箱涵下穿既有運營高速鐵路關鍵施工技術研究

吳 斌

（廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530000）

0 引言

該文以柳州市航二路延長線市政道路下穿柳南客專的工程為背景，對該工程線路加固方法進行分析，基于箱涵頂進施工技術難點，建立施工過程自動監測技術及建立施工過程可視化監控系統，以期能夠給類似工程項目的施工提供參考。

1 工程概況

柳州市航二路延長線為城市主干路，從柳工大道西側的規劃路口起，道路沿西東走向與柳工大道相交，直線依次下穿柳州西鵝貨運中心、柳州南編組站Ⅳ場、Ⅰ場，至柳南客運專線止。框架于K1+691.49處與柳南客專正線74°斜交，下穿柳南客專正線2股道，線路為有砟軌道，采用為P60鋼軌，雙向線路間距4.6m。相交段鐵路位于緩和曲線范圍，經實測線路縱坡是水平的，曲線最小半徑為1200m，最大超高值為8cm，最大曲線內側加寬值7.9mm。航二路延長線下穿柳南客專采用兩座間距2m分離并排框架，框架長度為24m，寬14.4m，高9.6m，左右幅均采用預制頂進施工，框架中心線與航二路道路中心線重合。框架在柳南客專下行線工作坑內預制，向柳南客專上行線方向頂進。

2 箱涵下穿鐵路線路加固技術

2.1 技術難點

技術難點有2個：①因為客運專線的線上施工僅能在夜間列車運行“天窗”時間段，時間緊，施工環境條件較差，要求所采用的線路加固方案要盡量減少封鎖要點的次數及時長。②同時要保障線路加固施工措施安全，線路加固體系變形及應力狀態可控，在列車限速45km/h的車況下能夠安全穩定地行駛。

2.2 線路加固技術分析

2.2.1 架空縱梁的選擇

以往箱涵下穿普通鐵路線路加固的縱梁一般采用工字形型鋼[1]，但對高速鐵路來說，由于速度差異較大，對線路的承載力、變形及安全穩定性的要求更高。參考現有鐵路線路加固方法并結合以往施工經驗，該項目的線路縱梁加固采用預制式的D24、D20、D16型便梁[2]，共4孔，D型便梁可以重復性利用，工廠化加工制作，規格統一。長期的施工實踐證明，其具有施工安裝簡便、強度高及抗傾覆能力強的優點，同時在列車運行時的動力荷載作用下抗彎曲能力強，能夠滿足高速鐵路對線路加固的技術參數要求。

2.2.2 D型便梁支承方式選擇

D型便梁的支墩采用孔樁，孔樁嵌入地基承載層內，其良好的承載能力及安全穩定性能夠滿足要求。因為該項目箱涵下穿雙線高速鐵路，如果將孔樁支墩設置于D型便梁的支座下方，則須在線路上行線與下行線之間設置5排共10個支墩。但現場實際是需要在施工過程中，保證鐵路的持續運營。同時按《南寧鐵路局高速鐵路營業線施工安全管理實施細則（試行）》有關規定，鐵路營業線上的施工，均需要晚上封鎖線路后實施，然而孔樁支墩施工持續工期長，意味著孔樁施工將長時間對動車的正常運營造成影響，安全防護成本高。該項目采取在營業線設備安全界限外側設置孔樁支墩，采用截面尺寸為16m×2m×1.8m（長×寬×高）預應力砼橫抬梁作D型便梁的支撐梁，橫抬梁在線路外的一側預制后頂進就位，頂進前對運營線路臨時加固，從而減少頂進施工對線路的行車干擾[3]。

其施工流程：樁基施工→線路應力放散→線路臨時加固橫抬梁頂進就位→調整枕距軌枕間距（按670mm左右的間距調整好軌枕間距，并將多余的軌枕抽出）→穿入橫梁（在調整好的軌枕間距內扒除部位道碴并穿入橫梁，同時墊好橡膠支座，上好鋼軌扣件）→吊運縱梁并就位（將橫梁兩端頭及以外的道砟清除，分別將縱梁就位，并安裝連接板及牛腿）→擰緊配件→全面檢查并放通線路→基坑開挖及支護→隧道框架預制及頂進就位→路基回填及線路恢復→拆除D便梁→臨時加固線路，抽出橫抬梁→恢復線路。

線路加固后根據支護形式，采用放坡開挖基坑（加固線路下路基及道床），使線路完全架空，如圖1所示。邊坡坡率為1∶1（分為兩級），坡面采用土釘墻噴錨支護。

圖1 柳南客專施工立面圖

2.3 D便梁的監測技術

D便梁現場監測指標主要有應力應變、撓度、振動參數，監測設備分別為應變傳感系統、靜力水準系統和測振系統，同時為了更直觀地觀測D便梁形態變化，利用高清攝像系統采集不同工況下的D便梁圖像。4種監測設備具體安裝步驟如下。

2.3.1 應變傳感系統

2.3.1.1 測點選擇

由于框架橋頂進方向完全覆蓋第三孔D20便梁，為了分析所有工況，同時考慮監測工作量和便利性，因此選擇上行線第三孔內外兩側D20便梁進行監測。監測階段分為兩個階段，即橫抬梁未頂進就位前和D便梁調整到橫抬梁后，橫抬梁未頂進就位前測點位置選擇為便梁跨中翼緣內側上部，D便梁調整到橫抬梁之后測點選擇為便梁兩端翼緣內側上部。

2.3.1.2 設備安裝

首先利用卷尺找到便梁的中點位置，并噴漆做好標記；將應變傳感器安裝到配套基座上，清洗好便梁上的污漬，并利用膠水或者其他材料將基座連同應變傳感器固定在便梁上，注意便梁中點位置以基座中點對應；便梁內側的信號接收線要鐵軌下部穿過，必要時采取一定程度的包裹保護措施，防止線路磨損破壞；信號收集模塊集結箱安裝在上行線行車安全限界之外，并做好標識和保護措施；信號線鏈接到集結箱，并通過電腦對信號接收系統進行調試，確保監測時設備完好。

2.3.1.3 監測

通過鐵路部門獲取列車的大致載重、通過時間點以及速度，并提前到達監測地點，在列車通過前1min內開啟監測系統，獲取列車通過時D便梁的應變變化，并通過應力應變轉換公式，求出對應的應力值。

2.3.2 靜力水準系統

2.3.2.1 測點選擇

考慮到受力特點和安裝可行性，選擇上行線第三孔外側D20便梁進行監測，同時為與應變傳感器錯開，橫抬梁未頂進就位前測點位置選擇為便梁跨中翼緣外側側上部，D便梁調整到橫抬梁之后測點選擇為便梁兩端翼緣外側上部。

2.3.2.2 設備安裝

首先在便梁翼緣和腹板上各焊接一個固定螺栓，具體位置需要靜力水準系統進行比對；清洗測點，并在翼緣部位涂一層石膏；將設備對準螺栓之后，扭緊螺帽，將設備與便梁連接為一體；在周圍尋找一個穩定且與測點高程相近的點安裝其他配套設備；在行車安全限界之外安裝信號收集模塊集結箱，并調試設備。

2.3.2.3 監測

監測時間與應變傳感系統一致。

2.3.3 測振系統

2.3.3.1 測點選擇

測振系統分為水平測振和豎直測振2個立方體傳感器，2個傳感器測點位置選擇靠近靜力水準系統的兩側。

2.3.3.2 設備安裝

測點位置的翼緣部位焊接一個固定螺栓，并在附近涂好

石膏；將傳感器對準螺栓，并扭好螺帽；在行車安全限界之外安裝信號收集模塊集結箱，并調試設備。

2.3.3.3 監測

監測時間與應變傳感系統一致，監測完成后由配套分析系統，導出速度、加速度、振動振幅、振動系數等有關參數。

3 箱涵下穿鐵路頂進施工技術

3.1 技術難點

技術難點有以下2點：1）箱涵下穿頂進施工時頂進線路偏位難以準確控制，特別是在頂進過程出現頂進線路偏移需要及時調整，從而避免既有運營鐵路線路的失穩。2）由于箱涵頂進施工是一個需要實時監測的動態過程，現場施工情況及監測數據需要進行實時監控。

3.2 基于自動測量機器人的頂進線路智能監測技術

3.2.1 設備布置

根據設計圖紙，找到頂推箱涵頂進路線的中線PQ，其中Q為頂推箱涵頂進方向的對側且為穩定基準點。N和M分別為頂推箱涵底板中線中線上的前端和后端，A、B、C、D為頂推箱涵頂板下部靠近頂角的部位。為了能夠采用全站儀對頂進過程的偏移和高差進行監控，需要六個棱鏡分別安裝在A、B、C、D、M、N六個部位。

3.2.2 監控

在Q點將全站儀設站完畢，以備監測箱涵頂進過程中頂進線路的偏位。

3.2.3 系統

自動監測系統需要編制能控制全站儀測試并讀取其中數據的程序，并能做如下操作：輸入P（XP，YP，ZP）點和Q（XQ，YQ，ZQ）點坐標，并代入方程Y=aX+b，（其中Y為P、Q點縱坐標；X為P、Q點橫坐標;a為點PQ連線確定的在XY平面內直線的斜率；b為點PQ連線確定的在XY平面內直線的縱軸截距）求出a和b的值；在頂進之前通過程序控制全站儀對A、B、C、D、M、N（圖2）6個點進行初始化掃描，記為A0（XA0，YA0，ZA0），B0（XB0，YB0，ZB0），C0（XC0，YC0，ZC0），D0（XD0，YD0，ZD0），M0（XM0，YM0，ZM0），N0（XN0，YN0，ZN0），其中X、Y、Z分別代表基于空間三維坐標系的橫坐標、縱坐標及高程坐標。

圖2 智能監測測點布置圖

當頂進進行到第i階段時，控制全站儀依次對6個點A、B、C、D、M、N進行掃描，記為Ai（XAi，YAi，ZAi），Bi（XBi，YBi，ZBi），Ci（XCi，YCi，ZCi），Di（XDi，YDi，ZDi），Mi（XMi，YMi，ZMi），Ni（XNi，YNi，ZNi），其中X、Y、Z分別代表基于空間三維坐標系的橫坐標、縱坐標及高程坐標。

第i階段頂推箱涵4個頂角的高差分別為ΔAi=ZAi-ZA0，ΔBi=ZBi-ZB0、ΔCi=ZCi-ZC0，ΔDi=ZDi-ZD0。

若ΔAi為負值，輸出A頂角下沉ΔAi，若ΔAi為0，輸出A頂角高差沒有變化，若ΔAi為正值，輸出A頂角上升ΔAi。

若ΔBi為負值，輸出B頂角下沉ΔBi，若ΔBi為0，輸出B頂角高差沒有變化，若ΔBi為正值，輸出B頂角上升ΔBi。

若ΔCi為負值，輸出C頂角下沉ΔCi，若ΔCi為0，輸出C頂角高差沒有變化，若ΔCi為正值，輸出C頂角上升ΔCi。

若ΔDi為負值，輸出D頂角下沉ΔDi，若ΔDi為0，輸出D頂角高差沒有變化，若ΔDi為正值，輸出D頂角上升ΔDi。

將XMi、XNi分別代入Y=aX+b，求得Y′Mi、Y′Ni，再將YMi、YNi分別代入Y=aX+b，求得X′Mi、X′Ni。

若Y′Mi=YMi，輸出頂推箱涵后端沒有偏移中線；否則輸出頂推箱涵后端偏移值，如公式（1）所示。

式中：XMi、YMi分別為M點初始橫坐標及縱坐標，X′Mi、Y′Mi分別為M點頂進第i階段的橫坐標及縱坐標。

當YQ＜YP且a＜0時，若Y′Mi＜YMi，輸出M點為右偏，否則輸出M點左偏；若YQ＜YP且a＞0時，若Y′Mi＜YMi，輸出M點為左偏，否則輸出M點右偏；若YQ＞YP且a＜0時，若Y′Mi＜YMi，輸出M點為左偏，否則輸出M點右偏；若YQ＞YP且a＞0時，若Y′Mi＜YMi，輸出M點為右偏，否則輸出M點左偏。

同理，若Y′Ni=YNi，輸出頂推箱涵前端沒有偏移中線；否則輸出頂推箱涵前端偏移值，如公式（2）所示。

式中：XNi、YNi分別為M點初始橫坐標及縱坐標，X′Ni、Y′Ni分別為N點頂進第i階段的橫坐標及縱坐標。

當YQ＜YP且a＜0時，若Y′Ni＜YNi，輸出N點為右偏，否則輸出N點左偏；當YQ＜YP且a＞0時，當Y′Ni＜YNi，輸出N點為左偏，否則輸出N點右偏；當YQ＞YP且a＜0時，若Y′Ni＜YNi，輸出N點為左偏，否則輸出N點右偏；當YQ＞YP且a＞0時，若Y′Ni＜YNi，輸出N點為右偏，否則輸出N點左偏。

3.3 預制箱涵頂推過程可視化監控系統

在預制頂推箱涵上，安裝了用于監測箱涵高差變化的4個360°棱鏡、用于監測箱涵頂推偏移量的2個360°棱鏡、用于監測頂推過程箱涵應力的4個應變傳感器以及用于接收應變數據的信號接收器；在既有鐵路上安裝了用于監測軌道變形的布里淵分布式光纖監測系統；在預制頂推箱涵對側，安裝了用于讀取棱鏡讀數的自動測量機器人、用于控制自動機器人的PC電腦、用于捕捉頂推過程視頻圖像的高清攝像頭；在預制頂推箱涵對側穩定處，設置了用于監控頂推整個過程的可視化監控室。

4 結論

航二路延長線下穿柳南客專框架頂進工程已經順利完成，采用了上述D型便梁+預應力混凝土橫抬梁線路加固體系以及D便梁應力變形監測方法，不但保證了架空線路的剛度、強度及穩定性，還加快了施工進度，并在一定程度上節約了工程施工成本。在箱涵頂進施工過程中，采用智能自動監測技術及頂進過程可視化監控技術，不但能夠實時糾偏箱涵頂進偏位，保證頂進施工的可靠性，還能進行施工過程全天候遠程在線監控，具有較高的推廣應用價值。