高速鐵路橋梁跨越既有鐵路的施工技術(shù)

張守信

摘要：以某實際高速鐵路橋梁跨越既有鐵路工程為依托，針對現(xiàn)場工程概況與地質(zhì)條件，提出橋梁跨越既有鐵路施工技術(shù)。通過框架橋預制、掘進參數(shù)控制及跨越試驗段的確定等施工前準備，根據(jù)施工工藝流程完成橋梁跨越鐵路施工。對施工過程進行監(jiān)測與分析表明，跨越段地表沉降量符合設(shè)計要求，可為類似工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：跨越；橋梁；既有鐵路；施工技術(shù)

0? ?引言

高速鐵路橋梁跨越既有鐵路工程具有跨度大、距離長、周圍干擾因素多、施工環(huán)境復雜等特點，給施工過程帶來了極大的挑戰(zhàn)，提高了工程的風險程度，為此施工方案的合理選擇尤為關(guān)鍵。

當前，應用較為廣泛的橋梁跨越既有鐵路施工技術(shù)，為箱橋頂進與鐵路下穿施工工藝[1]。箱橋頂進施工方法主要通過數(shù)值計算與模型分析，借助輔助加固措施進行反力墻與管幕施作，完成施工過程。但該施工方法對既有鐵路的穩(wěn)定性影響較大，其安全性及使用性能還有待提高。

目前，鐵路下穿施工工藝主要是在管幕雙層支護條件下，采用臺階式開挖施工方式。經(jīng)實際工程應用表明，采用該工藝地表沉降量較大，不符合相應施工監(jiān)測的控制標準。鑒于以上問題，本文結(jié)合實際工程案例，設(shè)計一種新穎的橋梁跨越既有鐵路施工技術(shù)，并基于施工效果展開可行性研究。

1? ?工程概況

某高速鐵路是一條新的客運專線，根據(jù)ZK活載設(shè)計，時速250km。其中橋梁跨越工程是整個過程中的核心性工程。主橋結(jié)構(gòu)為反力墻混凝土橫架拱橋，分別跨越兩條主要道路、一個水電站及1條其他公路，長574m。河道寬約300m，為規(guī)劃的V（2）級水道。

該橋梁的初期設(shè)計跨度總長為264m，包含一條城市道路，寬約25m，凈高超過20m[2]。城市道路橫穿3條鐵軌及水電站，主跨為123m，側(cè)跨70m，位于鐵路出入口咽喉處。該鐵路每天開行70對列車，交通密度約為5.8輛/h。

梁體為單箱雙室截面，頂寬1650cm，底寬1370cm。根梁高8.5m，中跨梁高3.8m，梁底為二次拋物線。設(shè)計基于三向預應力，采用C55混凝土。涵洞跨度10m、18m、10m，道路中心線與鐵路上行方向的夾角約為75.36°。框架橋橋頂與鐵路下行方向的尾端距離為2.3m，框架橋立板與跨越鐵路之間的水平距離為15.63m。

框架橋總質(zhì)量5869t，平均厚度為10.6m，平均頂升力為1250.3t，頂升長度可達到62m[3]。主橋梁的最大升跨比為1/3，斷面主要采用Φ1000mm×16mm的可變高度架式斷面。幅橋梁最大升跨比為1/6，斷面采用Φ1000mm×16mm的混凝土拱形斷面。鋼管拱的鋼材材質(zhì)為Q345qD，拱肋、拱助內(nèi)采用C40混凝土注漿。單根拱肋包含10組立板，相鄰兩塊立板間的距離為6.1m。主橋主要由實體墩石與Φ2.5m樁基組成，平均樁徑為6.2m。部分鋼筋混凝土樁基參數(shù)如表1所示。

該鐵路位于曲線半徑為410m、430m的高速鐵路區(qū)間，首次穿過3條鐵軌和交叉道岔，包括4個信號燈、2個道岔機、4個接觸網(wǎng)支柱和其他相關(guān)設(shè)備和設(shè)施。第二次，它穿過2條鐵軌、一座鐵路橋和7根接觸網(wǎng)支柱。左線隧道頂部與鐵路軌底之間的垂直間隙約為25.7m（與第2個地下通道間隙為27.6m），右線隧道頂部和鐵路軌底的垂直間隙為25.0m（與第2個地下通道間距為28.4m）。

2? ?施工準備

2.1? ?框架橋預制

2.1.1? ?確定基坑開挖地點

首先需要確定工程的基坑開挖地點。在不破壞既有鐵路條件下，在保護區(qū)外的指定范圍內(nèi)開挖基坑。參照擬建場地的土質(zhì)條件、工程設(shè)計要求等適時更換樁基礎(chǔ)，之后根據(jù)設(shè)計圖紙制作框架橋。

2.1.2? ?布設(shè)掛網(wǎng)

工作坑高邊坡周圍每隔2m布置一片掛網(wǎng)，便于噴射混凝土。在掛網(wǎng)表面均勻涂抹1.5cm厚的工程用砂漿，作為周圍掛網(wǎng)與邊坡間的隔離層，同時保證隔離層與鐵路側(cè)的距離不小于3.5m。

2.1.3? ?配置混凝土漿液

之后利用鋼筋混凝土制作框架橋。按照1：3的水與水泥比例配置混凝土漿液，框架橋的結(jié)構(gòu)為剛性框架連接結(jié)構(gòu)，然后進行混凝土底板施工[4]。

2.1.4? ?混凝土底板施工

在反力墻與框架橋頂板之間的縫隙處放置混凝土底板，與反力墻和頂板間距均為2m，同時利用腳手架固定墻體與底板。基于腳手架與鋼木復合模板分兩次將混凝土澆筑成型，模板采用十字鋼釘進行加固。

框架橋的鋼筋骨架屬于大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，體系為固定板支撐，為此對框架橋骨架進行混凝土澆筑前，要嚴格控制漿液配比以及混凝土成型過程中的坍落度及振石的振動頻率。

2.1.5? ?養(yǎng)護

澆筑結(jié)束后要隨混凝土進行合理養(yǎng)護，根據(jù)實際施工條件，設(shè)定養(yǎng)護溫度與養(yǎng)護條件。框架橋制作完成后，使用聚合防水膠由框架橋頂板向底板方向反復涂抹，以起到二次保護作用。

2.2? ?掘進控制

2.2.1? ?確定掘進方案

根據(jù)施工要求可知，跨越橋梁在鐵路段的最大埋深為32.6m。該區(qū)域的地質(zhì)主要為強風化灰?guī)r，其中摻雜少量圓礫。經(jīng)過掘進方案比選，確定采用輔助推進模式，以保證將掘進載荷控制在最低。需要注意的是，在掘進之前，要仔細檢查掘進機械的保護刀具的磨損情況[5]。

2.2.2? ?擬定掘進參數(shù)

以其他類似工程為借鑒，對本工程的鐵路試驗段的掘進參數(shù)進行評估，并對比分析地質(zhì)條件，擬定了跨鐵橋梁的隧道掘進參數(shù)，如表2所示。

2.2.3? ?掘進控制要點

掘進方式主要為“輔助掘進”，頂部開挖方式為高塑性推進，保證工程的穩(wěn)定性。當掘進機積渣筒倉的高度超過筒倉容量的2/3時，對其進行清理。在推進框架橋頂板表面的巖層時，渣土的清理標準為筒倉中的渣土超過總?cè)萘康?/2，每次掘進深度不應小于5.5m。

為滿足螺旋鉆機的鉆孔需求，提前預防巖性突變帶來的施工風險，在開挖過程中，要保持渣土表面在一個高度，以避免對工作面施加負壓導致坍塌。

2.3? ?裝置配備與跨越試驗段確定

2.3.1? ?裝置配備

基于現(xiàn)場實際施工條件與地質(zhì)現(xiàn)狀，參照以往橋梁鐵路施工經(jīng)驗，決定采用2臺Herrick土壓平衡鉆機在鐵路沿線分距離鉆進，并配備高速率空氣防噴儀[6]。

鉆機內(nèi)置漿液添加裝置與泡沫產(chǎn)生裝置，邊鉆進邊改良土渣性質(zhì)，增大其流塑性以及彈性，從而減小鉆機土倉的表面壓力。由于高速率空氣旋噴儀器能夠通過調(diào)節(jié)旋噴速率來控制挖土量，因此開挖表面的平整度較高，不會破壞原有土質(zhì)結(jié)構(gòu)，對既有鐵路的安全產(chǎn)生影響。

2.3.2? ?跨越試驗段確定

根據(jù)鐵路上行線方向、線路正上方的施工條件以及鉆進試驗結(jié)果，選定跨越前100條環(huán)線作為橋梁跨越的鐵路試驗段。在橋梁跨越鐵路掘進參數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗段勘察結(jié)果進一步優(yōu)化參數(shù)取值，保證既有鐵路的安全運行。

3? ?施工工藝流程

3.1? ?過渡架空

3.1.1? ?架空方式

架空線路采用4根組合式橫向提升梁，包括7跨16m的I100型鋼縱梁、4.95m的I20型鋼枕、16m的I56C型鋼橫梁、20m的I56C型鋼橫梁。人工挖孔樁與橫向提升梁的間距為7.3m，將Φ1.25m樁基作為人工支撐樁的基礎(chǔ)，采用先簡支后連續(xù)的方式進行架空。

架空總長為234.8m，其中架空梁正下方的軌面高程為5.6m，高于其他軌面大約2.3m。架空梁的底部支撐樁為13.2m、Φ1.25m的人工制作孔樁，其他軌道的支撐樁為11.5m、Φ1.25m機械挖孔樁[7]。

3.1.2? ?架空樁布置

為滿足鐵路兩側(cè)的降水要求，在橋梁周邊布置一層架空樁，兩者之間的斷面位置示意圖如圖1所示。其中A樁為過渡架空樁，B樁為下部傘形樁。

地下水的水位高度為9.6m，屬于低水位，且土質(zhì)條件較為惡劣，為防止不良地質(zhì)對后續(xù)施工的影響，現(xiàn)場先使用3根L=23m、Φ1.25m挖孔樁進行預試驗，當?shù)叵滤耐寥罓顟B(tài)為可塑性時，表明此時地下水處于水流追蹤狀態(tài)，此時可進行人工挖孔施工。

由于架空線路的跨度大，所需地基支撐樁的數(shù)量較多，進而增大降水面積與深度，因此為保證既有鐵路的正常運營，綜合考慮地下水的水位條件，最終決定采用15m的支護樁，置于除上行線以外的其他軌道下方。

3.2? ?自密實混凝土澆筑

3.2.1? ?安裝封邊模板

橋梁的過渡架空施工結(jié)束后，立即在架空底板上安裝封邊模板（125mm的硬鋼材質(zhì)），并在其內(nèi)側(cè)覆蓋一層2.5mm厚的不透水薄膜。

在模板的四個角位置，利用鉆機鉆出孔徑為1.2mm的圓孔，作為模板的通風口，以避免自密實混凝土在模板轉(zhuǎn)角位置出現(xiàn)泡沫聚集現(xiàn)象。同時將模板的兩根排氣管置于高程為5.6m的軌面上。觀察軌道架空梁立板之間的距離，若距離較近，則需要把通風口錯開。

3.2.2? ?布置壓緊裝置

為防止在澆筑混凝土過程中，軌道板由于浮力作用超出上限標準，在澆筑前，應該在軌道板底部布置壓緊裝置，并利用鋼絲將兩者進行固定[8]。壓緊裝置的橫梁為鋼槽深度為2.4～3.5m的凹形。

增加鋼絲直徑使其與鋼槽厚度一致，并在鋼槽內(nèi)側(cè)設(shè)置防水與防滑裝置。P5600型的軌道板的防水裝置與防滑裝置的總數(shù)量不得少于4個，其他輔助裝置數(shù)量應該根據(jù)混凝土澆筑效果進行適當增加與減少。

3.2.3? ?混凝土澆筑速度控制

前文對試驗段的預試驗結(jié)果表明，若混凝土澆筑速度過快，則會導致軌道板發(fā)生橫向位移，最大位移可達4.3mm。鑒于此，需要嚴格控制混凝土的澆筑速度。通常情況下，澆筑過程要在7～10min之內(nèi)完成，軌道板的支撐架應該在混凝土初凝之后再拆除，以保證混凝土終凝后不會產(chǎn)生間隙。

3.2.4? ?澆筑操作要點

根據(jù)軌道模板與現(xiàn)澆支架的安裝進度，在軌道兩側(cè)，同時進行混凝土澆筑操作。混凝土漿液通過運輸小車將混凝土運送至施工現(xiàn)場，然后將混凝土放入混凝土輸送泵中，利用混凝土輸送泵泵送混凝土至橋梁處。

3.3? ?連續(xù)梁施工

連續(xù)梁全長196m，采用支架現(xiàn)澆。分A，B，C三個節(jié)段，如圖2所示。現(xiàn)澆梁的A、B、C段長度分別為65.3m、56.3m、75.9m。

根據(jù)設(shè)計要求，先對A段進行連續(xù)梁施工，當A段混凝土的終凝強度達到施工要求的80%以上時，停止?jié)仓⒘⒓床鸪摱蝺?nèi)部的應力筋。之后利用相同方法對B、C段進行連續(xù)梁施工。為保證現(xiàn)澆梁施工時間不超過混凝土澆筑時間，采取A、C段的后澆帶同時施工的方式，并對施工段的預應力筋進行整體張拉。

3.4? ?注漿

3.4.1? ?確定漿液配比

該工程的灌漿施工過程分為同步注漿與二次注漿兩部分。經(jīng)過預前試驗，選取具有良好和易性、一定抗壓強度的水、水泥與復合摻料作為漿液的主原料。同步灌漿與二次灌漿液的配比情況見表3。

3.4.2? ?合理控制注漿壓力和注漿量

同步灌漿壓力應控制在0.16～0.18MPa，同步注漿量控制在3.4～5.2m3范圍內(nèi)。為防止混凝土泵中的漿液出現(xiàn)提前凝固現(xiàn)象，在每個灌漿周期結(jié)束后，需注入自來水清洗灌漿管道。

二次注漿應在同步注漿終凝2d后進行，注漿時長為同步注漿過程的2倍。二次注漿的目的是補充孔隙，以提高掘進圍巖的穩(wěn)定性，有效阻止地基沉降。每圈進行二次注漿時，盾構(gòu)尾部需要拆除10圈管片。

要求二次注漿量為0.3m3，注漿壓力為0.3MPa。在二次注漿過程中，當滿足壓力或注漿量兩個條件之一時，應立即停止注漿，以防止壓力過大而引起隆起。

4? ?施工效果分析

整個鐵路施工工程歷時7個月，為驗證文中設(shè)計的鐵路施工效果，對橋梁跨越段沉降情況進行觀測。線路架空階段，在架空段路段各設(shè)置一個沉降監(jiān)測點，在施工期間每天時隔3h監(jiān)測一次，并每2h派專人對施工段及前后50m線路進行檢查。

該工程項目的控制指標，為最大沉降量不超過10mm。對跨越段進行監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)制成沉降曲線。沉降監(jiān)測曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，在監(jiān)測期內(nèi)，試驗地段的累積沉降值在3d后逐漸平穩(wěn)，其中最大沉降值為5.1mm，未超過允許值，滿足10mm的工程控制指標。實踐證明，橋梁跨越既有鐵路的施工過程順利，施工技術(shù)合理，能夠保證高速鐵路運營安全。

5? ?結(jié)束語

高速鐵路橋梁跨越既有鐵路工程具有跨度大、距離長、周圍干擾因素多、施工環(huán)境復雜等特點，給施工過程帶來了極大的挑戰(zhàn)，提高了工程的風險程度，為此施工方案的合理選擇尤為關(guān)鍵。

本文以實際建設(shè)工程項目為研究背景，對高速鐵路橋梁跨越既有鐵路施工技術(shù)進行設(shè)計與研究。結(jié)合工程特點制定合理的施工方案，通過施工監(jiān)測與效果評價得出，文中所提施工技術(shù)具有可行性，可為類似建設(shè)條件下的橋梁施工工程提供借鑒作用。

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