顶进箱涵上穿地铁下穿铁路施工技术研究

付 裕

(北京市公联公路联络线有限责任公司，北京 100081)

1 工程背景

以西站南路南延(丽泽路-南三环路)道路顶进箱涵下穿京沪铁路及上穿地铁10#线盾构区间工程为例对关键施工技术进行研究。顶进箱涵施工影响范围内，既有京沪铁路为繁忙干线，联络华北地区和东部沿海经济发达地区重要铁路干线。地铁10#线为一条南北向重要地铁线路，横贯了北京市区。西站南路南延(丽泽路-南三环路)道路顶进箱涵下穿京沪铁路及上穿地铁10#线盾构区间，施工采用的箱涵孔跨为10～18～10 m，道路中心线与铁路下行线交角为86.32°。框架桥顶板顶部与京沪铁路线钢轨底部的距离为1.0 m，框架桥底板底距与地铁10#线结构顶的距离为14.44 m。框架桥重量：7 600 t，最大顶力：20 389.5 t，顶进长度为57 m。

2 工程难点及关键技术

框架桥下穿铁路、上穿地铁施工中为了降低土体卸荷对既有线路造成较大变形损伤，需评估地铁安全风险，预制框架桥及后背，增加底板配重，制定铁路路基注浆与基底地层注浆方案，线路加固和轨道防护设计，框架桥顶进施工，变形监测与恢复铁路及地铁轨道结构。在项目施工前需要对地铁隧道进行安全风险评估以确保各项技术措施及施工方法的可靠性。通过对底板上方加载钢锭块以抵御因顶进开挖卸荷对地铁隧道结构上浮造成的影响，并准确地计算钢锭快配重的重量。框架桥基底地层注浆为了增加框架桥下方地层的强度，防止顶进过程中地层破坏，抑制地铁隧道上浮。顶进挖土要和框架桥顶进循环进行，每次顶进和挖土进尺最大不超过0.8 m，开挖卸荷要采取小范围逐步推进施工，较小的卸荷量可以降低大范围开挖卸荷对铁路运输安全的影响作用。顶进挖土与框架桥顶进同步向前推进，框架桥上方钢锭块配重亦同步加入，逐步小范围推进方法，配重与卸荷土层重量同步置换，减小了大范围开挖卸荷对地铁运输安全的影响。

3 工艺流程及安全控制

3.1 工艺流程

施工准备→地铁仿真模拟分析评估→框架桥及后背预制→底板上方钢锭块加载配重→防护体系施工→铁路线路加固和地铁轨道防护→框架桥顶进施工→第三方监测→框架桥就位→恢复铁路及地铁轨道结构→工后评估。

3.2 安全控制

因项目施工时，顶进箱涵上穿地铁施工方法无以往施工经验可借鉴，为确保各项技术措施及施工方法的可靠性，根据新建工程相关设计文件和施工工序对既有线结构进行安全评估。在安全评估实施前，调查与检测地铁隧道结构实际情况，为安全评估提供现状实测参数和下一步工程实施提供依据，并为该段线路的后期运营和安全提供技术支持。现状调查及检测的主要内容为：盾构区间主体结构；道床结构；椭圆度及限界测量；轨道现状调查与检测；线路现状调查与检测。本次安全评估的范围沿选取地铁线路纵向150 m，线路横向140 m，土层厚度50 m，所依据的是新建工程与既有工程相对位置关系及影响范围。

依据计算结果，对新建工程施工对既有地铁盾构区间结构及轨道结构的安全性影响进行分析。图1(a)展示的是箱涵顶进过程竖向变形云图，图1(b)展示的是横向变形云图，顶进箱涵对轨道结构产生了1.422 mm的上浮变形，轨道结构的横向最大变形为0.247 mm。

图1 隧道结构变形结果

根据本工程风险点与地铁相对位置关系，新建工程处于对既有线路的显著影响区范围内。模拟计算所得：允许值70%<轨道变形值<允许值100%，施工风险评级为一级。根据评级结果对施工提出相应建议：(1)施工过程中对轨道进行防护设计，采取轨距拉杆、警示标和位移桩等防护措施；(2)在施工过程加强采用自动化与人工监测相结合的方式对既有线及其结构的变形监测，；(3)严格控制施工质量与施工工序。

3.3 框架桥及后背预制

(1)框架桥预制

首先选定在铁路和地铁保护区外的某一特定位置开挖工作坑，根据现状土质，设计文件等要求，对基底进行换填，然后制作钢筋混凝土滑板。工作坑边坡严格按照要求施工，对边坡采取挂网锚喷混凝土护面等措施。制作滑板隔离层，采用滑石粉上铺2 cm厚M15砂浆作为隔离层，隔离层靠近铁路一侧，在制作船头坡时，船头坡在沿中线长度方向1.5 m，高度10 cm。然后工作坑内预制框架桥，预制框架桥对铁路和地铁运营无影响。框架桥为钢筋混凝土刚架联体式结构类型。首先施作钢筋混凝土底板，底板与墙体的水平施工缝位于底板顶向上高出200～300 mm为宜。墙体与顶板采用满堂红碗扣式脚手架，配合钢-木组合模板支撑体系一次浇筑成型，模板采用对拉螺栓方法加固。框架桥属大体积混凝土结构，钢筋骨架的绑扎，模板支撑体系，浇筑前混凝土原材料与配合比；浇筑过程中坍落度、入模温度及振捣；浇筑完成后养护，均属于框架桥预制的控制重点。框架桥预制完成后，其顶板自下而上施做聚氨酯防水涂料冷涂2°，SBS防水卷材热熔铺设，浇筑C40钢纤维混凝土。

(2)后背预制

后背采用工字钢桩后背，合理选用工字钢打拔设备，将工字钢逐根打入到制定高度，采用成品12 m/根，I45b工字钢；然后施做钢筋混凝土后背梁；使用轮胎式压路机配合挖掘机对后背结构填土并碾压密实至预定高度。

3.4 防护体系与线路加固

为防止土体开挖造成地铁隧道的上浮变形采用钢锭块进行地板配重。按照常规框架桥顶进施工方法，在工程实施影响范围内设置防护桩、支撑桩及抗横移桩组成的铁路三桩体系。采用水泥水玻璃浆液对铁路路基与基底地层注浆，注浆效果为无侧限抗压强度不小于0.8 MPa。

框架桥顶进施工过程中采用扣轨横纵梁加固方法对铁路线路进行线路加固，线路加固施工工艺流程见图2。

图2 线路加固流程图

为了保证地铁结构与轨道安全，施工全过程中依据变形监测数据及时进行线路调整，保证轨道几何尺寸满足行车要求；在施工影响范围区段安设作业警示标和解除警示标，在需要轨道防护段的轨道正线上安装轨距拉杆。

3.5 框架桥顶进施工

施工过程中采用了60台500 t顶镐，其间距为0.6 m，每个顶镐的平均顶力约为340 t。顶柱尺寸大为4 m、2.4 m、1.2 m、0.6 m、0.3 m、0.1 m。在顶完4 m后需要更换4 m顶柱，顶柱横梁一般8 m一道。在顶完4 m后在顶柱上需要回填2 m高的覆土，以防止顶柱弹起。采用挖掘机在框架桥孔内挖掘顶进前方土体，开挖面坡度控制在1∶0.5～1∶0.8，框架桥前方底板底距离开挖面坡脚控制在0.4～0.8 m范围挖土。开挖面不宜长时间暴露，要随挖随顶，，不可超挖、逆坡挖土。在开挖过程中，各孔挖土步调要一致，挖土要均匀，还需要有相关的专人指挥，以避免施工混乱所导致的挖土步调不一致等现象的发生。列车通过时不挖；框架桥顶进时不挖；发现塌方迹象时不挖；顶进期间如遇降雨，要做好临时处理，停止挖土和顶进，用塑料布盖好掌子面。

3.6 变形监测

监测点的布设由顶进箱涵中线与地铁10#线中心交角向两侧50 m范围内每10 m布设1个监测断面，之后每25 m布设1个监测断面。

3.7 框架桥就位

顶进箱涵顶推至预定位置后，桥体两侧的路桥过渡段采用M10浆砌片石，而后进行桥体前刃角补墙、铁路重力式挡墙、桥上钢筋混凝土电缆槽及钢栏杆的施工。

3.8 恢复铁路及地铁轨道结构

顶进箱体就位后拆除国铁的线路加固：先拆除纵工钢，再拆除横工钢，必须隔一拆一捣一，同时回填石碴，随时保证线路状态合格，最后拆除扣轨。拆除线路加固后，整修线路达标，多遍捣固。地铁10#运营平稳后需要拆除轨距拉杆，恢复地铁轨道初始状态。

3.9 工后评估

在工程竣工后一年进行工后评估工作，对已经完成的施工对地铁盾构结构的影响；即根据工后安全性影响评估结果，应明确箱涵顶进工程对既有十号线结构的影响变形程度、有无损伤及损伤状态的定量描述，并提出是否继续监测、是否需要对既有地铁结构进行处理及处理措施等建议。

4 结 论

(1)城市中心区道路顶进箱涵上穿运营地铁下穿运营铁路施工的主要技术措施包括地铁安全风险评估、框架桥及后背预制、底板上方钢锭块加载配重、防护体系施工(三桩体系、铁路路基注浆、基底地层注浆)、铁路线路加固和地铁轨道防护、框架桥顶进施工、施工监测、框架桥就位、恢复铁路及地铁轨道结构。

(2)根据地铁结构监测数据变化，在箱涵顶进过程中，，对影响范围进行配重。通过三维建模数据分析可知结构竖向最大上浮量为1.422 mm。在实际施工过程中，最大上浮量为1.66 mm，控制值为2 mm，预警值1.4 mm。通过采取有效的技术措施来控制地铁隧道结构的上浮，同时保证了铁路结构的安全，从施工过程及监测数据的变化，较为成功的完成了施工任务。项目的成功实施为类似工程提供宝贵的工程经验。