人工挖孔樁在高速鐵路運營線路站場改造施工中的兩種應用

舒思義

（中鐵六局集團有限公司，北京 100036）

1 工程實例

該實例為天津西站和北京大興國際機場的鐵路聯絡線，其中天津西站至勝芳站利用既有津霸客專，固安東站至大興國際機場站利用既有京雄城際。勝芳站改造施工是津興鐵路的一項控制性工程，改造區域位于勝芳高鐵站西咽喉，通過對既有路基進行幫寬，并對線路進行改造，在既有津霸客專正線上插入2組42#道岔實現新建津興鐵路引入勝芳站，從而利用津霸客專與天津方向連通；新線引入勝芳站需在站場與橋梁分界處新建橋臺，同時站內進行接觸網改造施工，新建橋臺防護樁及新建接觸網支柱基礎施工均需采用人工挖孔樁形式，通過地質情況調查及設計資料核對并結合現場施工環境，人工挖孔樁分別采取永久鋼護壁及混凝土沉管護壁形式，施工效果安全、可靠，最大限度降低了對既有線行車的影響，得到了鐵路局及相關站段的一致好評，同時為其他類似工程施工提供了參考依據。

2 既有高鐵線路旁人工挖孔樁永久鋼護壁形式

新建津興鐵路勝芳左右線橋臺里程為：DK49+003.38，既有津霸客專里程為K37+243.970。新線引入過程中需在既有橋臺旁新建橋臺，新建橋臺邊緣與既有橋臺邊緣相距4.2m，新建橋臺施工時侵入既有橋臺護錐，為保證既有津霸客專行車安全，采用人工挖孔防護樁施工，為防止既有橋臺受偏載影響發生變形，既有橋臺兩側挖孔樁對稱施工（見圖1）。津霸客專梁邊緣與防護樁施工最近距離1.7m。防護樁采用直徑1.25m，A(A')型7根，樁長12m，沿路基邊坡向坡腳其余4根B(B')型樁長依次為9m、6m、4m、3m，采用三面防護，防護樁共計30根，樁間距1.7m。結合鐵路局工務部門對人工挖孔樁施工提出的要求，孔內護壁采用永久鋼護壁形式，規避了挖孔過程中因護壁強度不足造成的塌孔進而影響行車的事故。

圖1 新建橋臺與既有橋臺位置關系圖、永久鋼護壁結構圖

施工前需破除既有橋臺錐體護坡，利用土袋砌筑施工平臺，對應挖孔位置做護壁鎖口，挖孔樁開挖遵循隔二挖一的原則，跳孔開挖，分8組（左右橋臺各4組）施工，具體施工順序為：第一周期B(B')3、A(A')2、A(A')5、B(B')8，第二周期B(B')4、A(A')3、A(A')6、B(B')7，第三周期A(A')1、A(A')4、A(A')7，第四周期B(B')2、B(B')6，第五周期B(B')1、B(B')5。樁孔開挖采用分節挖土法，人工手持十字鎬，鐵鍬裝入提升吊桶內，由手搖轆轆提至地面后，就地裝袋碼放或攤鋪，以便逐漸擴大操作面。孔樁開挖按照掘進一段、護壁一節的施工原則，由淺至深不斷循環作業，直至達到設計樁深，一般情況下每次單節開挖深度控制在0.5m左右。

護壁采用C25混凝土現澆，護壁上口厚度200mm，下口厚150mm，上下護壁間搭接50mm，護壁采用外齒式，每節護壁控制在0.5m左右。護壁豎向和水平均采用Φ10鋼筋，單層設置，間距25cm。護壁模板采用定型組合式拼裝鋼模板，為不拆除永久模板，厚度為5mm，沿樁孔一周分為四塊，分別吊裝安裝。為保證模板剛度，護壁模板內側用80×60×5聯結鋼片焊接加固，模板的每道交接縫設置三個連接點。支模時在內側用木方支撐，預防澆筑護壁混凝土時模板變形。模板做成上口小、下口大的形狀，即每節護壁接頭處成八字階梯形。每節模板安裝均采用井內吊線定位，模板安裝完畢后進行復測，確保斷面大小、樁孔垂直度符合設計要求，護壁模板加工誤差控制在5mm以內。

為最大限度降低挖孔樁施工對既有線行車的影響，挖孔樁施工需利用高速鐵路天窗點內時間進行，鋼筋籠吊裝及混凝土澆筑作業因施工機械與接觸網之間距離不滿足安全限界需求，需接觸網配合停電。該施工方法有效避免了高速鐵路既有橋臺錐坡開挖新建橋臺導致的路基坍塌引起人身傷亡事故及行車事故的發生，施工過程中未產生任何安全事故，施工工藝簡單、施工成本低、施工效果良好。

3 既有高鐵線路路基上方人工挖孔樁混凝土沉管護壁形式

勝芳站改造施工需進行既有路基幫寬，同時引起既有接觸網位置調整，調整后接觸網距離既有線線路中心最近3.25m，受既有高鐵運營影響，接觸網施工無法采用傳統的機械開挖方法，采用傳統的現澆鋼筋混凝土護壁等強時間較長，不能在有效天窗點內完成樁基礎施工，且施工材料清理時間長，不利于天窗點內施工，采用鋼筋混凝土沉管護壁可充分利用高鐵天窗時間完成挖樁，及時進行混凝土灌注，避免孔口塌方對行車造成的影響。

接觸網基礎護壁部分侵入既有線砟腳，施工過程中靠近線路方向設置擋砟板，防止道砟溜進孔內，保護既有道床。擋砟板采用厚3mm鋼板焊接而成，順線路方向尺寸為1.3m寬0.45m高，鋼板中心焊接1.3m長角鋼（45mm×45mm×5mm），擋砟板采用直徑16mm的J型鋼筋錨固，每塊擋砟板需錨固4根鋼筋，錨固深度不少于40cm。擋砟板后道砟最高為32cm，放置擋砟板挖出的道砟向道心或枕木頭位置進行補填，防止線路縱向位移，保證營業線行車安全。

圖2 擋砟板樣式圖

圖3 J型鋼筋拉鉤樣式圖

接觸網基礎采用人工開挖成孔加預制鋼筋混凝土沉管護壁，樁孔開挖采用分節挖土法，人工手持十字鎬、鐵鍬進行開挖，孔樁開挖按照掘進一段、護壁一節的施工原則。基礎挖土順序為先中部后周邊，開挖一節支護一節。護壁內徑1m，每節高度0.5m，壁厚5cm。第一節開挖深度至0.3m開始沉管做護壁，外露0.2m作為孔口鎖口，防止道砟等掉入孔內。之后每次單節開挖深度控制在0.5m，保證孔口外露護壁0.2m；由淺至深不斷循環作業，直至達到設計樁深。樁頂部分挖孔時應注意保持挖孔的垂直度，需使用鉛垂線吊線檢驗。同時，要控制孔徑，避免超挖。深度到位后再次對孔深、垂直度、孔位進行檢驗。鉆孔深度和垂直度測定采用測繩（錘）和吊繩進行測定，不符合要求時應由人工進行修孔，直到符合設計要求，孔位檢驗由測量人員進行檢查。

為防止沉管護壁外側空隙對路基本體產生影響，每節護壁外側與土基間灌入細砂（0.125～0.25mm）；灌入細砂時需繞護壁周圍均勻灌入，同時輕敲護壁，保證灌入密實。挖孔完成后在孔口護壁周圍灌入水泥漿液，進一步保證沉管護壁外側密實，防止雨水灌入護壁外側引起土基坍塌。挖出的土裝入提升吊桶內，由三角架定滑輪提至地面后，就地裝袋碼放，人工抬運出既有線后裝車拉走。

人工挖孔時保證每天點畢前將孔口用鋼板沖孔網覆蓋，并用膨脹螺栓固定在護壁鎖口，護壁提前預留或點前開好膨脹螺栓孔，采用膨脹螺栓將鋼板沖孔網固定，鋼板沖孔網厚8mm，沖孔率70%，沖孔網表面焊接4根12mm鋼筋防止在列車荷載作用下沖孔網飛起并沿線路滾動。孔口采用M10×80型號膨脹螺栓在沉管壁厚中心位置開孔，膨脹螺栓邊距護壁邊緣3.4cm。鋼板沖孔網設置4根直徑12mm的G型鋼筋錨固深度20cm，通過對鋼板沖孔網在水平放置狀態下、鋼板沖孔網與水平面呈15夾角兩種工況的受力分析，考慮250km/h高速列車通過產生的風動力，計算膨脹螺栓錨固力滿足要求，安全系數可達30倍，能夠有效保證列車運行時不會引起鋼板沖孔網飛出，保證既有線行車安全。

圖4 鋼板沖孔網封口示意圖

圖5 鋼板沖孔網實物圖

施工過程中人工挖孔及鋼筋籠安裝均利用天窗點要點施工；鋼筋籠安裝、混凝土澆筑及施工過程中機具物料與接觸網之間不滿足安全距離時需接觸網停電才能繼續施工。鄰近施工過程中靠近既有線施工的大型機械采取接地措施，進一步保證了既有線安全。

4 沉管護壁強度驗算

為保證挖孔樁施工對既有線行車安全，針對路基上方人工挖孔樁混凝土沉管護壁采用大型通用有限元分析軟件MidasGTSNX建立整體有限元模型進行計算分析，土體模型認為各土層均呈勻質水平層狀分布且同一土層為各向同性，考慮巖土工程中存在的開挖問題及樁基施工等問題的施工過程通常較為復雜，如分步驟開挖、分步加載的施工等，常規的分析方法計算起來十分困難，往往需要通過有限元對周圍土體的位移、結構的內力和變形等進行分析。針對這類問題，國內外應用最多的研究方法是有限元法，該方法可以用于求解非線性問題，可在計算過程中模擬各種復雜的材料本構關系，易于處理非均勻介質問題、模擬各向異性材料，適用于各種復雜的邊界條件。

整個分析過程分為11個階段：施加地基及既有線自重荷載、軌道列車荷載并清零—分步開挖樁基基坑并施工沉管護壁（每步開挖深度0.5m）—樁基施工，具體模擬過程如表1所示。

表1 施工階段說明

計算可得到每個分析步下模型應力場分布，隨著樁基開挖深度的增加，樁基基坑開挖對既有路基的影響逐漸增大，列出基坑開挖工況下的沉管壓力場分布如圖6、圖7所示。

圖6 沉管表面垂直線路向壓應力

圖7 沉管表面沿線路方 方向壓應力

沉管護壁采用C30混凝土預制，C30混凝土軸心抗壓強度設計值fc=14.3MPa，軸心抗拉強度設計值ft=1.43MPa。根據預制沉管護壁的受力分析結果，永久荷載分項系數取1.35，沉管護壁外表面法向最大壓應力產生在3.5m～4.0m范圍，1.35×840kPa＜ft；沉管護壁外表面法向最大拉應力產生在3.5m～4.0m范圍，1.35×491kPa＜fc。由計算可知，混凝土沉管護壁強度滿足要求，安全系數較高。

5 社會效益分析

隨著高速鐵路建設腳步日益加快，人工挖孔樁施工工藝也將發展出不同形式的護壁結構形式，進而適應不同的施工環境，此次闡述的兩種護壁結構形式在未來高速鐵路站場改造中將得到更廣泛應用，能夠適應現如今對既有線施工的高標準、嚴要求的境況，為更高效、安全、經濟施工創造條件，從成本角度分析，永久鋼護壁雖然在一定程度上增加了成本，但其產生的護壁效果好于傳統護壁形式，更為安全，混凝土沉管護壁在一定程度上節約了施工時間，并大大降低了施工所需的材料和人力成本，是一種更為適用于既有高鐵路基上方天窗點挖樁成孔的施工方法，推廣意義很大。

6 結語

該施工方法對以后類似工程設計和施工具有重要的指導意義，具有廣泛的推廣和應用前景。目前我國有軌交通、橋梁工程正在飛速發展，站場改造要求標準不斷提升，追求更高效、合理的施工方法尤為重要，而永久鋼護壁人工挖孔樁相對于傳統混凝土護壁具有護壁強度大、安全性高、工藝簡單等優點，在營業線增建二線工程方面具有明顯優勢；混凝土沉管護壁相對于傳統混凝土護壁具有節約施工時間、施工周期短、成本低等優點，人工挖孔樁作為現代化高速鐵路站場改造施工將會大面積推廣和采用。