,勘察期間(2010年9月28日)場地內(nèi)地下水位高程7.00～8.04 m,埋藏深度1.9～3.8 m,主要接受大氣降水的補給,地下水變化幅度受大氣降水、地面蒸發(fā)及地表徑流的影響較大。該場地地下水對混凝土具氯鹽侵蝕性,環(huán)境作用等級L1；具硫酸鹽侵蝕性,環(huán)境作用等級H1。物理力學性質(zhì)指標及巖土參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學性質(zhì)指標及巖土參數(shù)

2 頂進框架橋設(shè)計

頂進框架橋結(jié)構(gòu)采用3孔連體式框架結(jié)構(gòu)[1],凈跨為(8-16-8)m,框架橋中心線與京滬鐵路中心線夾角為88.35°,與京滬高速鐵路中心線夾角為89.25°。為了更好地與已建立交橋?qū)?加大了頂進框架橋的結(jié)構(gòu)尺寸,并將頂進框架橋按邊線與中線夾角89.25°設(shè)計。框架橋頂板頂面距最低鋼軌底面(京滬鐵路第3線)的距離為0.8 m,距最高鋼軌底面(京滬鐵路下行線)的距離為1.31 m。框架橋結(jié)構(gòu)總高度8.0 m,結(jié)構(gòu)凈高5.7 m,頂板厚1.1 m,底板厚1.2 m,邊墻、中墻均厚1.2 m,邊孔頂板加腋采用0.4 m×1.2 m,中孔頂板加腋采用0.5 m×1.5 m,底板加腋均采用0.2 m×0.2 m,主體全長[2]為28.1 m(以上尺寸均為框架橋正向尺寸)。框架橋橫向正截面見圖1。

圖1 框架橋橫向正截面(單位：cm)

框架橋的結(jié)構(gòu)底板底高程2.54 m,基底壓應力為100 kPa。結(jié)構(gòu)基底位于第③層黏土上,地基基本承載力為120 kPa,滿足基底壓應力的要求[3]。

3 框架橋施工過程中對京滬高速鐵路影響的理論分析及采取的措施

3.1 框架橋工作坑施工和框架橋頂進施工對京滬高速鐵路影響的理論分析

框架橋施工過程中對京滬高速鐵路路基的影響主要在于施工降水對既有建筑物及地面造成沉降。從土的物理性質(zhì)來看,地層中的土主要是由土顆粒、水和空氣3部分組成[4],當施工過程將地層中的水抽出,土中的含水量減少,使浮力減少,等于增加了附加應力,使土體固結(jié)壓縮,就產(chǎn)生沉降。從橋位處的土層分布情況來看,大多以粉土和粉質(zhì)黏土為主,這2種土質(zhì)的滲透系數(shù)很小,也就是土層中的水滲流很慢,也就造成了廊坊市地下水位較高的現(xiàn)狀。

在整個工程施工過程中放在首位的就是要控制施工降水時京滬高速鐵路路基附近水位不變化,這樣施工降水對京滬高速鐵路的影響就減少到最小,乃至沒有。降水是用φ30 cm的鑄鐵管作為井管,井管內(nèi)裝揚水管和空氣管,用空氣壓縮機壓入空氣,經(jīng)氣水混合形成大小不等的水泡,沿揚水管上升排走。

圖2即為無壓非完整井的井點降水[5]。從圖中可以看出,井點降水在框架橋兩側(cè)形成一個漏斗形狀的水位線,弧形的水位線在降水井管兩側(cè)慢慢上升至原地下水位,從基坑中心算起的影響半徑R0=R+X0。

圖2 非完整井井點降水

3.1.1框架橋預制工作坑開挖降水對京滬高速鐵路的影響

工作坑開始前,需保證基坑內(nèi)水位降至工作坑滑板以下1.5 m處。采用管井降水時,水位是以管井底為中心形成漏斗曲線并外推,從基坑中心算起的影響半徑為R0。位于影響半徑R0范圍內(nèi)的土體中的水位是下降的,水位的下降引起既有建筑物及地面的沉降。

3.1.2框架橋頂進施工過程對京滬高速鐵路的影響

當框架橋在頂進過程中,要對鐵路路基進行降水作業(yè),由于鐵路線路的存在,不能形成一個封閉的降水區(qū)域,降水水位是以管井底為中心形成漏斗曲線并外推,從基坑中心算起的影響半徑的R0。位于影響半徑R0范圍內(nèi)的土體中的水位是下降的,水位的下降引起既有建筑物及地面的沉降。只能采取在京滬高速鐵路與京滬鐵路間設(shè)置高壓旋噴樁止水帷幕,止水帷幕沿鐵路方向的長度要長于降水影響半徑之外10 m左右,使京滬高速鐵路路基位于降水影響區(qū)域以外,以保證框架橋頂進施工過程中京滬高速鐵路路基附近水位無變化。

3.2 減少框架橋施工過程對京滬高速鐵路影響所采取的措施

3.2.1京滬高速鐵路與既有京滬鐵路間止水帷幕的設(shè)計

京滬高速鐵路與既有京滬鐵路間止水帷幕,也被稱為生命線。整個工程施工的第一步就是先施工京滬高速鐵路與京滬鐵路之間的止水帷幕,使京滬高速鐵路路基位于降水影響區(qū)域以外,以保證框架橋頂進施工過程中京滬高速鐵路路基附近水位無變化。止水帷幕深度長于降水井管并到達該土層中滲透系數(shù)很小的粉質(zhì)黏土層,止水帷幕沿鐵路方向的長度是根據(jù)井點降水的理論計算得出影響半徑R0并考慮10 m長安全儲備。為了達到更好的止水效果,設(shè)計上采取了加大旋噴樁的咬合間距、加長旋噴樁的樁長,并采用多排旋噴樁咬合布置的措施。為了保證施工后的成孔直徑,采用高壓旋噴樁[6]。此止水帷幕采用3排φ60 cm高壓旋噴樁,間距30 cm,樁長17 m,沿鐵路方向總長度為154 m。

當框架橋在頂進施工時,京滬高速鐵路與京滬鐵路間的止水帷幕用以保證京滬高速鐵路路基位于降水影響區(qū)域以外。同時在京滬高速鐵路側(cè)布置觀察井和回灌井,當京滬高速鐵路附近水位出現(xiàn)變化時可及時回灌,保持京滬高速鐵路附近的原有地下水位不變,使土壓力仍處于平衡狀態(tài),從而有效地減少降水的影響。

3.2.2 回灌井和觀察井設(shè)計

為了保證京滬高速鐵路路基下的地下水位穩(wěn)定,在京滬高速鐵路路基兩側(cè)沿鐵路方向布置的止水帷幕內(nèi)側(cè)布置了回灌井[7]和觀察井,并采用自動回灌系統(tǒng),一旦水位下降臨近預警值,即自動開啟回灌井。回灌井注水方法采用井點加壓灌注法,以深層注水為主,淺層注水為輔,深淺結(jié)合的方法。回灌井直徑0.3 m,間距5 m,井深14 m,自然水位至管底均采用過濾管。為監(jiān)測降水和回灌時水位、水壓變化情況,調(diào)節(jié)回灌水量,需設(shè)置觀測井,觀測井直徑0.3 m,間距15 m,井深14 m。回灌時為防止注水管道堵塞,必須使用清水,注水壓力要求大于0.5個大氣壓以上,回灌井的填料必須采用砂夾碎石。當觀測井中水位水壓變化達到監(jiān)測報警值,需及時啟動回灌系統(tǒng)。回灌水量的多少,以滿足保持原地下水位線為原則。回灌井立面見圖3。

圖3 回灌井立面

3.2.3 旋噴樁施工工藝設(shè)計

為了減少由于旋噴樁施工時的高壓對京滬高速鐵路路基的土體產(chǎn)生擠壓,造成部分土體隆起,京滬高速鐵路與京滬鐵路間旋噴樁施工前,在京滬高速鐵路路基和離路基最近的一排旋噴樁之間設(shè)置1排壓力釋放孔,φ30 cm,間距4 m,孔深12 m,孔內(nèi)回填級配碎石。旋噴樁施工時,應先施工距離京滬高速鐵路路基最近的一排樁,然后施工遠離京滬高速鐵路路基的第2排、第3排樁。第1排樁施工時,減小漿液噴射壓力,采用能保證成樁的最小壓力,以減少施工時對樁周圍土體產(chǎn)生擠壓,并采用1,5,9……間隔跳打的方法進行施工。施工中應保持機具底盤的水平和導向架的豎直,樁的垂直偏差不得超過1.0%,樁位的偏差不得大于50 mm,相鄰樁的施工間隔時間控制在12～16 h。樁的搭接長度不小于200 mm,確保形成連續(xù)的墻體,成樁直徑和樁長不得小于設(shè)計值。旋噴樁施工工藝流程見圖4。

圖4 旋噴樁施工工藝流程

3.2.4 框架橋工作坑開挖、止水和降水設(shè)計

工作坑開挖前,在工作坑開挖邊坡坡頂處用高壓旋噴樁在四周形成一個封閉的降水區(qū)域,以保證工作坑的降水不會對京滬高速鐵路造成影響。同時京滬高速鐵路與京滬鐵路間的止水帷幕也保證工作坑降水時京滬高速鐵路路基位于降水影響區(qū)域以外。

工作坑靠近鐵路路基一側(cè)上沿至既有鐵路路基坡腳之間的距離為5.0 m,邊坡宜緩于1∶1.5,工作坑左右兩側(cè)的開挖邊坡宜緩于1∶1.25；工作坑后背采用鉆孔灌注樁進行支護；工作坑邊坡采用掛網(wǎng)噴混凝土防護。工作坑止水采用帷幕法,雙排高壓旋噴樁在基坑坡頂邊線外側(cè)設(shè)置1圈隔水幕,用以隔斷水源,減少滲流量,防止流沙、管涌等地下水的作用。高壓旋噴樁樁長17 m,直徑60 cm,間距40 cm。 工作坑內(nèi)降水采用管井(深井)井點法,井管沿基坑按環(huán)形布置,基坑中央設(shè)置觀察井。鐵路線管井設(shè)置在最外兩股鐵路外側(cè),沿線路縱向布置。管井深14 m,間距5 m。工作坑底兩側(cè)設(shè)置集水井,如有雨水須及時抽排。

4 線路加固設(shè)計

為了不中斷鐵路運營,框架橋頂進前需對鐵路線路進行加固。根據(jù)鐵路運營單位的要求,框架橋頂進施工時限制速度不高于45 km/h。為了滿足列車慢行45 km/h的要求,采用3—5—3扣吊軌梁和橫抬縱挑的工字鋼與防護樁、支撐樁、抗橫移樁組成線路加固系統(tǒng)[8]。由于頂進框架橋前端有已建的京滬高速鐵路立交橋,前端的抗橫移樁無法設(shè)置,同時為了減少頂進施工對京滬高速鐵路影響,在京滬高速鐵路邊與既有京滬鐵路邊沿鐵路方向均設(shè)置了路基防護樁,并沿框架橋邊墻將兩側(cè)的路基防護樁連成U形,在樁頂設(shè)置鋼管內(nèi)撐,以減少樁頂位移。線路加固體系的縱梁搭在橫梁上,橫梁兩端支撐在路基防護樁上。線路加固范圍：超出框架橋兩側(cè)不小于框架橋高并留不小于3 m的富余量,線路加固全長62.0 m。為了加強線路加固系統(tǒng),并加大橫梁的懸空長度,以保證框架橋的順利頂進[9],線路加固橫梁和縱梁均采用I45b型鋼,每隔1根木枕穿1根橫梁,橫梁間距0.9 m,線路加固縱梁雙根1束布置,位于線路兩側(cè)2.1 m處,置于橫梁上,用U形螺栓與橫梁連接。

5 對接處細節(jié)設(shè)計

京滬高速鐵路框架橋底采用CFG樁進行加固處理,樁長24 m,直徑0.5 m,間距1.5 m,矩形布置,共計約297根樁。8 m-16 m-8 m框架橋施工時在基坑外側(cè)設(shè)置了支護樁,靠近京滬鐵路側(cè)樁徑1.5 m,間距1.7 m,樁長19 m,樁外側(cè)設(shè)置旋噴樁止水帷幕；另外3側(cè)樁徑1.0 m,間距1.5 m,樁長19 m。

為了盡量減少對京滬高速鐵路的影響,同時又能形成無水基坑的施工條件,在距離京滬高速鐵路較近處采用50 cm厚的C20混凝土進行封底[10],在京滬高速鐵路支護樁周及外側(cè)用止水帷幕樁進行封底,并同基坑外側(cè)的止水帷幕形成一個封閉的止水區(qū)域,保證了施工降水時將京滬高速鐵路路基位于降水影響區(qū)域以外。同時為了減少頂進施工作業(yè)對京滬高速鐵路的影響,對位于京滬鐵路與京滬高速鐵路間的支護樁拆除方案也進行細化和優(yōu)化。拆除方案如下[11]：(1)先鑿除高速鐵路2、3、23、24號防護樁部分樁身(樁頂至頂進框架橋底板以下0.5 m),澆筑封底混凝土(50 cm厚),澆筑框架橋刃角補齊混凝土。(2)框架橋頂進施工,鑿除與刃角相抵觸的高速鐵路2、3、23、24號防護樁樁頂以下3.5 m長樁身,框架橋繼續(xù)頂進施工,直至頂進就位。(3)刃角補齊后,可利用其支護側(cè)面土體,鑿除高速鐵路4～22號防護樁部分樁身(樁頂至頂進框架橋底板底0.5 m),澆筑封底混凝土(50 cm厚),澆筑頂進框架橋底板補齊、底板頂板后澆塊混凝土。根據(jù)現(xiàn)場的施工情況來看,框架橋頂進施工和施工降水對京滬高速鐵路路基的影響很小,在可控制的范圍內(nèi)。

對接處細節(jié)設(shè)計平面示意見圖5。對接處細節(jié)施工步驟見圖6。

圖5 對接處細節(jié)設(shè)計平面(單位：cm)

圖6 對接處施工步驟(單位：cm)

6 評估結(jié)果及施工監(jiān)測結(jié)果

由于該工程的特殊性,聘請了北京交通大學的有關(guān)專家對設(shè)計采取的降水、止水及自動回灌等措施進行了詳細的評估和論證,評估結(jié)果認為：頂進下穿框架橋施工會導致京滬高速鐵路產(chǎn)生一定程度的豎向變形和橫向變形,但變形量很小。橫向變形最大值為0.317 mm,豎向變形最大值為0.883 mm,均發(fā)生在框架橋中線處,均在可控制的1 mm范圍以內(nèi)。

由于京滬高速鐵路對線路的沉降要求很高[12],因此對整個工程的施工監(jiān)測顯得尤為重要。從設(shè)計上專門提出了第三方監(jiān)測,要求對框架橋工作坑施工、京滬鐵路、京滬高速鐵路路基進行施工監(jiān)測。

從現(xiàn)場實際施工監(jiān)測結(jié)果來看,框架橋工作坑的施工對京滬高速鐵路路基沒有造成沉降,在框架橋頂進到距京滬高速鐵路較近處,由于施工降水及對高速鐵路路基局部土體的擾動,京滬高速鐵路路基產(chǎn)生了一定程度的變形,但變形量都小于1 mm。

7 結(jié)語

河北省廊坊市規(guī)劃龍河園區(qū)路下穿京滬鐵路框架橋在本批廊坊市下穿工程中非常具有代表性,橋址位于京滬高速鐵路的路基段,地下水位高,地基土層均為粉質(zhì)黏土或黏土,滲透系數(shù)小,京滬高速鐵路對線路沉降要求很高,設(shè)計時需考慮的因素多,設(shè)計技術(shù)難度大。根據(jù)現(xiàn)場的具體實施情況來看,線路加固的實施、對接處的細節(jié)設(shè)計、京滬高速鐵路與既有京滬鐵路間的止水帷幕設(shè)計、以及京滬高速鐵路路基內(nèi)側(cè)的回灌系統(tǒng)地設(shè)置都為整個工程的順利實施提供了安全保障,將施工對京滬高速鐵路的影響減少到可控制的范圍內(nèi)。目前,國內(nèi)高速鐵路發(fā)展很快,本工程的成功實踐為今后類似的立交改造積累了經(jīng)驗。

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[2] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 J 462—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.5—2005 J 464—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

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[9] CJJ74—1999 城鎮(zhèn)地道橋頂進施工及驗收規(guī)程[S].

[10] GB 50108—2008 地下工程防水技術(shù)規(guī)范[S].

[11] JGJ 120—99 建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

[12] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2003]13號 京滬高速鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社，2003.