鄂北工程下穿鄭萬高鐵交叉段專項設計研究

司培育，李 淺

(鄂北地區水資源配置工程建設與管理局(籌)，湖北 武漢 430063)

湖北省鄂北地區水資源配置工程(簡稱“鄂北工程”)為Ⅱ等大(2)型線性輸水工程，是為解決湖北省鄂北地區水源性缺水問題而提出的長距離調水工程。鄂北工程從丹江口水庫清泉溝隧洞進口引水，輸水線路全長269.672km，穿越襄陽市的老河口市、襄州區、棗陽市，隨州市的隨縣、曾都區、廣水市，孝感市的大悟縣等7個縣(市、區)。鄂北工程受水區多年平均引水量7.70億m3，渠首工程設計流量為38m3/s，渠首設計水位147.70m，末端王家沖水庫正常蓄水位為100m，全程自流。工程建成后，預計受益人口約500萬人，灌溉面積24萬hm2。

鄂北工程在樁號C1K76+362.279處(孟樓—七方倒虹吸)與鄭萬高鐵交叉。鄂北工程與鄭萬高鐵可行性研究批復時間基本同步，鄂北工程該交叉段施工時，鄭萬高鐵主體工程已完工，為保證鄭萬高鐵和鄂北工程建設運行質量和安全，對工程下穿鄭萬鐵路工程進行專項設計。本文結合工程水文、地質，施工工藝及施工組織深入分析了交叉段工程設計重點、難點，并在交叉段專項設計方案中有針對性地提出相應措施，最后對實施效果進行了總結和評價。

1 工程簡介

鄂北工程孟樓—七方倒虹吸夾河套段為白河和唐河之間的管段工程，樁號區間為C1K75+063.4—81+435，總長6.441km。樁號C1K75+063.4—C1K75+255段管段線路走向S65.55°E，其后向北偏轉為S70.84°E，在樁號C1K79+020處向南偏轉為S66.55°E，延伸至C1K79+069.131(79+000)后以直線布置到唐河右岸、寇集村北側(樁號81+435)。此段由3根DN3800mm的溝埋PCCP同槽并排布置，管中心距6.1m。管道工作內壓0.6～0.8MPa。管頂覆土厚度為2.0～7.0m。

新建鄭萬高速鐵路線白河雙線特大橋全長6384.656m，中心里程為D1K352+147.074，橋梁起止里程為DK348+500～D1K354+884.656。鐵路橋梁均為32m簡支跨，孔跨樣式為47×32m簡支箱梁+3×24m簡支箱梁+58×32m簡支箱梁+(72+128+72)m連續梁+5×32m簡支箱梁+1×24m簡支箱梁+32×32m簡支箱梁+2×24m簡支箱梁+40×32m簡支箱梁。全橋梁部采用預應力鋼筋混凝土箱梁，下部結構采用混凝土圓端形橋墩，鉆孔樁基礎。

鄂北工程孟樓—七方倒虹吸3根并排PCCP(沿輸水方向由左至右)依次從鄭萬高鐵白河雙線特大橋142#-143#、143#-144#、144#-145#橋墩間交叉穿過，交叉角度為71°，樁中心最小距離為7.75m。

2 工程地質情況

鄂北工程PCCP管線在樁號C1K76+362.279—C1K76+707.279之間線路總長345m的區間內穿過鄭萬高鐵，該段倒虹吸地面高程73.20～74.31m，PCCP管底板高程65.04m，鎮墩建基面高程64.24m。線路上部為層厚2.8m(底部高程70.81m)第四系上更新統琚灣組(Q3jal)壤土，下部為層厚7.0m(底部高程63.81m)第四系上更新統琚灣組(Q3jal)中細砂，其下為上第三系(N)泥質粉砂巖，半固結半成巖狀態，線路段地層物理力學參數建議值見表1。

表1 管線地基各土層設計參數建議值表

區內上部地層巖性主要為弱至微透水的黏性土層，下部為砂性土層，根據地下水的賦存條件，區內地下水分為上層滯水和潛水2類。上層滯水主要賦存于地表松散粘性土層中，具儲量小、運移緩慢等特點；潛水則賦存于下部砂性土層中，具含水量高，儲水量大，運移快等特點，局部具承壓性，主要接受大氣降水補給，同時與白河及唐河河水形成互補關系，距白河約1.9km，距唐河約4.9km，勘探時顯示鉆孔地下水位高程68.21m。

倒虹吸基坑邊坡土層上部為(Q3jal)壤土，下部為(Q3jal)中細砂，PCCP管及鎮墩建基面土層為(Q3jal)中細砂，地基承載力特征值245kPa，(Q3jal)中細砂滿足PCCP管及其鎮墩的地基承載力設計要求，基底摩擦系數f=0.40。

地基基坑臨時開挖邊坡坡高8～10m，基坑臨時邊坡開挖坡比壤土為1∶1.0～1∶1.5，中細砂開挖坡比1∶2～1∶2.5，基坑開挖時中細砂組成的邊坡存在向基坑滲透變形問題，需采取相應的工程措施(如基坑降水或基坑支護等)，砂層滲透系數k為1.0×10-3cm/s，水平允許滲透比降0.1～0.2。

根據本次勘探揭示，擬建場地勘探深度范圍內的地層巖性表層為填土，其下為一般第四紀沖洪積松散土層。其中一般第四紀沖洪積松散地層主要由粉砂、粉土和粉質黏土組成。

3 交叉段技術難點分析

(1)地下水豐富，工程地基處理難度大。鄂北工程及鄭萬鐵路交叉段工程位于唐河與白河之間，所在地層主要為粉細砂和粉質黏土，地勢低洼，地下水豐富，基礎設置埋深在地下水位以下，施工期間可能存在邊坡塌方、基坑積水、地質破壞等不利情況。同時，降水措施形成降水漏斗后土壤應力發生變化，土體將發生不同程度的沉降。因此，設計方案需同時評估地下水降水措施對地基可能產生的影響，采取可行的排水措施，加強地表及基坑排水。

(2)地質條件復雜，施工質量安全控制難度大。工程交叉處土層較為松軟，交叉施工引起的地質沉降難以控制。交叉段施工前，鄭萬高鐵主體工程已完工，按照TB10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》有關規定，鐵路軌道鋪設完成后，下穿高速鐵路施工時需保證高鐵沉降在2mm以內，因此，施工期質量安全控制指標較為嚴格，常規明挖埋管方案難以滿足高鐵安全指標。經過討論比選，采用頂管施工方案，采用框架涵下穿鄭萬高鐵對高鐵影響較小。單個框架涵頂進重量為1100t，最大頂力為3000t，頂程為49.41m，且與高鐵線路斜交，地下水位較高，且地質情況較差，頂進時容易造成涵體方向和高程偏差，高鐵橋墩基礎安全控制和鄂北工程質量控制難度大。

(3)臨近鄂北工程首次試通水和鄭萬鐵路聯合試運行，工期緊張。按施工進度計劃，鄂北工程于2019年底開展首次試通水，彼時鄭萬鐵路已逐步進入聯合試運轉階段。因此，工程施工后期可能會出現與鄭萬高鐵聯調聯試重合，頂進施工條件發生了變化，變為跨既有線路施工。為實現鄂北工程通水目標實現和確保鄭萬鐵路安全試運行，交叉段施工設計需充分考慮進度影響，優化施工組織設計，科學確定交叉段施工進度。

4 設計方案擬定

4.1 降水方案

為避免基坑開挖及頂進過程中，地下水對工程的影響，本段交叉工程采用疏干井降水方案，疏干井位于線路兩側，距離最近線路中心線5m，疏干井直徑0.4m，間距8m，井深19m。抽水真空水泵根據現場實際情況及經驗進行選擇。進行疏干井抽水作業后，使地下水位保持框架橋底板底以下1.0m，同時路基本體干燥密實。為了避免場地內的大氣降水不回灌到地表以下及地面水流入基坑，開挖前在基坑兩側合理設置截水溝和排水溝。

框架涵頂進期間，密切監測基坑水位、鐵路橋橋墩水平變形及橋墩沉降情況，確定監測頻率，設定預警和報警指標，成立監測和安全領導部門，發現異常，及時采取相應措施。

4.2 下穿設計方案

鄂北工程孟樓—七方倒虹吸穿鄭萬鐵路段位于樁號區間C1K76+362.279～C1K76+707.279，3根管道(PCCP)分別從鄭萬鐵路線白河雙線特大橋142號～145號的相鄰2根橋墩之間穿過。3管單獨編樁號，左側輸水管(142#墩～143#墩間)交叉點鐵路里程D1K353+306.869、水管樁號KL0+144.53，交叉角度71°，樁中心最小距離7.67m；中間輸水管(143#墩～144#墩間)交叉點鐵路里程D1K353+339.127、水管樁號KC0+159.13，交叉角度71°，樁中心最小距離8.10m；右側輸水管(144#墩—145#墩間)交叉點鐵路里程D1K353+371.384、水管樁號KR0+178.594，交叉角度71°，樁中心最小距離7.84m。具體管線、框架涵與墩臺、梁底的關系如圖1—2所示。

交叉段工程采用寬5.8m×高6.8m框架涵防護水管，兩側框架涵同時對稱頂進施工，單節框架長29m，共2節58m，框架外采用1根1.25m長鉆孔樁防護；框架側面采用φ70雙排高壓旋噴樁止水帷幕，框架底采用φ70厚度為2.5m的高壓旋噴樁水平止水帷幕，上覆2m原狀土。在支護范圍內，管道采用鋼管外包C25混凝土，左右側外包砼厚度為100cm，管頂、管底外包混凝土厚度為65cm，管頂外混凝土砼頂部凈空高度170cm。外包混凝土施工完成后以原狀土回填封閉框架。

施工時，需選取專業有經驗的頂進施工隊伍，頂進作業前設置橫向防滑位移裝置及其他防護設施，避免頂進過程中發生支點懸空，同時，嚴格控制頂力大小及方向，加強安全監測，保證頂進安全和工程質量。

5 工期保障

框架涵頂進施工需配備具有豐富的施工經驗、專業技術能力強、綜合素質高，曾參與過鐵路頂進橋梁工程施工任務的工程管理和技術人員參與項目建設管理。同時，加強與鐵路部門溝通交流，待框架涵強度達到設計強度且相關防護及手續完備后進行頂進施工。

鐵路東西兩側6個工作坑同時對稱頂進，計劃工期為15d，為保證既有鐵路線路穩定，在高鐵聯調聯試前完成工程交叉段鉆孔樁防護、止水帷幕施工。施工過程中嚴格按照橋墩變形監測方案進行監測，在保障高鐵橋墩的安全下，加快防護施工進度。

圖1 框架涵與鐵路橋梁平面位置圖(單位：cm)

6 結語

鄂北工程與鄭萬鐵路交叉段建設涉及水利及鐵路2個不同行業，需同時滿足2個行業相關的質量安全建設規范，必須進行專項設計。交叉段設計方案的安全、可行，是保證工程質量和效益的重要前提。鄂北工程下穿鄭萬高鐵交叉段存在地下水位控制、質量安全把控及工期壓力等難點，通過選取和采用適當的降水措施和水位監測、框架涵頂進施工及橋墩監測、優化施工組織設計等方式，使該交叉段工程按既定工期順利完工，保證了施工期間交叉工程的質量安全，實現了鄂北工程首次試通水目標和鄭萬鐵路按時通車運行。筆者結合自身工作經驗，闡述了鄂北工程下穿鄭萬高鐵實際設計方案的科學性和可行性，為類似交叉段工程設計提供了借鑒和思考。