下穿铁路框构桥顶进工程中有关线路加固问题的探讨

□文/郑 伟 司军平

下穿铁路框构桥顶进工程中有关线路加固问题的探讨

□文/郑 伟 司军平

文中通过天津军粮城三号路下穿铁路地道桥顶进工程的实践，针对既有铁路线路加固、开挖掌子面土体加固、影响加固效果的重点影响因素等方面进行详细探讨。

框构桥顶进；掌子面加固；下穿铁路；

随着天津城市基础设施建设的逐渐完善，沟通既有铁路两侧道路交通，带动区域经济发展的需求与日俱增，市政地道与既有铁路线路的立交工程频繁出现，采用框构桥顶进工艺因其拆迁占地少、适宜周边城市景观风格等优点被广泛应用。随着重载、高速铁路的快速建设和发展，框构桥顶进过程中保障既有线路安全运营的线路加固问题变得至关重要。

工程概况

工程简介

军粮城三号路位于天津市东丽区，比邻滨海新区，为规划军粮城示范镇道路，跨越海河，是海河中游地区南北向交通的主要干道，该道路由南向北依次穿越既有津山铁路、在建津秦客专、在建京津城际延长线等多条铁路干线，需与在建高铁线路同期完成，以实现对高速铁路修建影响最小并实现与市政道路立交的效果。

军粮城三号路规划为城市主干路，正常路段红线宽40 m，规划横断面为5 m（人行与非机动车道）＋1.5 m（绿化带）＋12 m（车行道）＋3 m（中央分隔带）＋12 m（车行道＋1.5 m（绿化带）＋5 m（人行与非机动车道）。见图1。

现状铁路两侧地势平坦，基本为城镇村落用地、厂矿用地、农耕地及部分鱼塘沟渠，无现状交通。

水文地质

项目地处华北平原东北部，海河流域下游，地势平坦低洼，地下水位较高。该区域土质主要系海水与河流冲积而成，历史上经黄河淤积成陆地，地势平坦而低洼，土质盐碱。从起点至终点其松散土类的压缩性由中压缩性、中－高压缩性向高压缩性过渡。地层按时代、成因和工程地质性质综合分析，可划分如下。

（1）人工填土层。该层在工程沿线普遍分布，主要为杂填土、素填土，由于受到地形及人工活动影响厚度差别较大，大致厚度在0.40～6.7 m不等。

a杂填土。杂色，粘性土夹灰渣、砖块等,厚1.50～3.20 m。

b素填土。黄褐色～灰褐色，软～松散状态，亚粘土与粘土为主，结构乱，部分地段少夹灰渣等。

（2）新近沉积土层。亚粘土。黄褐色，饱和，可塑偏软，土质均匀，局部地段少量锈染。该层厚度约为0.50～3.60 m，底板标高为 -1.71～1.64 m。

（3）第Ⅰ海相沉积土层。该层以软土、亚粘土为主，局部少夹亚砂土，该层在沿线分布厚度较大，约为14.0～19.0 m，根据土质情况大致可分为两个亚层。

a软土。灰色，饱和，软～流塑状态，砂粘交互，含少量贝壳。该层以淤泥质土为主，局部夹淤泥及亚粘土层，属高压缩性土。该层在水平方向上厚度变化较大，约为2.0～12.70 m，底板标高为-4.03～-13.76 m。

b亚粘土。灰色，饱和，软塑状态，土质均匀，含云母、贝壳，局部少含有机质。该层厚度约为1.0～15.50 m，底板标高为 -10.88～-17.10 m。

（4）第Ⅱ陆相层亚粘土呈浅灰色～灰黄色，饱和，可塑偏软，土质均匀，少锈染。该层厚度约为3.10～12.0 m，底板标高为 -17.75～-22.88 m。

（5）第Ⅲ陆相冲积土层

a亚粘土。黄褐色，饱和，可塑状态，土质均匀，具锈染。该层厚度约为3.90～7.80 m。

b粉砂。黄褐色，饱和，密实状态，土质均匀，具绣染。

设计加固方案及实施效果

线路加固方案

采用“纵挑横抬”的纵横梁加固体系。

（1）吊轨。采用3-5-3制，钢轨接头需错开1.0 m以上，伸出框构边墙以外的长度满足要求，吊轨与枕木用φ20 mmU型螺栓连接，钢轨采用50 kg/m标准轨。

（2）横梁。采用45b工字钢，铺设间距0.90 m，接头错开1.5 m，横梁伸出铁路右线中心线以外9 m。

（3）纵梁。采用45b工字钢，3根一组，接头错开1.5 m以上，纵梁与横梁用φ20 mmU型螺栓连接，纵梁两端支撑于枕木垛上。

（4）支撑桩。为增大纵梁的刚度，顶进前端沿铁路方向设置支撑桩，支撑桩采用直径1.0 m钻孔桩，桩间距4.0 m，桩长8.0 m。桩中心距离线路中心4.5 m。

（5）抗移桩。为避免顶进过程中铁路轨道变形，防止顶进挖土造成顶进前端土体坍塌，顶进前端铁路左线中心线外11.9 m处平行于铁路需设置抗移桩，采用直径1.0 m直径的钻孔桩，桩间距4.0 m，桩长16.0 m。

（6）路基防护桩。为避免顶进作业及工作坑开挖对既有线运营安全造成隐患，在框构拟就位的四角设置路基防护桩，防护桩采用直径1.0 m钻孔桩，与铁路成20°夹角布置。顺框构顶进方向的防护桩采用直径1.2 m钻孔桩，桩长16.0 m。

土体加固方案

（1）框构边墙两侧5 m范围。为了防止顶进过程中开挖面两侧土体坍塌，顶进作业前需对框构顶进及就位区间边墙两侧各5 m范围以内的土体进行加固，采用双液注浆的方式，斜向钻孔至铁路线路下方插入花管，进行辐射注浆，梅花形布孔，间距1.0 m。固化深度为铁路路肩以下3.0 m至框构底板底下9.0 m。

（2）开挖掌子面（顶进正前方）

a水泥搅拌桩。线路影响范围外采用水泥搅拌桩垂直加固，加固深度17 m，桩底达到不透水层，起到封闭基坑，截断外部水源目的的同时，确保初始开挖的路基边坡土体具备一定的强度。水泥搅拌桩直径为60 cm，采用普通硅酸盐水泥，水灰比1∶0.5，水泥掺量为20%。

b双液注浆。线路正下方的加固深度及工艺同框构边墙外的加固方法一致，采用斜向钻孔，双液注浆的方法，布孔间距1.0 m。加固深度线路3 m以下至框构底板下9.0 m范围。

双液加固是在不改变土层组织的情况下，将三相结合体土层颗粒间的游离水挤出，使其间充满浆液，达到改良土层性质的目的，改善土层的抗剪强度指标。注浆压力控制在0.5 MPa，扩散半径按照0.5 m考虑。设计提出的注浆后的土体基本承载力指标为174.4 kPa。

实施效果

（1）水泥搅拌桩加固效果检验。经过基坑开挖，坑内的水泥搅拌桩加固效果较好，具备一定的强度，起到加固土体的作用；顶进前方路基坡面的水泥搅拌桩强度达到设计要求。

（2）双液注浆加固效果检验。注浆加固后地基承载力提高不明显。经过现场多处静力触探检测，地基强度一般在100～110 kPa之间，均值不足120 kPa，距离设计提出的加固后地基承载力指标174.4 kPa的差距较大。

加固效果因土层性质不同而效果迥然。掌子面开挖实际情况充分证明了双液注浆离散型很强的特点，设计布孔距离1.0 m，有效加固半径0.5 m，实际开挖后发现效果不明显。由于在掌子面前方土体具有鲜明的层次，由上至下分别为杂填土、粉质粘土、淤泥质粉土、粉砂土，明显可见加固效果的土层为粉砂土层，其次是粉质粘土层加固半径不足0.2 m，而在淤泥质粉土中基本不见加固痕迹。由此可见掌子面加固的效果并未达到预期。

相关问题的探讨

影响加固效果的因素

通过本工程加固效果的实践检验，可以看出注浆工艺、土层性质是影响掌子面加固效果的重要因素。

本工程采用劈裂注浆的工艺进行注浆施工，注浆压力在不同土层中的适用性受到了限制且采用插入花管注浆的工艺并未像设计预期的那样完全都挤出土体中的游离水，而置换成浆液。因此在确定工艺参数的时候还需针对不同土质情况进行转换，在今后的实践中可以参照工程中做试桩的方法，就近试验不同土层采用不同的注浆压力，通过试验分析后再确定最佳的工艺参数。

由于不同土层的渗透性不一致，尤其个别土层的渗透系数较低是造成注浆效果不明显的关键因素。本工程中淤泥质粉土的的渗透系数低于10-2cm/s，这类土层饱和度较高，无法达到劈裂注浆的预期效果。

另外，本工程未系统的对土体的孔隙率、注浆流量、饱和土的注浆填充率等指标进行更深入地分析也是造成注浆效果不佳的重要原因。

综合加固措施的重要性

首先采用3-5-3制“纵挑横抬”的纵横梁加固体系将下穿段既有线线路托起；其次对框构边墙两侧5 m范围进行注浆加固以及实施路基防护桩，以上措施消除或大大减小了竖向荷载和侧向土体压力。通过本次工程实践表明，降水固结是土体加固顺利顶进的重要因素。

虽然本次掌子面的注浆加固并未达到预期，但在顶进开挖过程中未发生开挖面土体沿圆弧滑动面失稳的情况。这说明降水固结的作用至关重要。由于在框构预制前，框构基坑及坑外均设置了大口井降水，地下水位保持在框构底板以下0.5 m，这样由于降水原因使得基坑周围一定范围及基坑内的水位基本持平，渗流力得到最大程度的降低，坡面失稳的风险大大降低。另外由于降水范围内的土体中含水量显著减少，其重度由浮重度提高到饱和重度，这部分土层在增加自重应力作用下逐渐固结，土体抗剪强度相应增加。降水固结效果最明显的粘土层及砂层在本工程的开挖面稳定中起到一定作用。

在今后的工程实践中应充分重视降水效果的保证，降低工程风险。

加固效果改进方式的探讨

（1）改进劈裂注浆工艺。采用软土分层注浆SRF工法，该工法是上海隧道股份有限公司的成熟劈裂注浆工艺，这种方法采用塑料注浆阀管和注浆芯管相结合的方式达到分层劈裂的目的，通过注浆芯管和预埋入土体的单向密封塑料阀管将浆液注入土体，浆液在压力的作用下将土体劈开，随着注浆芯管的不断提升，在土体中形成脉状注浆体，若土体存在裂缝、孔洞或土质疏松的情况下，还有填充、压密和加固土体的作用，可用于提高地基土的强度和变形模量、防渗堵漏、控制地层沉降、进行托换等，在处理软土地层中广泛应用。

（2）采用玻璃纤维注浆锚杆技术。框构下穿既有线实际上相当于在框构护顶下采用非爆破法施工的暗挖浅埋隧道掘进，而在此施工领域，国内外采用非爆破开挖法施工加固掌子面有成熟的成功经验可以借鉴。

根据国外的研究表明，地下工程掌子面挤出变形是隧道开挖后产生变形反应的主要表现形式（尤其对于浅埋段及地质不良段），其主要发生在超前核心土内。挤出变形的大小取决于超前核心土的强度、变形特性及其所处的原始应力场，挤出变形发生在隧道掌子面的表面，沿隧道水平轴方向发展，其几何形状大概呈轴对称（掌子面鼓出）或在掌子面形成螺旋状突出。所以，掌子面预加固着重强调加固工作面以及工作面前方核心围岩的重要性并认为工作面及前方核心围岩的失稳是地下工程的塌方、失稳的诱导原因。反之，如果保证了掌子面围岩的稳定，相应也就可避免出现地下工程坍塌、失稳等现象。

因此，掌子面预加固核心主要是关注工作面前方围岩的稳定，控制掌子面的挤出变形（即纵向位移），对掌子面开挖前，通过在拱部打设超前管棚、掌子面打设可切割的锚杆，以稳定开挖面的土体，并以此为基础对施工方法进行选择，调整支护参数。

国内报道在武汉至广州的高速铁路建设中某单位在下穿浏阳河隧道施工中通过采用掌子面预加固法，采用全断面或半断面开挖，提高机械化作业程度，安全顺利地下穿了浏阳河。

该工程为浅埋、大断面、风险较高的穿越水底及敏感建筑物的隧道，设计施工采用玻璃纤维锚杆注浆预加固掌子面以后，采用非爆破开挖法实现全断面或半断面开挖，机械化程度高，摒弃了复杂的分部工法。见图2。

在框构桥顶进过程中，采用此种加固方式，预制框构本身向开挖面方向的顶进，相当于在暗挖隧道作业中及时跟进了二次衬砌，施工安全得到更大程度地保障。

结语

根据类似工程的加固效果分析，结合本工程的具体施工实例不难看出，既有线路加固严格按照“降水固结—线路加固—线路防护—掌子面及框构两侧土体改良加固—开挖掘进”的工序进行实施，尤其加强掌子面加固效果工艺改进，可有效降低既有线路的安全风险。

［1］龚晓南.地基处理新技术[M].西安：陕西科学技术出版社，1997.

［2］王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004.

□司军平/天津市地下铁道集团有限公司。

U445.4

C

1008-3197（2010）05-32-03

2010-07-22

郑 伟/男，1980年出生，工程师，工学学士，天津铁路投资控股（集团）有限公司，从事铁路工程技术管理工作。