半幅断交的城市主干道下大型铁路框架结构盖挖法施工技术

王道远,赵维普，袁金秀,杜晓蓉

(1.河北交通职业技术学院土木工程系,石家庄 050091；2.北京中铁隧建筑有限公司,北京 100022)

1 概述

京石客运专线石家庄隧道工程为6线(局部7线)并行隧道,是国内第一条穿城入地多线多连拱浅埋大跨隧道,线路从左至右(面向北京)依次为改建京广线、新建京石线和新建石青线。在DK281+288～DK281+353段下穿中山路,作业地点位于京广线中山路铁路框构桥东侧,新建隧道基坑侵入既有铁路框构桥约0.3 m,侵入胜利大街桥约1 m,施工时需拆除一节铁路框构的部分角隅。在拆除之前先对“顶板、边墙与中墙进行加腋临时处理”并对加腋部分混凝土进行喷涂。待京石客运专线施工完毕后,再行完全拆除现有铁路框构桥,并将京广线移至地下。隧道基坑与中山东路平面位置关系如图1所示。

图1 新建隧道位置

工程场地范围内表覆第四系地层,从上至下依次为路面结构、新黄土、黏性土、粉土、砂类土、圆砾土。中山东路隧道结构顶板最薄处覆土0.9 m厚,场地范围内地下水主要为第四系孔隙潜水,含水层为砂、卵石层,主要由大气降水补给。地下水水位埋深45～50 m,均位于结构底板以下,不需降水。由于覆土层薄、跨度大且距胜利大街桥近,为减少隧道施工对城市主干道交通的影响,采用半幅断交的盖挖法施工，隧道标准断面为3跨平顶直墙框架结构,其结构断面如图2所示。

图2 隧道结构断面(单位：cm)

2 施工方案

过中山东路隧道为盖挖法施工,采用“围护桩(隧道两侧)+预应力锚索+临时支柱+隧道结构顶板”的围护体系(图3),开挖时遵循“纵向分段、竖向分层、横向分块、随挖随护”的原则,保证开挖过程隧道主体结构的稳定。

图3 盖挖围护结构示意

具体分2期倒边施工,道路分2次围挡,分幅施工对应围护结构、临时支柱和结构顶板,顶板施工完毕后恢复路面,一侧路面恢复后拆除围挡,恢复交通并对另一侧进行围挡施工。第一期施工中山东路北半幅；第二期施工中山东路南半幅。北半幅顶板混凝土强度达到100%后破除北侧堵头桩,分层开挖土方并施作预应力锚索,开挖至结构底高程后按照“底板→侧墙→中隔墙”的顺序完成整个隧道结构施工。施工流程如图4所示。

图4 盖挖施工流程

3 关键施工技术

3.1 交通疏解

中山东路宽44 m,新建隧道与中山东路斜交,盖挖段长度91 m、宽度为38.5 m。以中山东路道路中心线南北侧各1.5 m为边界线分幅围挡,分2期施工顶板,每期顶板施工3.5个月，恢复道路交通。第一期先封闭中山东路北半幅进行施工,围挡占用中山东路段施工范围内全部西行人行道、非机动车与机动车车道。对既有道路弯段取直,保留3条机动车道+1条非机动车道+1条人行道,第一期围挡范围见图5。第二期封闭中山东路南半幅进行施工,围挡占用中山东路南侧所有东行人行道、车道以及北侧一条西行机动车道,保留3条机动车道+1条非机动车道+1条人行道,具体措施同第一期围挡。

图5 交通疏散示意(单位：m)

3.2 钻孔灌注桩施工

本段隧道围护桩和盖板支撑立柱采用钻孔灌注桩：(1)围护桩采用钻孔灌注桩+预应力锚索围护形式,钻孔灌注桩桩径1 200 mm,间距1 800 mm；(2)过路口段立柱桩,桩径1 200 mm,间距6 000 mm。钻孔灌注桩采用分区、分批间隔施工,如图6所示。

图6 钻孔桩施工顺序

采用反循环(或旋挖)钻机成孔,泥浆护壁,25 t汽车吊吊装钢筋笼及导管进行水下混凝土灌注。在砂类土中钻孔防坍塌是本段施工重点,因此除采用分批间隔施工外,泥浆的各项参数应在参考以往类似地层施工经验的前提下结合现场试验进行确定,确保钻孔桩不塌孔,泥浆技术指标如表1所示。

表1 泥浆技术指标

由于道路交通压力大,施工盖板要求工期紧,而钻孔灌注桩的施工进度直接影响到盖板施工进度。受既有线铁路桥的影响,西侧钻孔灌注桩采用反循环钻机施工。根据现有地质资料,中山东路在地表下20 m左右穿越卵石层,考虑到反循环钻机在卵石层钻进速度较慢,采取以下两种措施：(1)在不影响相互之间施工的前提下,配置最大数量的反循环钻机；(2)采用适合卵石层施工的钻头(如滚刀钻头)替换常规钻头。受既有京广线铁路桥影响,钻孔灌注桩钢筋笼吊装不宜过高,因此将原有钢筋笼分2节吊装,采用直螺纹套筒连接。并合理考虑提前加工并储备一定数量的钢筋笼,保证钢筋笼能够连续供应。

3.3 土方开挖

隧道内土方开挖需等结构顶板强度(盖板强度)达到70%之后,遵循“纵向分段、竖向分层、横向分块、随挖随护”的原则,采用挖掘机进行盖板下土方开挖。开挖时先挖两侧土体,后开挖中间土体,每次开挖长度不超过12 m,开挖深度3 m,每层土方开挖至锚索高程下0.5 m处及时施作锚索对土体进行支护。

3.4 桩间支护

为使围护结构更稳定,下步工序施作方便,对桩间土体进行挂网喷混凝土支护,厚度100 mm。桩间支护随土方随挖随支,为锚索施工创造时间,桩间每次支护高度与土层开挖深度一致,一般在2～2.5 m,施工时无须搭设脚手架。

开挖后立即进行桩体是否侵入结构净空检查,如果侵入则必须对桩体进行处理,用风镐破除桩体侵入净空内的混凝土,未侵入结构净空只需对桩体凿毛。待围护桩及冠梁施工完毕之后,采用挖掘机开挖基坑内土方,桩间网喷混凝土支护,采用自上而下进行。再在面层上挂钢筋网(钢筋网片的搭接不小于20 cm)并固定牢固。喷射混凝土中的钢筋网应调直除锈,钢筋网与坡面间隙宜大于20 mm,网片与坡面间距过小的部位可加设垫块。喷射混凝土应分段分片依次进行,同一分段内喷射顺序应自下而上,一次喷射厚度为30～40 mm,复喷厚度为60 mm。喷射时,喷头与受喷面应垂直,宜保持0.6～1.0 m的距离,喷射手应控制好水灰比,保持混凝土表面平整、湿润光泽,无干斑或流淌现象。

3.5 锚索施工

预应力锚索第1道为3φ15.2@3 000 mm,长23 m，第2、3、4道为4φ15.2@1 500 mm,长度分别为27、24 m和22 m。根据施工地质(施工区域地质为第四系地层,从上至下依次为杂填土、粉质黏土、砂砾层和软砾石)及工程进度要求,成孔设备选择HY-150型全跟管钻机,HY-150型钻机为自行式内燃钻机,场地适应能力强,可实现双管双动内循环工艺,可避免循环液对孔壁的冲刷,减少对周围地层的扰动,有效降低地表沉降。锚索现场施工如图7所示。

图7 钻孔桩+腰梁+锚索现场施工

(1)施工准备：锚索施工紧接基坑土方开挖进行,基坑土方开挖采取分层开挖,当每层土方开挖至锚索孔位下0.5 m高程时,平整开挖面后进行锚索施工,施工时东西两侧各设置1台钻机同时施钻。

(2)锚位开孔：测量放点定出锚索孔位后,于孔位上支设开孔机,调整好角度,开孔直径为150 mm。锚位开孔应提前进行,以确保锚索施工进度,开孔偏差不大于20 cm。

(3)钻孔：锚索开孔施工完成后,即可移动钻机就位进行钻孔作业。成孔采用套管钻机,钻孔进尺每5 m进行1次孔向测量。孔深超过锚索设计长度0.5～1.0 m,终孔后清孔要彻底,应对孔口进行暂时封堵,不得使碎屑、杂物进入孔口。

(4)锚索组装：锚索组成包括钢绞线及其附件,按结构形式进行组编。用切割机切断钢绞线,切口整齐无散头。加工长度严格按照锚索参数确定,同时考虑钢腰梁厚度、锚具厚度、张拉千斤顶长度、工作锚的长度。第1层加工时预留了1.0 m长,第2、3、4层考虑1.5 m长。切断后的钢绞线逐根检查,凡有损伤的钢绞线均应剔除。

锚固段去皮洗油：锚固段钢绞线去皮长度误差应在0～10 cm以内；洗油时先用棉纱将钢绞线的油脂去除,然后将钢绞线单根搓开,用汽油人工逐根清洗,再用棉纱擦干,最后再将单根钢绞线拧回位成一束,逐根装至施工现场。

波纹管安装：将内锚段钢绞线束体装入波纹管内,并在靠近内锚固段底部安装金属质导向帽封口,且端帽设置一定数量的泄浆孔便于浆液流动,塑料灌浆管在导向帽内,距离端帽15 cm的间隙。

锚索对中支架及隔离支架与锚索体和波纹管之间绑扎牢固,对中支架及隔离支架安装在波纹管内外侧对应位置,锚索内锚段对中支架及隔离支架间距1 m,两架之间绑扎镀锌铁丝1道做紧缩环；自由段(即张拉段)对中隔离架间距1.5 m。

锚索进、回浆管采用外径25 mm聚乙烯塑料管；中支架和隔离支架自制。编好的锚索要求外表顺直、无明显扭转现象,各种管道通畅,管口做好临时封闭。并做好防潮、防污染、防腐处理。

(5)穿索(即“下锚”)：①锚索下锚前应对已钻好的孔进行检查,以便一次穿索成功,若有局部塌孔现象,采取固灌及扫孔措施处理；②为保证锚索安装顺直,在安装处搭设支架,锚索入孔前,必须校对锚索编号与孔号是否一致。确认孔深和锚索长度无误后,人工匀速将锚索送入孔,不得过多地来回抽动锚索体,防止损害锚索体或使锚索体整体扭转；③穿索后立即对进、回浆管进行通气检查,发现不通气应采取有效的处理措施。

(6)注浆：①注浆采用水泥浓浆,锚固段及自由段的水泥胶结材料均为M20水泥砂浆,水泥采用P.O.42.5级水泥；②采用单管拔管法注浆,锚固段注浆须在锚索入孔后24 h完成。采用底部进浆管进浆,随着注浆量的增加,注浆管拔出速度按计算和浆量跟踪双重标准控制。为了保证注浆均匀,注浆速度不宜太快。所用水泥浆用拌和机搅匀,使其达到规定指标,搅拌直至灌浆结束方可停止。在水泥浆未完全固化前,不得拉拔和移动锚索；③内锚段注浆按“宁多不少”原则,内锚段注浆完成2～3 h后方可进行自由段注浆。

(7)腰梁施工及锚具安装：腰梁采用2道普通热轧II28b型钢。应对每根桩的偏差进行测量,在腰梁安装时,应使腰梁受力符合设计要求。腰梁的安装需待注浆强度达到80%以上才能进行,腰梁分节进行吊装。采用25 t汽车吊及在喷锚过程中每3～5 m预埋φ22 mm螺纹钢,吊装时将手拉葫芦固定在预埋钢筋上,联合将腰梁吊起,准备定位后腰梁背后悬空的地方利用钢块进行垫实,然后安装楔形垫块和锚具,方可进行张拉,张拉完毕后锚具将紧紧锁住腰梁,拆除手拉葫芦。

(8)锚具安装、张拉：张拉采用单根对称分级循环张拉方式。每级张拉持荷2～5 min。张拉过程准确全面记录各相关参数,并检查其是否符合要求。锁定48 h后根据变化情况和量化检查张拉确认是否需要补充张拉。

(9)封锚防护：切除多余长度的钢绞线,涂刷环氧基后安装可拆卸式防护帽并注入油脂。

3.6 结构施工

(1)盖板施工：本次施工所采用盖板既为隧道结构顶板,待围护桩及临时支柱施工完毕后,继续向下开挖土方至顶板底高程,破除露出地面的临时支柱混凝土,绑扎顶板钢筋,施作顶板。顶板模板采用宝丽板,将地面夯实压光至设计高程后直接铺设。

(2)剩余主体结构施工：土方开挖至底板下高程后即可按照“底板→边墙→中隔墙”的顺序完成隧道主体结构,注意施工破除临时支柱时需跳柱破除,施工完一段中隔墙后再破除另一段临时支柱。

4 结语

本文所介绍的石家庄6线隧道下穿中山路段于2009年11月开工,2010年1月底顺利下穿并取得成功。本工程中半幅断交、围护桩+预应力锚索+临时支柱+隧道结构顶板的支护体系以及纵向分段、竖向分层、横向分块、随挖随护的开挖方式为类似工程提供一定借鉴。

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