既有鐵路接長涵洞開挖支護結構的設計與施工

王超

（中交第一航務工程局有限公司，天津300461）

1 工程概況

蒙華鐵路項目位于鄂爾多斯烏審旗境內，線路全長45.79 km。工程施工線路內需修建涵洞74座（新建涵洞42座，既有線接長涵洞32座）。其中，除接長涵洞中沒有明確給出開挖支護結構的涵洞25座外，其余采用鉆孔防護樁支護結構。

2 地質情況

本工程地處沙漠腹地，地質情況由上至下為細砂（黃褐色、青灰色、灰褐色，松散～中密，稍濕～飽和，地基承載力100～210 kPa）、泥質砂巖（棕紅色，全風化，砂質結構，薄層狀構造，泥質膠結，地基承載力300 kPa），砂巖（棕紅色，砂質結構，薄層狀構造，泥質膠結，強風化，地基承載力800 kPa）。接長涵洞區域地質情況由上至下主要為細砂（素填土）、粉砂（中砂）、砂巖。

3 既有鐵路接長涵洞施工安全風險

根據TB 10671—2019《高速鐵路安全防護設計規范》可知，接長涵洞段落施工為Ⅲ級、A類施工，即影響范圍較小、安全風險較高。

本工程中，根據招標圖紙要求，在接長涵洞施工前必須要拆除既有接長涵洞翼墻及其基礎、護錐等結構。因此，必須要對既有鐵路接長涵洞開挖進行安全支護結構設計，否則在失去擋土結構后，極易造成既有鐵路路基邊坡滑動，從而引發重大安全事故[1]。

4 設計比選方案

4.1 方案初步確定

根據以往施工經驗和既有鐵路接長涵洞地質情況，本工程初步確定了2種支護方案：（1）采用拉森IV型鋼板樁進行支護，鋼板樁設2道圍檁，圍檁橫撐型鋼采用HW150 mm×150 mm×7 mm×10 mm；（2）采用36B的工字形型鋼進行防護，防護結構設2道圍檁，圍檁橫撐型鋼采用HW150 mm×150 mm×7 mm×10 mm，型鋼中間填充木板擋土。

4.2 方案確定選用工字形鋼板樁進行防護

4.2.1 支護結構基本信息參數

本工程的支護結構基本信息參數如表1所示。

表1 案例工程支護結構基本信息參數

4.2.2 結構設計計算

橫撐型鋼采用HW150 mm×150 mm×7 mm×10 mm：（1）支擋支護結構最上面土壓力為20 kPa，基坑底土壓力為70 kPa；（2）支護結構最下面型鋼跨度為2.5 m，采用每隔50 cm設置1根型鋼來支撐。

確定上述參數后，可開始建立模型。鑒于型鋼受力35 kN/m，因此為了保證模型偏安全，采用了簡支梁計算。橫撐型鋼模型、主梁應力、主梁撓度分別見圖1、圖2和圖3。

圖1 橫撐型鋼模型

圖2 主梁應力（單位：MPa）

圖3 主梁撓度（單位：mm）

由圖2、圖3可知，在土壓力作用下，主梁最大應力為-126.6 MPa，撓度為5.396 mm，均滿足要求。

4.3 鋼板樁試打

為了進一步驗證支護效果，需進行鋼板樁試打：（1）施工機械為SH350型打樁機；（2）施工人員為管理人員1名、施工人員2名；（3）施工材料為10 m拉森鋼板樁；10 m工字形鋼板樁；（4）試打位置為恩陶K151+687（1～4 m）接長涵洞，接長涵洞頂標高1 334.12 m，地質條件由上至下為填筑土（細砂）1 334.12～1 323.44 m、中砂1 323.44～1 321.54 m。

4.3.1 拉森鋼板樁試打

拉森鋼板樁試打記錄見表2。

由表2可知，試打結果基本滿足要求。但由于支護結構存在弧度，因此拉森鋼板樁很難精確咬合連接，雖可起到一定的支護作用卻很難保證擋土效果，存在缺陷。

4.3.2 工字形鋼板樁試打

工字形鋼板樁打記錄見表3。

由表3可知，試打結果滿足要求。加之工字形鋼板樁在施打過程中容易控制間距，所以擋土問題可以通過后期開挖過程中插設擋土木板來解決。

表3 工字形鋼板樁試打記錄表

通過對比，最終確定本工程既有鐵路接長涵洞的開挖支護結構采用工字形鋼板樁。

表2拉森鋼板樁試打記錄

5 正式施工

5.1 施工工藝流程

工字形鋼板樁施工工藝流程：施工準備→填筑施工平臺→標定樁位→振動沉樁→分級開挖基坑→分級安裝橫撐圍檁及擋土板。

5.2 測量放樣

利用GPS將工字形鋼板樁樁位軸線放樣在邊坡上，并用灑白灰線進行標識后，在白灰線上按間距400 mm確定工字形鋼板樁位置，同時確定白灰點。

5.3 工字形鋼板樁運輸堆放

根據不同接長涵洞高度來確定工字形鋼板樁的尺寸。經測量，共組織了700根8～12 m的工字形鋼板樁進場。在正式施工前，要按事先確定好的施工順序將成品樁運輸至指定位置，并堆放在樁機回轉半徑內約10 m范圍內。

5.4 填筑施工平臺

使用ZL50裝載機來填筑施工平臺，平臺高度要與既有鐵路接長涵洞帽石齊平。

5.5 沉樁施工

施工機械采用SH350型打樁機，配備現場管理人員1名，操作人員2名。施工準備完成后，打樁機可進入施工現場，按照預先定好的樁位將H型鋼板樁振動沉入，并保證工字形鋼板樁垂直度控制在2%范圍內；另外，平均每根樁施工時間為2 min。

5.6 存在問題及解決措施

在本工程中，部分施打工字形鋼板樁區域存在紅砂巖。根據取樣檢測，該區域紅砂巖抗壓強度為15 MPa；此時使用SH350型打樁機施打工字形鋼板樁樁體已無法將其有效貫入紅砂巖內，從而導致部分樁體出現錨固深度不足的情況，無法起到支護作用。

針對此，結合現場實際情況采取了平移部分樁位以避開紅砂巖地質，同時交叉打設工字形鋼板樁方式。其中，部分不能打設工字形鋼板樁區域則采取分級開挖方式，并分級噴射混凝土護面，在開挖完成后則堆砌砂袋并噴射混凝土進行固結，設置型鋼橫撐，間距0.5 m。

另外，本工程部分既有鐵路接長涵洞上部存在接觸網回流線，而回流線距離接長涵洞帽石10 m。對此，需打設的工字形鋼板樁長度為12 m，存在一定的安全風險。為了有效處理，可通過工字形鋼板樁截為6 m一段來分段打設；需注意的是，鋼板樁接頭處要打設3排18 mm螺栓孔，并通過鋼板進行螺栓連接。

6 投標應用成果

1）安全方面。在通過制定合理設計與施工方案、針對重要問題進行嚴格受力計算后，確保了本工程實施過程的安全性，并有效地控制了施工風險。

2）質量方面。在投標階段全面評估后續施工可能發生問題，在方案中提前籌劃與提出比選方案，并在中標后嚴格按照方案實施，可以確保工程質量達到合格標準

3）效率方面。依據現場調研資料和類似項目經驗合理排布工序與做好工序搭接，能夠保證進度計劃按時完成。

4）費用方面。通過方案的比選和優化后，可結合優勢和資源情況來制定費用方案，減少了大型設備投入，在節省費用的同時提升了競爭力，加大了中標概率。

7 結語

在投標期間，通過深入研究支護結構方案，能夠有效保證投標方案完善明確且投標造價費用可控，不僅為接長涵洞施工過程提供了有力保障，還涉及竣工后對既有鐵路接長涵洞翼墻及基礎的拆除。施工結果表明H型鋼能夠對支護結構起到有效作用，從而確保了既有鐵路接長涵洞施工的順利完成。