下穿既有鐵路箱涵改擴建施工技術

魏健偉（中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司，上海 200042）

1 工程概況

浙江省嘉興市嘉善縣體育路下穿某鐵路立交橋改擴建工程位于嘉善縣城區，為南北向城市道路。主線下穿某鐵路，為箱涵結構，鐵路外側為 U 型槽結構與箱涵連接。設計道路全長 366 m，設計寬度為 28.8 m；體育路與滬昆鐵路斜交，道路中線與鐵路法線交角 4°。既有滬昆鐵路有上行線、下行線和牽出線 3 個股道，與道路交叉處鐵路為直線，線間距 5.04 m，最低軌底標高為 4.26 m。

下穿某鐵路原有箱涵為 4.5 m + 8.0 m + 4.5 m（凈寬）3 孔（分離式）。本次下穿某鐵路立交改擴建內容為將原有西側 4.5 m 箱涵破除，在該側對稱新建 4.5 m + 8.0 m 的 2孔分離式箱涵。其中，1.0～4.5 m 箱涵長 25.1 m（含 3 m連體 U 型槽），箱身凈寬 4.5 m，外圍寬 5.4 m，凈高 6.2 m，頂板厚 35 cm，底板厚 45 cm，腹板厚 45 cm。其中，1～8 m 箱涵長 22.1 m，箱身凈寬 8 m，外圍寬 9.3 m，凈高 5.8 m，頂板厚 50 cm，底板厚 70 cm，腹板厚 65 cm。框架主體采用穿 C 40 防滲鋼筋混凝土結構。箱涵采用支架法分兩次澆筑，第一次澆筑底板及底板以上 70 cm 墻板，第二次澆筑其余墻板及頂板。

新建箱涵采用鐵路外側預制、頂進法施工。頂進工作坑位于鐵路南側，長度 41.60 m，寬度 15.30 m，開挖深度5.91 m，頂程 38.00 m，按施工圖設計基坑采用圍護鉆孔樁同止水高壓旋噴樁相結合的形式。

2 既有箱涵破除方案選擇

在頂進 1～8 m 箱涵前需對既有 4.5 m 箱涵進行破除，破除方式采用鎬頭機鑿除。箱涵破除可選擇直接在線路下方進行鑿除，也可嘗試將箱涵頂出線路以外進行鑿除。通過安全、技術、進度以經濟方面的分析可知，線路下鑿除方案技術難度方面不存在問題，但由于機械在線路下作業面受限，功效較低，預計將箱涵全部鑿除需要 20 d。由于該項作業是在營業線慢行條件下施工，慢行時間較長，且對影響鐵路行車安全風險較大。如將箱涵頂出線路以外鑿除，則不需要在營業線慢行條件作業，降低了鐵路行車安全的影響，且線路外鑿除不占用總體頂進的工期，如頂出順利，1 d 即可完成工作。但由于既有箱涵年代久遠，無相關資料可查詢，技術上可能存在一定難度。經綜合考慮，最終選擇了線路外鑿除的方案，在技術上做好充分探究和準備。

3 總體方案的實施

本次下穿既有線箱涵改擴建總體方案的核心是頂進施工，而頂進施工成功的關鍵是確保鐵路行車安全和箱涵就位的質量控制。總體方案實施主要步驟是簡易支墩制作 D 24型便梁架設線下開挖、條形支墩制作便梁縱移，線下開挖加固。0～4.5 m 箱涵頂進便梁縱移既有箱涵頂出地基加固，1～8 m 箱涵頂進線路回填、恢復。合理編制施工計劃，充分考慮線路加固與頂進工作坑及箱涵預制施工的同步性和銜接性，高效利用鐵路慢行時間。

3.1 線路加固

3.1.1 簡易支墩施工

在條形支墩線下開挖施工前，便梁架設采用簡易支墩。簡易支墩尺寸為 1.5 m × 1.5 m（線路外側）及 1.5 m × 2.5 m（線路間）。結構由下至上分別為 10 mm 碎石墊層，50 cm 厚 C 40混凝土，并設置雙層鋼筋網片，鋼筋為φ14 cm @ 150cm。基床上面鋪設 10 cm 碎石墊層，然后鋪設鋼筋網片，澆注混凝土，采用人工搬運混凝土料澆注。

3.1.2 便梁架設、縱移及拆除

本次總體施工方案中，先架設 3 孔 D 24 型便梁制作條形支墩；再人工采用千斤頂、運梁臺車縱移便梁，用于 2 個箱涵的頂進（含既有箱涵頂出）。全過程 3 孔便梁，共架設3 孔次，移梁 6 孔次。便梁架設做好接地、觀測點及便梁限位器。在便梁架設及拆除過程中需要鐵路慢行 45 km/h，且在穿鋼枕、便梁架設（含組裝）及拆卸時需要封鎖，軌道車架設便梁作業同時需要接觸網停電。

（1）穿鋼枕作業。封鎖點開始，清除軌枕間道砟至枕木底（深度以能穿入鋼枕為宜）。為充分高效利用封鎖時間，鋼枕預先擺置線路旁相應位置。穿鋼枕時，采用軟橡膠墊包住軌底，以防鋼枕同時搭接鋼軌出現紅光帶。

（2）便梁架設。便梁采用軌道車運輸，每次架設 1 孔便梁。接到線路封鎖命令后，軌道車運至施工地，由軌道吊安裝架設就位。在安裝過程中，注意避免觸碰接觸網及其立桿。

（3）便梁組裝。先將縱梁調整高度，組裝兩端第一根鋼枕，再組裝鋼枕時須逐擋進行。作業過程中避免組拼成一側完成、另一側空缺的現象，造成左右股道鋼軌受力不均的不安全狀態。采用高強樹脂基復合材料 D 24 新型扣件，可先按隔 4 擋定位安裝一擋，再逐擋安裝。扣件及鋼枕組裝完成后，全面檢查扣件狀態，壓板是否可靠、絕緣膠墊是否密貼。同時，再全面緊固一次鋼枕螺栓。便梁組裝完成后，由鐵路電務部門對便梁進行絕緣測試、接地檢查，并做好記錄和簽認。

（4）便梁縱移。第 1 次便梁架設是為條形支墩施工做線路加固，待條形支墩達到設計強度之后進行移梁。第 1次移梁將 3 孔便梁同時移至支墩上及既有 4.5 m 箱涵上，縱移距離約 6 m。第 2 次移梁將 3 孔便梁同時移至新頂進1.0～4.5 m 箱涵及既有 8 m 箱涵上，縱移距離約 12 m。移梁作業采用千斤頂及運梁臺車方式進行人工縱移。步驟如下。① 便梁拆解前，先在縱梁兩端以內約 4 m 處（第 6 根鋼枕）、鋼軌上方約 15 cm 位置各拼裝 1 根鋼枕，如圖 1所示。② 將原 37 根鋼枕與縱梁拆解，在每片縱梁的兩端利用千斤頂將兩片縱梁向上頂起；并將運梁小臺車置于上方的鋼枕下，回落千斤頂，如圖 2 所示。③ 通過人力將縱梁推移至指定位置后，利用千斤頂頂高縱梁，抽出小臺車、落梁，然后拆除軌道上方兩根鋼枕，拼裝 37 根鋼枕。

圖1 移梁步驟 1

圖2 移梁步驟 2

（5）便梁拆除。在便梁區域回填道碴并搗實，使線路基礎處于受力狀態，再拆除鋼枕與縱梁的連接。便梁拆解過程中，需線路工隨時檢查軌道幾何狀態，不斷調整。便梁構件全部撤除后，及時補充道碴、搗固、養護線路，使線路恢復正常運行狀態。

3.1.3 條形支墩制作

條形支墩施工流程為放樣架設便梁線下放坡開挖高壓旋噴樁加固鋼筋綁扎、立模、澆筑支墩回填搗實。

條形支墩采用與線路正交制作，線路下拉槽深度 3.0 m，然后采用密排φ60 cm 高壓旋噴樁加固基底，樁長12 m。基底加固完成后，進行回填 10 cm 碎石墊層、鋼筋綁扎作業、立模、澆筑 C 25 混凝土。混凝土澆筑完成后進行養護，強度達到要求后拆除模板，回填土及素混凝土（永久性三角區），恢復線路。

線下拉槽采取 1∶1 放坡開挖。根據設計圖紙及施工要求，開挖深度為軌底下去 3 m，支墩兩側留有 0.5 m工作面，即基底開挖寬度為 3.5 m，軌底開挖寬度為 9.5 m。施工全過程進行路基沉降觀測。在線下拉槽作業時，挖掘機指揮及司機必須高度警惕，嚴防挖掘機碰撞便梁的下端，以免造成對既有線行車安全的影響。

3.2 滑板、后靠背施工

頂進工作坑開挖完成、箱涵結構預制前進行滑板及后靠背的施工。該臨時結構也是頂進施工的關鍵。待滑板強度滿足施工要求，在其上進行箱涵預制。

3.2.1 滑板結構及控制要點

（1）滑板結構層如圖 3 所示。

圖3 滑板結構層

（2）控制要點如下。① 滑板混凝土的表面需要光滑，以減少摩阻力，在滑板澆筑抹平后用 M 10 砂漿壓實抹光。②為保證滑板的抗滑能力，保證箱涵頂進時不會帶走滑板，錨梁深度必須滿足設計要求。③ 滑板頂面的坡度為無坡度。

3.2.2 后靠背施工

（1）土體開挖。后背梁底標高為滑板頂面以下75cm，滑板頂面上部高 80 cm。土體開挖要嚴格控制標高，一次開挖到位，不得超挖進行回填，減少原土體擾動。

（2）后靠背清理。后靠背采用間距 95 cm。φ80 cm 鉆孔樁結構形式，后背梁鋼筋綁扎前對鉆孔樁間隙處土體進行清理干凈，頂進施工前采用半干濕砂將后背梁與后靠背之間的間隙灌填密實。

（3）鋼筋綁扎。滑板縱向主筋端頭設置成 L 形，并與后背梁豎向鋼筋進行牢固焊接。縱向主筋軸線必須與頂進方向一致，不得歪斜、彎曲。縱向鋼筋全部采用電焊焊接。

（4）混凝土澆筑。與滑板同時澆筑，澆筑時必須振搗密實。

3.3 箱涵頂進施工

根據現場實際，優化作業工況。箱涵頂進順序如下：先頂進 1.0～4.5 m 箱涵，此時，D 24 型便梁架設在條形支墩和既有 4.5 m 箱涵頂；再縱移便梁至新建 1.0～4.5 m 箱涵頂和既有 8 m 箱涵頂，頂出既有 4.5 m 箱涵，頂進新建1～8 m 箱涵；便梁縱移前，在新建 1 .0～4.5 m 箱涵內，對應便梁在箱涵頂支撐位置，加設φ609 mm 鋼管支撐，以確保新建箱涵結構不受施工影響。

3.3.1 頂進技術參數及油頂布置

頂力計算如式（1）所示。

式中：F—最大頂力，kN；

K—系數，采取 1.3 摩擦因數；

μ—箱身底部與基底土體摩阻系數，取 0.8；

N—箱體自重，kN；

E—箱身兩側土壓力，kN；

f—箱涵側面與土體摩阻因數，取 0.7。

箱身兩側土壓力E計算如式（2）所示。

式中：γ—土體自重，取 17 kN/m3；

H—箱涵兩側土壓力高度，m；

Ka—土壓力系數，取 0.5；

L—頂進箱體長度，m。

由式（2）可知，1.0～4.5 m 箱涵總重 647 t，計算最大頂力F=9 835 kN，理論配備油頂數量為N=F/9.8/200=5臺，實際頂進時采用 6 臺 200 t 油頂進行施工，1 臺備用。油頂間距 0.9 m ，對稱布置于箱涵后端與后靠背之間，由后靠背提供支撐反力，控制箱置于后背梁上位置。

既有 4.5 m 箱涵經計算其總重約 562 t。由式（1）、式（2）計算得出頂力F=5 845 kN，理論配備油頂數量N=2.9≈3，實際頂進時采用 6 臺 200 t 千斤頂進行施工，其中2 臺作為備用。油頂間距 0.9 m 對稱布置于既有箱涵后端與新建 1～8 m 箱涵前端之間（1～8 m 箱涵后端與后靠背之間采用千斤頂施力加緊），通過新建 1～8 m 箱涵傳遞反力。控制箱置于新建 1～8 m 箱涵內前端位置。在實際頂出作業中，讀表計算起動力約為 4 100 kN，箱涵頂出比預想順利。

1～8 m 箱涵總重 1 057 t。由于頂進 1～8 m 箱涵時，箱體兩側均為框架，不存在土體，故箱身兩側土壓力E為 0，計算最大頂力F=10 993 kN。理論配備油頂數量為N=F/9.8/200=5.6≈6，實際頂進時采用 8 臺 200 t 油頂進行施工，2 臺備用。油頂間距 0.9 m 對稱布置，控制箱置于后背梁上位置。

3.3.2 頂進施工流程

（1）施工流程。準備工作→檢查安裝頂力設備→試頂→頂進→更換頂鐵、加放管樁→測量校正→挖土、運土（循環作業）。

（2）組織檢查。頂進作業，成立頂進作業工作小組，全面檢查各項準備工作,包括箱身結構強度、線路加固、后靠背結構強度、頂進設備布置情況、現場照明布置、液壓系統安裝及試驗情況、觀測體系的建立、與鐵路行車單位聯系情況等。

（3）準備工作就緒，先進行試頂以獲取實際工況數據與理論對比。試頂正常后，開始正式頂進，頂進過程中加強對線路進行監測。頂進過程中吊機停放于后靠背西側，采用25 t 吊機吊裝頂進設備。

3.3.3 頂進過程中監測及糾偏措施

箱涵內頂面軸心處設置軸線測量標牌，標牌中心刻度為 0，左右各標注刻度 –20 cm、+20 cm。框架內側墻 4個角位置底板以上 1 m 處用紅漆進行高度標注，用以控制框架頂進過程中左右標高。頂進方向及標高控制采用全站儀，儀器架設在后背梁上與框架頂進軸線重合。頂進前讀取原始讀數并記錄。頂進時進行連續觀測及時掌握有關數據，每個頂程觀測一次。測量人員、挖掘機防護員、頂進設備操作手隨時溝通，以便及時糾偏。頂進全過程中派人監測。糾偏方法如表 1 所示。

表1 糾偏方法

3.3.4 頂進挖土

箱涵頂進采取帶土頂進，頂進前進行拉槽挖土，挖槽深度為便梁以下不超過 3 m。頂進時進行第二次挖土，挖土采用 2 臺 0.4 m3挖掘機，2 臺 1 m3挖掘機進行。線路外采用大挖掘機挖運土方，線路下挖土采用小挖掘機結合人工在頂進時對中線進行抽槽挖土。開挖底面高于箱身底面 5～10 cm，根據箱涵頂進時高程調整。挖土指揮與監測人員保持聯系，隨時根據箱涵頂進的偏差情況以調整挖土方式。

頂進挖土專人指揮，嚴格按照監測結果挖土，挖土人員與觀測人員緊密配合，不可發生信息中斷情況。列車通過時，挖掘機停止工作，人員退出至開挖面 1 m 以外，土方裝入自卸汽車外運。

3.3.5 頂進就位在頂進前要嚴格對鐵路兩側頂進就位線準確放樣，并用石灰線灑出，保證頂進過程中的控制。在頂進即將完成時，鐵路兩側就位線處各站一名技術員，保持與頂進設備操作人員、挖土人員對講機聯系，保證頂進就位準確，誤差不超過2 cm。

3.3.6 頂進注意事項

（1）箱涵在工作坑內滑板上頂進時，注意箱身的中軸線方向，頂管（傳力管樁）前須增加橫向連系梁。

（2）頂進工作小組之間交接時，對油頂設備及液壓系統、傳力裝置、后靠背及平臺等進行檢查，掌握頂進箱涵的方向及高程狀態。在頂進過程中，全程做好記錄，隨班交接，以利于箱身頂進控制。

（3）頂進箱身在列車運行間隙進行，列車通過線路時暫停頂進。頂進挖土人員和人員制定聯系制度，使洞內外密切配合，以確保施工安全。

（4）頂進時，頂管和后背梁上不準站人，以防止頂管崩出引起意外傷人。

（5）安放頂鐵或頂柱時保持與頂進軸線順直一致，與橫梁垂直，每行頂鐵和頂管與千斤頂成一直線。

（6）頂進前采用槽鋼對箱體前端止水帶進行保護。

（7）加強線路路基位移、高程觀測，保證線路行車安全。對工作坑以及后靠背也要進行實時觀測觀察，保證基坑穩定。

（8）頂進作業 24 h 連續作業，施工前注意關注天氣情況，避開雨天施工。

4 結 語

經過方案上的優化、安全質量控制措施有效落實、施工組織上的全面部署，本次下穿既有線箱涵改擴建施工進展非常順利。箱涵頂進質量滿足設計要求，同時，對鐵路行車干擾時間以及安全影響程度小于預期，節約了工期、降低了施工成本，為同類施工項目積累了經驗。