淺析人工挖孔樁與D 型便梁在下穿運營高鐵線施工中的應用

張志勇

（中國鐵路南昌局集團有限公司，江西 南昌 330002）

1 概述

自引進高鐵技術以來，我國高鐵建設規模、運營里程、行車速度、旅客流量均位列世界第一，高鐵的發展在滿足人民日常出行需求的同時，也在促進地方經濟發展以及保障軍事后勤方面起到了極其重要的促進作用。而我國部分高鐵站在建設初期受資金、技術方面的影響未能考慮到高鐵建設規模如此大，當前車站及線路規模已不滿足人民需求，需在后期進行擴建。因此各類涉鐵工程便應運而生，包括但不限于下穿隧道、管涵、架空橋梁等。以莆田火車站為例，該工程主要為下穿運營高鐵線施工，為保障下穿施工不對運營線路造成擾動，確保行車安全，采用人工挖孔樁作為基礎架設D 型便梁將股道架空的方式提前對線路進行加固。本文重點對高鐵線內人工挖孔樁與D 型便梁施工原理及工藝進行介紹，為后續同類型施工提供應用實例。

2 工程概況

2.1 總體概述

莆田站按照國家一級站場標準設計，采用有砟軌道，設計旅客列車最高運行速度250km/h。圖定列車142對，其中客運92 對，每日上車旅客約1200 人；貨運13對，莆田站I～6 股道均采用無縫60 軌。東側地下通道下穿莆田火車站運營杭深線，對I-6 股道采用人工挖孔樁+D 型便梁保護。D 型便梁最外側一排支墩基礎為擴大基礎，中間3 排的支墩為人工挖孔樁，挖孔樁樁徑為1.25m/1.5m，深度為15 米。下穿工程為矩形頂管隧道下穿，斷面為12.6m×7.65m，覆土深度為2.3～2.9m。

2.2 地質情況

莆田站東側通道下穿高鐵線路段地質由上至下依次為：（0）2 素填土、（2）4 粉質粘土硬塑、（11）1 全風化花崗巖、（11）2 強風化花崗巖、（11）3 中風化花崗巖，人工挖孔樁類型為端承樁。

圖1 東側通道下穿運營線左線地質剖面示意圖

圖2 東側通道下穿運營線右線地質剖面示意圖

3 加固原理簡介

D 型便梁是一種有縱梁、橫梁、牛腿等組成的鋼結構便梁，縱梁架設在股道兩邊，平行線路方向，橫梁垂直于股道并依托在縱梁側壁，采用高強度螺栓與縱梁連接，將股道架空。其具有在不中斷行車的情況下，利用它進行橋涵的開挖和施工，并且具有運輸和拆裝方便的特點，被廣泛應用于下穿鐵路線施工過程中的鐵路保護。D型便梁的結構如圖3 所示，現場D 型便梁架設情況如圖4 所示。

圖3 D 型結構示意圖

圖4 D 型便梁現場架設圖

而D 型便梁需要架設于樁體之上，采用挖孔樁作為基礎，樁頭施作擴大基礎作為D 型便梁架設的承臺，依靠D 型便梁將股道架空，傳力路徑為運營高鐵列車→股道→D 型便梁→樁頭承臺→挖孔樁→地基，列車的振動荷載便由D 型便梁傳遞至挖孔樁周圍的土體。在高鐵線路、城市密集建筑等復雜敏感環境條件，機械開挖容易引起周圍敏感結構的破壞，如在高鐵站區內采用機械進行挖孔作業進行挖孔作業時容易破壞接觸線網，因此需要采用人工挖孔樁進行施工。同時人工開挖工效較低，一般適用于軟土地層，硬巖地層需輔助磨巖設備進行施工。

4 施工方案

4.1 人工挖孔樁施工方案

4.1.1 放線定樁位

依據建筑物測量控制網的資料和基礎平面布置圖，測定樁位軸線方格控制網和高程基準點。根據樁中心位置、樁體半徑、護壁厚度進行撒灰定位。在位置確定之后，工程勘察部門還需對撒灰位置進行進一步復核，確定樁心位置準確無誤。

4.1.2 樁位處道砟清理

樁位處道碴采用專用道碴耙進行清理，清理的道碴堆放在不影響鐵路行車位置，必要時可暫時清理出股道范圍。

4.1.3 人工挖孔樁施工

人工挖孔樁土方開挖過程應自上而下逐層進行，如果人工挖孔樁施工過程中地層以土層為主，則先采用風稿開挖中間部分的土體，人然后逐漸擴及周邊。挖孔樁每開挖1m 深度形成一個節段，灌注混凝土護壁，護壁采用C30 混凝土，可根據現場情況適當加入早強劑，當開挖面自立性較差或存在塌孔風險時，可縮短開挖進尺，及早進行護壁施工。護壁達到1.2mpa 強度或12 小時后再開挖下一節段，如此循環直至樁底。

圖5 護壁開挖示意圖

圖6 人工挖孔樁施工實物圖

井內采用人工裝碴，使用卷揚機及吊桶做提升設備，井上設專人指揮，將吊桶直接提升到井口，挖孔樁土方通過施工便道利用斗車轉運出運營鐵路線內。

挖孔過程中應對周邊線路相關構筑物進行變形監測以保證挖孔過程中影響鐵路的運行安全。

圖7 人工挖孔樁作業示意圖

挖孔樁頂部設置鎖口井圈，鎖口井圈高出地面30-50cm，以防止道砟流失。在未進行施工時，用鐵絲網對鎖口井圈進行覆蓋。當基礎施工，遇到站場排水溝時，根據現場條件，進行調整位置規避；當無法規避時，破水溝，在基礎內預埋PVC 管澆筑，保證排水的暢通。

4.1.4 巖石處理

地表以下可能存在回填孤石，對于地表孤石及巖層采用風鎬配合水磨鉆進行施工。

（1）利用混凝土對坑底進行找平。（2）鉆取四周巖石：取芯時應沿著孔壁均勻布置取芯采樣點，根據破巖工具的尺寸，取芯的半徑可取75mm，在取芯過程中要時刻注意取芯圓與鎖口之間的關系（相切），取芯過程中兩取芯體之間的距離可取130mm，取芯的高度應根據現場的實際情況而定，一般可取400-800mm。在依次取完挖孔樁外周區域的巖體之后，在人工挖孔樁之內便形成了一個圓形臨空面。（3）鉆取中間巖石：在周圍人工挖孔樁施工結束之后，采用風稿開始施工樁體核心部分的巖體，為方便樁體中間部分巖體的破裂，在破除中間部分的巖體時，應將樁芯本部分巖體進行三等份，以便于巖體內部裂隙的擴展。（4）風鎬打孔：在樁芯巖體上用風稿進行鉆眼，通過鉆眼進一步將巖石細化，將巖石分成多個細塊。（5）人工碎石：通過上述措施后，樁體內部硬巖已經產生了較多臨空面以及裂隙，但巖石內部仍有連接部分，需要采用大錘、鋼楔、等工具再一次碎石。（6）人工出渣：人工挖孔樁施工過程每一循環都將產生一定的碎石渣土，在一循環完成之后應將渣土及時拋出，采用人工將渣土裝入吊桶，后用卷揚機進行運離樁內。（7）樁體修正：在較硬的巖體中由于水磨鉆取芯后孔壁呈現不規則形狀，為了保證最后成樁之后樁徑一致，要采用工具對樁基的形狀進行修正，破壞侵占樁基空間的巖石鋸齒。

4.1.5 施工護壁

（1）為防止樁孔壁塌方，確保安全施工，成孔應設置護壁，其采用現澆C30 混凝土。護臂澆筑過程中應采取從上至下、分節澆筑的施工方法，每一個護臂的厚度采取上大下小的形式進行施工，上下節護臂進行相互搭接，護臂模板施工時采取拆上、支下的方式進行。子護臂施工過程中應于當時聯系施工，直至施工結束，護臂混凝土在澆筑過程中要保證其密實度，同時結合施工過程中土層出現的滲水情況，使用早強劑，以確保護臂的可靠性。（2）井圈護壁中心線與設計軸線的偏差不得大于20mm。（3）挖土深度超過10m 時應及時向樁內送風。

4.1.6 鋼筋籠的加工及下放

（1）鋼筋籠加工。鋼筋籠加工采用在柵欄外鋼筋加工場分節加工成型，樁長為15m，每根樁鋼筋籠分為7節，鋼筋籠分節長度為2.3m，為保證下放鋼筋籠時絲扣對接順利，加工時，在鋼筋籠上做醒目標識，標識出鋼筋籠下放順序及鋼筋對位位置。鋼筋絲扣加工時，鋼筋籠上端絲扣加工長度約為35mm，下端絲扣加工70mm，將套筒全部旋進下端絲扣中，在下端預留3～5 圈箍筋，利用扎絲綁扎在主筋上，待下放鋼筋籠，主筋連接完成后進行綁扎。（2）鋼筋籠運輸。鋼筋籠在場地外加工完成后，運送至作業門處，在天窗點時采用人工通過作業通道搬運，孔口至作業門處采用方木及模板搭設材料及運土通道，鋼筋籠搬運至孔口后利用孔口吊裝設備垂直下放。（3）鋼筋籠下放。鋼筋籠吊裝采用1.2*1.5*3m（高）、1.5*1.5*3m（高），上部用5t 手拉葫蘆進行吊裝，底部用工16 長1.8m 進行支撐。鋼筋籠依照鋼筋籠加工時標識的順序依次下放，第一節下放至井口時，利用2 根φ50 鋼管將鋼筋籠架空在井口位置，再吊下一節鋼筋籠至井口與上一節鋼筋籠對齊，將套筒向下擰入，使上下節鋼筋籠連接成一個整體，當部分套筒無法擰入時，可采用焊接方式進行連接，焊接時，需增加一根鋼筋進行焊接，采用單面焊，焊接長度不小于10d。主筋連接完成后，再進行箍筋的綁扎，箍筋綁扎完成后，抽出架空用的鋼管，利用葫蘆下放鋼筋籠，如此循環，直至全部鋼筋籠下放完成。下放時，需確保與上部接觸網設備保持大于2m 以上安全距離。

4.1.7 澆筑混凝土

（1）樁身材料，嚴格按設計混凝土標號控制好配合比，混凝土原材料要符合技術規范要求。樁身采用C30混凝土。鋼筋直徑、間距、接頭等均要符合《鐵路橋涵施工規范》的要求。（2）線間挖孔樁澆筑混凝土利用天窗點采用地泵輸送，提前平整施工汽車便道，使商砼車能到達柵欄外指定位置為宜。柵欄外地泵管在天窗點前組裝完成，柵欄內地泵管道設置根據現場情況可采用以下兩種形式：一是將地泵管道埋至軌枕下40cm 并引接至孔口處。同時在敷設管道經過鋼軌的位置，用絕緣橡膠進行隔離，防止鋼軌觸紅。二是地泵管道直接沿運輸通道進行布置，運輸通道上部放入三角架進行固定。封底及樁身混凝土用常規方法澆灌，須使用導管或串筒，出料口離混凝土面距離不得大于2m，且應連續澆灌，混凝土坍落度一般為18cm～22cm。（3）在人工挖孔樁出土及澆筑影響區域范圍內，在鋼軌及道砟上鋪設防水帆布進行隔離，每日安排人員對帆布表面進行清洗。防止泥土及混凝土污染鋼軌及道砟。（4）挖至設計標高、鋼筋綁扎完成，經監理工程師驗收合格后，應立即澆筑樁身混凝土。（5）人工挖孔樁開挖完成后需進行終孔驗收。（6）單樁完整性檢測：采用低應變動測法檢測,抽檢樁數應為總樁數的10%～20%，且不少于10 根。（7）人工挖孔樁施工完成后，須按設計要求對人工挖孔樁進行樁基質量進行檢測，檢測不合格不得進行下道工序。

4.2 D 型便梁架設施工方案

當人工挖孔樁施工完成后，待強度達到設計要求，開始進行D 便梁的架設工作。

D 便梁的架設的總體施工工序為：

施工準備→清理道砟→調整軌枕間距→抽出多余軌枕→整修軌道幾何尺寸→軌道車運送鋼橫梁及配件→插入鋼橫梁→調整鋼橫梁間距安裝扣件→縱梁運送就位→橫梁與縱梁的連接及安裝。

4.2.1 方正既有規整

對股道內道碴逐段進行扒除，松開原有軌道扣件，按照670mm 左右間距調整好原有混凝土軌枕間距，并將多余的軌枕抽出。

4.2.2 橫梁就位

利用人工方式，在調整好的軌枕間距的混凝土軌枕內穿入橫梁，橫梁基本就位后，根據便梁基礎位置，準確定位兩端橫梁，并墊好絕緣橡膠墊，上好鋼軌扣件，扣件采用新型絕緣扣件。根據兩端精準定位橫梁，利用拉線調整中間橫梁位置。

4.2.3 縱梁就位

將縱梁位置道碴清除，在夜間天窗點時，采用路用車將縱梁運送至安裝位置，并吊裝到位，連接兩端橫梁與縱梁，并在縱梁支墩位置進行初步支墊，固定縱梁，確保縱梁穩固。

4.2.4 縱橫梁連接

根據軌道高程，利用千斤頂將縱梁抬起，調整下部支墊，確保縱梁支墩位置高程準確，后逐根調整橫梁位置，安裝連接板及牛腿，固定橫梁，待縱梁與橫梁連接完畢后再固定鋼軌扣件。

4.2.5 軌道調整

D 型便梁安裝完成后，在后續的使用過程中，對D型便梁及線路需進行檢查、養護工作，當發現軌道需進行調整時，將需調整位置周圍軌道扣件松動，利用如圖所示裝置，用中部抓軌器將軌道扣住，兩側用千斤頂將橫梁頂起，逐步增加千斤頂壓力，調整軌道高度，直至滿足要求，調整周圍軌道墊塊并安裝扣件，松動千斤頂，松開抓軌器。

圖8 軌道調整

4.3 線路沉降監測

上述施工全部完成后，即可進行下穿施工需對線路進行全天候監測，記錄軌道沉降情況，判斷軌道是否滿足列車運行的需求。

5 加固效果實測

莆田站涉鐵項目部于2020 年12 月23 日開始莆田站西側軌道內人工挖孔樁的施工。在施工過程中施工單位嚴格按照設計方案，由土層向巖層進行施工。2021 年12 月17 日西側的人工挖孔樁完成土方及巖石開挖工程，并于12 月18 日開始澆筑混凝土，人工挖孔樁工程于當日結束，在預定時間內圓滿的完成了施工任務。同時人工挖孔樁施工結束后便開始利用天窗點架設便梁，便梁架設之后列車振動荷載便傳遞至人工挖孔樁之上。便梁投入使用后對東側第9 軌道的沉降情況展開了實測，如下所示，從圖中可以看出軌道結構的沉降最大為-0.252mm 左右，低于預警值1.6mm，說明在列車振動荷載影響下軌道的沉降情況依然在合理范圍內，在后續頂管下穿高鐵站時，列車的振動及自重荷載依舊由便梁傳遞至人工挖孔樁之上，下穿時軌道結構發生的變化不大，因此說明人工挖孔樁及D 型便梁的施工方案是安全可行的，采用基于人工挖孔樁的D 型便梁加固技術能夠有效的確保近接高鐵工程施工期間的安全性。（圖9、10）

圖9 D 型便梁架設完成圖

圖10 軌道結構沉降情況圖

6 結論

6.1 以莆田火車站南北廣場東西兩側地下通道涉鐵工程為例，總結出了基于人工挖孔樁的D 型便梁加固原理及工藝流程。

6.2 便梁投入使用后對東側第9 軌道的沉降情況展開了實測，經測量可知軌道結構的沉降最大為-0.252mm左右，低于預警值1.6mm，說說明人工挖孔樁及D 型便梁的施工方案是安全可行的，采用基于人工挖孔樁的D型便梁加固技術能夠有效的確保近接高鐵工程施工期間的安全性。