頂進箱涵上穿地鐵下穿鐵路施工技術研究

付 裕

(北京市公聯公路聯絡線有限責任公司，北京 100081)

1 工程背景

以西站南路南延(麗澤路-南三環路)道路頂進箱涵下穿京滬鐵路及上穿地鐵10#線盾構區間工程為例對關鍵施工技術進行研究。頂進箱涵施工影響范圍內，既有京滬鐵路為繁忙干線，聯絡華北地區和東部沿海經濟發達地區重要鐵路干線。地鐵10#線為一條南北向重要地鐵線路，橫貫了北京市區。西站南路南延(麗澤路-南三環路)道路頂進箱涵下穿京滬鐵路及上穿地鐵10#線盾構區間，施工采用的箱涵孔跨為10～18～10 m，道路中心線與鐵路下行線交角為86.32°。框架橋頂板頂部與京滬鐵路線鋼軌底部的距離為1.0 m，框架橋底板底距與地鐵10#線結構頂的距離為14.44 m。框架橋重量：7 600 t，最大頂力：20 389.5 t，頂進長度為57 m。

2 工程難點及關鍵技術

框架橋下穿鐵路、上穿地鐵施工中為了降低土體卸荷對既有線路造成較大變形損傷，需評估地鐵安全風險，預制框架橋及后背，增加底板配重，制定鐵路路基注漿與基底地層注漿方案，線路加固和軌道防護設計，框架橋頂進施工，變形監測與恢復鐵路及地鐵軌道結構。在項目施工前需要對地鐵隧道進行安全風險評估以確保各項技術措施及施工方法的可靠性。通過對底板上方加載鋼錠塊以抵御因頂進開挖卸荷對地鐵隧道結構上浮造成的影響，并準確地計算鋼錠快配重的重量。框架橋基底地層注漿為了增加框架橋下方地層的強度，防止頂進過程中地層破壞，抑制地鐵隧道上浮。頂進挖土要和框架橋頂進循環進行，每次頂進和挖土進尺最大不超過0.8 m，開挖卸荷要采取小范圍逐步推進施工，較小的卸荷量可以降低大范圍開挖卸荷對鐵路運輸安全的影響作用。頂進挖土與框架橋頂進同步向前推進，框架橋上方鋼錠塊配重亦同步加入，逐步小范圍推進方法，配重與卸荷土層重量同步置換，減小了大范圍開挖卸荷對地鐵運輸安全的影響。

3 工藝流程及安全控制

3.1 工藝流程

施工準備→地鐵仿真模擬分析評估→框架橋及后背預制→底板上方鋼錠塊加載配重→防護體系施工→鐵路線路加固和地鐵軌道防護→框架橋頂進施工→第三方監測→框架橋就位→恢復鐵路及地鐵軌道結構→工后評估。

3.2 安全控制

因項目施工時，頂進箱涵上穿地鐵施工方法無以往施工經驗可借鑒，為確保各項技術措施及施工方法的可靠性，根據新建工程相關設計文件和施工工序對既有線結構進行安全評估。在安全評估實施前，調查與檢測地鐵隧道結構實際情況，為安全評估提供現狀實測參數和下一步工程實施提供依據，并為該段線路的后期運營和安全提供技術支持。現狀調查及檢測的主要內容為：盾構區間主體結構；道床結構；橢圓度及限界測量；軌道現狀調查與檢測；線路現狀調查與檢測。本次安全評估的范圍沿選取地鐵線路縱向150 m，線路橫向140 m，土層厚度50 m，所依據的是新建工程與既有工程相對位置關系及影響范圍。

依據計算結果，對新建工程施工對既有地鐵盾構區間結構及軌道結構的安全性影響進行分析。圖1(a)展示的是箱涵頂進過程豎向變形云圖，圖1(b)展示的是橫向變形云圖，頂進箱涵對軌道結構產生了1.422 mm的上浮變形，軌道結構的橫向最大變形為0.247 mm。

圖1 隧道結構變形結果

根據本工程風險點與地鐵相對位置關系，新建工程處于對既有線路的顯著影響區范圍內。模擬計算所得：允許值70%<軌道變形值<允許值100%，施工風險評級為一級。根據評級結果對施工提出相應建議：(1)施工過程中對軌道進行防護設計，采取軌距拉桿、警示標和位移樁等防護措施；(2)在施工過程加強采用自動化與人工監測相結合的方式對既有線及其結構的變形監測，；(3)嚴格控制施工質量與施工工序。

3.3 框架橋及后背預制

(1)框架橋預制

首先選定在鐵路和地鐵保護區外的某一特定位置開挖工作坑，根據現狀土質，設計文件等要求，對基底進行換填，然后制作鋼筋混凝土滑板。工作坑邊坡嚴格按照要求施工，對邊坡采取掛網錨噴混凝土護面等措施。制作滑板隔離層，采用滑石粉上鋪2 cm厚M15砂漿作為隔離層，隔離層靠近鐵路一側，在制作船頭坡時，船頭坡在沿中線長度方向1.5 m，高度10 cm。然后工作坑內預制框架橋，預制框架橋對鐵路和地鐵運營無影響。框架橋為鋼筋混凝土剛架聯體式結構類型。首先施作鋼筋混凝土底板，底板與墻體的水平施工縫位于底板頂向上高出200～300 mm為宜。墻體與頂板采用滿堂紅碗扣式腳手架，配合鋼-木組合模板支撐體系一次澆筑成型，模板采用對拉螺栓方法加固。框架橋屬大體積混凝土結構，鋼筋骨架的綁扎，模板支撐體系，澆筑前混凝土原材料與配合比；澆筑過程中坍落度、入模溫度及振搗；澆筑完成后養護，均屬于框架橋預制的控制重點。框架橋預制完成后，其頂板自下而上施做聚氨酯防水涂料冷涂2°，SBS防水卷材熱熔鋪設，澆筑C40鋼纖維混凝土。

(2)后背預制

后背采用工字鋼樁后背，合理選用工字鋼打拔設備，將工字鋼逐根打入到制定高度，采用成品12 m/根，I45b工字鋼；然后施做鋼筋混凝土后背梁；使用輪胎式壓路機配合挖掘機對后背結構填土并碾壓密實至預定高度。

3.4 防護體系與線路加固

為防止土體開挖造成地鐵隧道的上浮變形采用鋼錠塊進行地板配重。按照常規框架橋頂進施工方法，在工程實施影響范圍內設置防護樁、支撐樁及抗橫移樁組成的鐵路三樁體系。采用水泥水玻璃漿液對鐵路路基與基底地層注漿，注漿效果為無側限抗壓強度不小于0.8 MPa。

框架橋頂進施工過程中采用扣軌橫縱梁加固方法對鐵路線路進行線路加固，線路加固施工工藝流程見圖2。

圖2 線路加固流程圖

為了保證地鐵結構與軌道安全，施工全過程中依據變形監測數據及時進行線路調整，保證軌道幾何尺寸滿足行車要求；在施工影響范圍區段安設作業警示標和解除警示標，在需要軌道防護段的軌道正線上安裝軌距拉桿。

3.5 框架橋頂進施工

施工過程中采用了60臺500 t頂鎬，其間距為0.6 m，每個頂鎬的平均頂力約為340 t。頂柱尺寸大為4 m、2.4 m、1.2 m、0.6 m、0.3 m、0.1 m。在頂完4 m后需要更換4 m頂柱，頂柱橫梁一般8 m一道。在頂完4 m后在頂柱上需要回填2 m高的覆土，以防止頂柱彈起。采用挖掘機在框架橋孔內挖掘頂進前方土體，開挖面坡度控制在1∶0.5～1∶0.8，框架橋前方底板底距離開挖面坡腳控制在0.4～0.8 m范圍挖土。開挖面不宜長時間暴露，要隨挖隨頂，，不可超挖、逆坡挖土。在開挖過程中，各孔挖土步調要一致，挖土要均勻，還需要有相關的專人指揮，以避免施工混亂所導致的挖土步調不一致等現象的發生。列車通過時不挖；框架橋頂進時不挖；發現塌方跡象時不挖；頂進期間如遇降雨，要做好臨時處理，停止挖土和頂進，用塑料布蓋好掌子面。

3.6 變形監測

監測點的布設由頂進箱涵中線與地鐵10#線中心交角向兩側50 m范圍內每10 m布設1個監測斷面，之后每25 m布設1個監測斷面。

3.7 框架橋就位

頂進箱涵頂推至預定位置后，橋體兩側的路橋過渡段采用M10漿砌片石，而后進行橋體前刃角補墻、鐵路重力式擋墻、橋上鋼筋混凝土電纜槽及鋼欄桿的施工。

3.8 恢復鐵路及地鐵軌道結構

頂進箱體就位后拆除國鐵的線路加固：先拆除縱工鋼，再拆除橫工鋼，必須隔一拆一搗一，同時回填石碴，隨時保證線路狀態合格，最后拆除扣軌。拆除線路加固后，整修線路達標，多遍搗固。地鐵10#運營平穩后需要拆除軌距拉桿，恢復地鐵軌道初始狀態。

3.9 工后評估

在工程竣工后一年進行工后評估工作，對已經完成的施工對地鐵盾構結構的影響；即根據工后安全性影響評估結果，應明確箱涵頂進工程對既有十號線結構的影響變形程度、有無損傷及損傷狀態的定量描述，并提出是否繼續監測、是否需要對既有地鐵結構進行處理及處理措施等建議。

4 結 論

(1)城市中心區道路頂進箱涵上穿運營地鐵下穿運營鐵路施工的主要技術措施包括地鐵安全風險評估、框架橋及后背預制、底板上方鋼錠塊加載配重、防護體系施工(三樁體系、鐵路路基注漿、基底地層注漿)、鐵路線路加固和地鐵軌道防護、框架橋頂進施工、施工監測、框架橋就位、恢復鐵路及地鐵軌道結構。

(2)根據地鐵結構監測數據變化，在箱涵頂進過程中，，對影響范圍進行配重。通過三維建模數據分析可知結構豎向最大上浮量為1.422 mm。在實際施工過程中，最大上浮量為1.66 mm，控制值為2 mm，預警值1.4 mm。通過采取有效的技術措施來控制地鐵隧道結構的上浮，同時保證了鐵路結構的安全，從施工過程及監測數據的變化，較為成功的完成了施工任務。項目的成功實施為類似工程提供寶貴的工程經驗。