綜合管廊頂進下穿高鐵橋墩的施工技術

胡 平

北京京投交通發展有限公司 北京 102606

1 工程概況

1.1 項目概況

北京新機場高速公路地下綜合管廊（南五環—新機場）一期工程在過大龍河后下穿京滬高鐵。綜合管廊在京滬高鐵處采用2＋1艙分別下穿高鐵高架橋。

管廊兩艙段（2.0 m電力艙＋2.6 m電力艙）與京滬高鐵交叉處為京滬高鐵下行線K25＋117，交叉角度90°，管廊從京滬高鐵北京特大橋的D521#—D522#墩之間穿過；管廊單艙段（3.9 m水信艙）與京滬高鐵交叉處為京滬高鐵下行線K25＋150，交叉角度90°，綜合管廊從京滬高鐵北京特大橋的D522#—D523#墩之間穿過（圖1、圖2）。

綜合管廊下穿處高架橋墩上采用32.7 m跨預應力簡支箱梁（雙線），頂進坑圍護樁距高鐵橋墩最小距離7.37 m，下穿位置橋下凈高15 m。橋墩采用圓端形實體橋墩，主墩基礎均采用12根直徑1.0 m的灌注樁基礎，設計樁長為36～37 m；采用2層承臺，總厚度3.5 m，承臺底層尺寸為8.0 m×11.0 m×2.0 m（長×寬×高），上層尺寸為4.5 m×8.0 m×1.5 m（長×寬×高）。

圖1 綜合管廊下穿京滬高鐵橋墩平面

圖2 管廊穿越京滬高鐵結構斷面

1.2 工程地質概況

擬建場區位于北京市南部大興區永定河沖洪積扇下游，在本次最大勘探深度范圍內分布的土層，按沉積年代、成因類型可分為第四系全新統人工填土層及第四系全新統沖洪積層，按地層巖性及工程特性，勘察揭露地層（最深20 m）從上往下為：雜填土、粉細砂、粉土、黏土、粉質黏土、粉土及黏土。其中管廊結構主要位于粉質黏土、粉細砂、黏土及粉土。

場地勘察期間地下20 m范圍內未揭露地下水，根據擬建場區周邊的水文地質資料，場區1959年最高地下水位接近自然地面，近3～5 a沿線最高地下水位標高為20.0 m，結構設計抗浮設防水位按地表下2 m左右，即絕對高程32.0 m考慮。

2 工程重、難點

鄰近和穿越高鐵施工時，如何確保運營京滬高鐵行車安全，最大限度地減小綜合管廊頂進施工對鄰近高鐵橋墩產生的影響，是工程過程控制的關鍵，其中高速橋墩的差異控制是主要因素[1-4]。

1）國內首次采用2＋1艙矩形綜合管廊分跨頂進下穿高鐵橋墩技術，如何在控制分跨頂進間隔時序及保證工程質量、安全、進度的情況下，防“抬頭”和防坍塌，順利完成頂進施工，是施工的重點。

2）高鐵橋墩沉降變形控制要求極高，綜合管廊頂進施工時，如何將高鐵橋墩沉降變形控制在指標范圍內是施工的難點[5-7]。

3 頂進方案

3.1 頂進方案簡介

根據TB 10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》要求，下穿高速鐵路橋梁墩臺的水平及豎向位移均須≤2 mm，控制標準要求極高。在綜合管廊頂進穿越京滬高鐵橋墩工程實施前，對穿越方案進行數次專家會討論和論證，最終從原始三艙整體頂進方案調整為2＋1艙分跨頂進，即：下穿京滬高鐵分2次頂進下穿，在高鐵橋墩D521#和D522#之間以及D522#和D523#之間，管廊頂進框架橋均采用5.2 m×6.4 m（高×寬）的矩形斷面鋼筋混凝土結構，凈高3.5 m。框架橋頂進施工完成后再施工管廊結構。頂板厚0.70 m、底板厚1.00 m、邊墻厚0.70 m，中墻厚0.25 m和0.25 m，頂板加腋均采用0.5 m×1.5 m結構形式。京滬高鐵框架橋工作坑設置在高鐵南側，由南向北頂進，框架橋總長40 m，頂程50.4 m，最大頂力為24 800 kN。

3.2 頂進施工流程

施工流程：頂進坑圍護樁施工→京滬高鐵地基加固處理→開挖支護頂進坑→施作頂進后背及基坑滑板→基坑內預制頂進框架橋→頂進框架橋壓重→頂進切土、出土施工→頂進框架橋就位→頂進完成。

3.3 分跨頂進安排

分跨頂進施工的整個工期計劃為14 d，先期頂進主線框架橋（D521#—D522#之間），頂進計劃用時7 d，頂程50.4 m；其次再頂進支線框架橋（D522#—D523#之間），頂進計劃用時7 d，頂程50.4 m。

4 施工技術要點

4.1 頂進圍護樁及后背樁施工

下穿高鐵橋墩頂進工作坑在高鐵橋墩南側采用放坡開挖，其余三側采用鉆孔灌注樁＋內支撐形式支護開挖，頂進坑圍護樁采φ800 mm@1 200 mm、樁長16 m鉆孔灌注樁，樁頂設置800 mm×800 mm冠梁；京滬高鐵下設置φ1 250 mm@1 500 mm、樁長13m鉆孔灌注樁，樁頂設置1 250 mm×1 000 mm冠梁；后背樁采用φ1 250 mm@1 500 mm、樁長15 m鉆孔灌注樁，樁頂設置1 250 mm×1 250 mm冠梁，如圖3所示。

圖3 頂進圍護樁及后背樁平面

灌注樁現場采用旋挖鉆機“隔一打一”方式成孔，高鐵橋下旋挖鉆機施工時應注意高鐵橋墩的成品保護；雙排后背樁頂冠梁及連梁施工時應同時澆筑，以保證其連接的整體性。

4.2 基底旋噴樁加固

1）京滬高鐵框架橋基底采用φ600 mm@1 300 mm旋噴樁進行加固處理，基底旋噴樁土體加固范圍從地面至結構底板下2.5 m，梅花形布置，加固范圍如圖4所示。

圖4 頂進范圍旋噴樁加固平面

2）旋噴樁采用跳孔施工，隔2～3孔，工藝流程為：鉆機就位→鉆孔至設計深度→插入噴射管→高壓噴射漿液并逐步提升噴射管→噴射結束→拔管。

3）根據工程水文地質情況，采用42.5級普通硅酸鹽水泥單液漿三重管旋噴加固，旋噴樁施工時，水泥漿水灰比控制在1.0左右。注漿壓力不得小于20 MPa，且滿足加固后土體的28 d無側限抗壓強度≥1.0 MPa要求。

4）高壓噴射注漿時，應由下而上均勻噴射，噴射管分段提升的搭接長度不小于100 mm。

5）高壓旋噴樁注漿完畢后應迅速拔出噴射管。必要時應在原孔位采取冒漿回灌或二次注漿措施。

6）旋噴樁施工允許偏差不大于50 mm。

7）旋噴樁質量檢驗時應對樁身完整性、均勻性及無側限抗壓強度進行檢測，檢查數量為施工總樁數的0.2%，且不少于3根。

4.3 頂進坑開挖支護

頂進范圍灌注樁及旋噴基底加固完成之后，開始進行基坑冠梁及土方開挖支護施工，基坑內采用1道600 mm× 800 mm鋼筋混凝土支撐，支撐均撐在冠梁上。混凝土支撐水平間距約6.0 m，個別位置根據實際情況調整。基坑平面內一般采用對撐，基坑樁間設置φ8 mm @150 mm× 150 mm鋼筋網，并噴射厚10 cm的C20早強混凝土。

基坑土方需待混凝土支撐達到設計強度后方可開挖，開挖時應遵循“先撐后挖，分層對稱，嚴禁超挖”的原則。為減少樁體和地面變形，確保施工安全，基坑開挖時應分層、分段對稱平衡開挖，基坑四周需預留三角土護坡，每層挖土厚度不宜超過2.5 m，開挖至距坑底300 mm時應由人工開挖、找平，并對坑底進行及時封閉，不允許欠挖，盡量減少超挖。

4.4 框架壓重

為控制頂進施工期間的高鐵橋墩變形，在施工期間采取卸載＋壓重的方式，補償因頂進卸荷之后引起的橋墩沉降變形[3]，在框架橋頂部33.4 m×4.8 m范圍填筑厚30 cm壓重碎石道砟，如圖5所示。

圖5 框架橋壓重頂進立面

具體施工順序為：

1）頂進工作坑內澆筑框構主體時，預埋壓重擋砟塊鋼筋，將框頂擋砟塊一并澆筑。

2）頂進開始前填筑壓重材料，填至設計厚度30 cm。

3）頂進施工過程中，壓重要根據現場監測數據及時調整厚度。

4.5 頂進施工

4.5.1 頂進設備布置

京滬高鐵框架橋總頂程為50.4 m，其中空頂頂程2 m。設計最大頂力24 800 kN。頂鐵、頂柱按頂力、頂程實際情況配置，頂進設備利用系數按0.7考慮。頂進時配備流量為63 L/min的高壓油泵1臺，500 t級頂鎬7臺。

頂進過程中安放頂鐵、頂柱時要做到3個“一致”，即軸線一致、長短搭配一致、位置一致。每間隔4/6 m頂柱長設橫梁一道。頂鐵長度有6.0、4.0、2.0、1.2、0.6、0.3、0.2、0.1 m等，斷面尺寸0.6 m×0.5 m。頂鐵拆裝采用吊車配合。根據橋體頂進土方數量，配置2輛挖掘機、10輛自卸翻斗車。

4.5.2 布置頂鐵

頂鐵或頂柱保持與立交橋軸線平行布置，橫梁與頂柱垂直。每行頂鐵和頂柱的中線與千斤頂軸線平行，各行長度一致。頂進時注意觀察頂柱受力情況，防止崩出傷人。在其上填土碾壓，填土厚度與底板相同。各行頂鐵松緊程度應一致。楔緊頂鐵時不得用錘猛擊，以免鐵墊板卷邊，不易楔平楔嚴，如發現有卷邊飛剌，應修整后再用。頂進前將不同規格尺寸的頂鐵、頂柱進行排列組合，以便根據每次頂程填補或更換。安裝頂柱前事先做好安排，準備好足夠的拖運和起重設備。使用2臺25 t汽車吊機安裝橫梁、頂鐵、頂柱，配合頂進施工，如圖6所示。

圖6 頂進設備布置

4.5.3 啟動（空頂）

京滬高鐵框架橋空頂距離8.695 m，頂進施工是整個工程的關鍵環節，因此開頂前必須進行試頂。試頂頂力不宜過大，一般為橋結構自重的0.6～1.0倍。開始啟動時不能突然增到此數值，應使頂鎬同步加壓，每升壓一次穩定幾分 鐘，并派專人對設備及滑板、后背、橋體進行檢查，如一切正常，方可加壓正式頂進。在加壓過程中，如油表壓力突然下降，表明橋體與滑板脫離，橋體向前移動。

空頂時嚴格控制橋體方向，防止偏離中線給頂進工作帶來困難。

4.5.4 框架橋頂進

京滬高鐵框架橋頂程50.4 m，頂進前端按1∶1.5進行放坡，頂進過程應做到“短進尺，快開挖，勤頂進”，嚴格控制一次土方開挖的數量。頂進時根據現場監測情況及時調整頂力和頂進方向，防止箱體偏轉和扎頭，如圖7所示。

頂進時開動高壓油泵，使千斤頂受液壓力而產生頂力，推動箱身前進，一鎬一頂。箱身前進后使千斤頂的活塞恢復原位，在空當處填放頂鐵。每頂進0.8～1.0 m后，由挖掘機和裝載機配合自卸汽車出土，根據實際情況，出土時間約2 h，出土清理完畢后再次開鎬頂進，如此反復循環，直至箱身就位。

圖7 頂進斷面

4.5.5 挖土及出土

京滬高鐵框架橋頂進出土時受橋體內凈空（凈寬5.0 m，凈高3.5 m）的限制，頂進過程中無法僅采用橋內常規開挖作業，因此2個高鐵框構橋頂進作業時采用地表及橋內雙出土的形式。每次縱向開挖沿頂進方向按每鎬頂進長度取土，開挖深度為地面以下4.5 m，由前端地表裝車外運。剩余土方按橋內出土，洞內配一臺裝載機，由橋內開挖剩余1.2 m土方，裝車外運。

頂進出土時預留兩側刃角土，為避免頂進時橋體兩側坍塌，兩側刃角墻體部位采用人工提前挖土，防止橋體兩側由于吃土過多造成土體坍塌。土方挖運完成且刃角清除完畢后，馬上開始頂進。每次開挖頂進長度控制在30～40 cm，嚴禁超挖。

4.6 后背拆除及刃角補齊

1）后背及樁的拆除。頂進施工完成后，拆除后背梁和混凝土樁體，恢復回填頂進坑。

2）刃角補齊施工。頂進就位后，應將刃角混凝土鑿毛再進行補墻施工，補墻鋼筋要與刃角伸出鋼筋焊接，刃角底板下鋪厚20 cm的C20混凝土墊層，后補底板與側墻應同時澆筑施工。刃角混凝土澆筑完畢后，進行刃角背部土方的回填工作，回填土方應分層進行，確保回填密實。

5 變形監測及分析

依據相關文件要求，在頂進的工前、工時、工后對施工影響范圍內D520#—D524#高鐵橋墩基礎沉降及墩頂位移進行監測，以確保高鐵運行安全。

5.1 橋墩變形監測點布置

1）橋墩沉降監測。D521#、D522#、D523#墩的4個方向均布設測點，共布設12個測點，D520#、D524#墩各布設1個測點，基準點與既有線路基準點共用。

2）橋墩水平位移監測。每個橋墩底部布置2個測點，橋墩頂部布置2個測點，共布設12個測點，設置2個水平變形基準點。

5.2 監測控制指標及頻率

根據安全評估文件要求，將控制值的85%作為報警值，70%作為預警值。

高鐵橋梁兩側20 m范圍內打樁及土方開挖期間（45 d），每天監測4次；管廊結構施作至回填期間（30 d），每3 d監測1次；結構完成，回填完成后，每7 d監測1次，持續90 d。監測周期：基坑施工前至回填后3個月且監測數據穩定。

5.3 監測結果分析

目前綜合管廊頂進下穿京滬高鐵已完工1 a有余，根據監測數據得到高鐵橋墩沉降變化趨勢，如圖8、圖9所示。

圖8 高鐵橋墩垂直沉降曲線

圖9 高鐵橋墩水平位移曲線

從圖8可以看出：

1）管廊框架橋頂進下穿高鐵橋墩引起的豎向變形主要為隆起變形。

2）在初期頂進坑開挖支護階段，隨著基坑開挖卸荷的影響，距高鐵橋墩較遠的D520#和D524#橋墩隆起值較小，此時隆起最大值為0.56 mm；距離頂進坑較近的D521#、D522#、D523#橋墩隆起變化相對較大，其中位于兩頂進坑中間的D522#橋墩因受兩基坑同步開挖支護施工影響，隆起值變化要高于其他橋墩，此時最大隆起達到0.82 mm。

3）隨著頂進施工開始，橋墩基礎之間土方卸荷，各高鐵橋墩豎向隆起變形急劇增大，其中受影響較大的D521#、D522#、D523#橋墩隆起變化要高于兩側D520#與D524#橋墩；因受分跨頂進影響，位于兩頂進坑中間的D522#橋墩隆起最大，最大隆起高達1.2 mm，逼近預警值1.4 mm。

4）隨著管廊框架橋頂進就位，頂進基坑回填及后續現澆結構施工回填完成，高鐵橋墩基礎隨著回填荷載的增加，隆起變形逐漸回落，最終各橋墩最大隆起變形穩定在0.78 mm。

從圖9可以看出：

1）橋墩水平位移變形隨著基坑開挖支護及頂進施工影響，墩頂水平位移呈正負交替變化。

2）初期基坑開挖支護階段，隨著橋墩附近卸荷及施工因素影響，橋墩水平位移逐漸增大，水平位移最大值0.59 mm。

3）隨著管廊框架橋頂進施工開始，橋墩水平位移逐漸增大，其中D522#橋墩水平位移變化最大，向東位移最大1.28 mm。

4）隨著框架橋頂進就位，基坑回填荷載量逐漸增大，橋墩水平位移逐漸減小，最終變化最大的D522#橋墩水平位移穩定在0.53 mm。

綜上分析，綜合管廊框架橋下穿頂進高鐵橋墩施工引起的橋墩水平及豎向（隆起）變形均小于預警值（1.4 mm）和控制值2 mm，整個施工過程中未發生監測預警情況，確保了高鐵運行安全，同時管廊頂進施工風險得到有效控制。

6 結語

北京新機場高速綜合管廊下穿京滬高鐵在綜合管廊類工程中非常具有代表性，同時綜合管廊采用分跨頂進下穿高鐵橋墩的方案也尚屬首例。管廊下穿位置位于京滬高速鐵路高架段，穿越施工對京滬高速鐵路橋墩變形的控制要求很高。現場實踐表明：通過采取加強支護樁、旋噴加固土體、增加壓重、分跨先后頂進穿越等一系列措施，有效地將頂進開挖卸荷對橋墩變形的影響減少到了可控制的范圍內。目前，我國高鐵建設和運營里程正在快速增長，本工程的成功實施，為今后類似城市綜合管廊穿越高速鐵路工程的規劃、設計及施工提供了參考經驗。