明挖空顶工法在下穿铁路中的应用

【摘要】明挖空顶法以D型施工便梁临时架空铁路线路为基础，采用明挖法挖除轨道下土石方，然后将预制好的框架涵空顶至既有铁路线下方。结合具体工程实例对明挖空顶法的方案确定、施工工艺方法等作详细叙述，为同类施工条件下的工程施工提供借鉴。

【关键词】明挖空顶法；下穿铁路；基坑维护；顶进作业

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 11.107

1、工程简介

该下穿铁路通道工程道路里程为K0+855～K0+940，起点是鹰厦铁路东侧枋湖工业小区，终点是铁路西侧路肩外，全长85米，设计为城市次干道，框架横断面采用双孔圆弧形断面，单洞框架宽11.35m。顶进段框架长度为23.5米，两框架间距为4米。铁路下基坑分左右洞开挖，单个基坑宽度为12.1米，基坑开挖深度最深处为13.5米。下穿通道与鹰厦铁路平面交角为62°，左洞与鹰厦铁路相交于铁路里程K687+890，右洞与鹰厦铁路相交于铁路里程K687+907.7。图1为顶进段框架横断面图。

鹰厦线设计时速为250km/h，隧道穿越段路基为宽枕碎石道床，是国家Ⅰ级双线电气化干线铁路，框架涵下穿鹰厦铁路影响宽度为40m。

2、方案比选

明挖空顶法、浅埋暗挖法和顶进法是目前国内下穿既有铁路施工最常应用的施工方法，下面做出对比。

2.1顶进法

顶进法穿越既有铁路线路是一项较成熟的施工方法，已被广泛使用。采用顶进法施工的情况主要是在有较好地基承载力和较大框架桥跨度的时候。该施工方法具有对既有铁路行车的干扰小，多孔框架桥组合时可以分孔施工，易于控制框架桥施工质量以及较短的施工总工期等特点。而本工程下层土质为粉质粘土，地基承载力较差。

2.2浅埋暗挖法

当对地面沉陷要求极为严格的情况下，埋深较浅的地下工程修建时，浅埋暗挖法是最为适宜的城市地下工程施工方法，该施工方法是采用新奥法的基本原理，并且采取多种辅助措施来加固围岩，开挖后即时加强支护、封闭成环，使支护和围岩共同形成联合支护体系。我公司采用浅埋暗挖法下穿既有铁路较成功的案例有杏林大桥C标采用管幕法下穿鹰厦铁路。此方法施工工序多，工期较长，无法满足“1.15”恢复动车进岛的工期节点。

2.3明挖空顶法

明挖空顶法的施工基础是施工便梁临时架空铁路线路，先开挖好铁路路基，然后再将预制好的框架结构顶进下穿既有线。明挖空顶法与其他施工工艺相比较，是比较新的施工工艺，其特点主要有造价较低，较好的安全性，且施工工期较短。根据本工程的具体特点，从多个方面对上述方案进行对比，详见下表1。

经对上述三种方案进行比较分析，着重考虑工期并兼顾其他各方面因素，最终确定采用明挖空顶法开挖铁路路基，空顶预制框架涵以实现安全、快速下穿鹰厦铁路。

3、明挖空顶施工方法

线路下部分框架施工顺序：施工准备工作→铁路设备迁改和保护→人工挖孔桩施工→架设D24施工便梁→开挖线路下基坑→滑板制作→顶进段框架涵预制→框架涵顶进→防水层及保护层施工→回填压实→拆除D24施工便梁→恢复铁路正常运行。

施工中重难点主要有以下几项：基坑围护结构、人工挖孔桩、D24施工便梁架设、顶进作业。

3.1基坑围护结构

下穿铁路段基坑最大开挖深度为13.5m，鐵路线下基坑支护结构采用人工挖孔桩、型钢挡板、喷射混凝土、圈梁、锚索等支护方式进行加固，其施工主要步骤：①对场地进行平整和清理，并开挖孔桩；②开挖第一层土方，并同时支护型钢挡板；③圈梁施工，同时对两孔之间的孔桩及土体进行加固处理；④第二层土方开挖，，同时进行型钢挡板施工；⑤第三层土方开挖至坑底（预留20cm人工清理），同时进行型钢挡板施工，并尽快浇筑钢筋混凝土，制作滑板。图2为既有铁路线下基坑开挖现场施工。

3.2人工挖孔桩

由于既有线路的限制，需要人工开挖铁路范围内的基坑，其施工主要步骤为：①对定桩位和高程进行放线；②对第一节桩孔的土方进行开挖，并进行护壁钢筋和模板安装；③对第一节护壁进行混凝土浇筑，并对桩位的中心轴线进行检查；④对垂直运输架进行架设，并安装电动葫芦、吊桶、照明、活动盖板、水泵和通风机等；⑤对第二节桩孔的土方进行开挖（修边），然后拆除第一节模板，并进行第二节护壁钢筋和模板安装；⑥对第二节护壁进行混凝土浇筑，并对桩位的中心轴线进行检查；⑦以此类推，逐层施工直至开挖至桩底并扩底；⑧进行检查验收后，在孔内安装钢筋笼并放置混凝土溜筒或者导管，然后对桩身混凝土进行浇筑，需要随浇随振，最后预埋桩顶钢筋。

本工程人工挖孔桩施工中，由于地质条件较差，在孔深超过10m后普遍出现孔底涌出淤泥的现象，在施工中总结出了一套有效的应对措施：孔底有淤泥出现后，每一模完成时应用混凝土封底，再次开挖时，先用风镐破除孔底混凝土，迅速开挖50cm左右，立模浇筑护壁砼，同时用混凝土封底，待下次开挖时，重复该步骤，直至穿过淤泥层。

3.3施工便梁架设

在开始明挖基坑施工前，考虑到本工程的具体特点，需要采用临时施工钢便梁对既有铁路轨道进行加固。采用直径1.5m扩底人工挖孔桩作为支撑桩；采用8φ15.24预应力钢绞线进行锚固，拉锚桩采用直径1.0m扩底人工挖孔桩。共架设4组D24低高度钢便梁，布置形式采用丙式低位，双线双跨架设。相连两跨之间设置便梁支墩，采用直径1.5m扩底人工挖孔桩。为保证左右洞便梁的稳定性，在两跨之间的便梁桩与相邻的围护桩桩顶浇筑冠梁，并对中间土体进行，使其形成一个整体，以增加便梁桩的稳定性。

便梁架设前，应由工务部门对无缝线路进行应力放散，在安装便梁的过程中，应注意轨道电路的绝缘保护，防止出现“红轨”状况。用路用列车在封锁点内将钢便梁运到施工现场，人工架设前，需要确认已完成便梁支墩浇筑且强度满足要求。施工完成后采用路用列车封锁点内吊运拆除便梁。

3.4顶进作业

3.4.1顶进段框架预制及顶进后背、滑板的施工

基坑开挖至坑底约0.2m时，改用人工开挖，以防超挖。人工开挖至设计深度并经验收合格后，尽快浇筑滑板混凝土，滑板顶用M10水泥砂浆抹平，要求平整度≤3mm，并在面上涂厚度5mm的石蜡，然后一层撒滑石粉，顶部铺上一层油毛毡，并抹一层水泥砂浆用来保护。滑板底部设置50×50cm的锚梁，锚梁间距3.2m。

滑板施工的同时，进行顶进后背的制作。后背长33m，宽1m，高2.7m（高出滑板顶1.2m），后背与工作坑底板连为整体。图3为顶进后背及滑板示意图。

顶进段框架涵长23.5m，台车每模12m，分两次浇筑完成，前后浇筑段中间设置施工缝。使用光面竹胶板作为预制框架涵的外层模板，并分两阶段来浇筑。第一阶段浇筑底板砼，当底板砼强度达到设计强度的70%后，再进行框架上部砼的浇筑。

3.4.2框架涵顶进

框架涵预制完成后，左右线分别一次性顶进到位，顶程55米。顶进段框架涵全长为23.5m，混凝土614m3，根据框架涵重量、摩擦系数等进行计算，总顶力为1600t，需配置320t千斤顶6台。在设置千斤顶的时候，要参照主体结构底板顶块混凝土的轴线，分别将3台千斤顶设置在两侧。

在正式顶进作业前，应先进行一次试顶，试顶以顶动涵身为止，因此在试顶时要加强涵身中线、水平和纵向位移的监测，观察頂进后背及底边的变化。

3.4.3线位控制及线位矫正

因为箱涵的顶进方式是斜交正顶，所以在顶进的过程中箱身会受到逆时针方向的转动弯矩。可以通过两侧千斤顶不对称加力的方式来矫正箱身，从而达到抵抗转动弯矩的目的。在顶进施工过程中，要测量对每个千斤顶行程中的顶进长度，若线位发生了偏差，则要及时改变两侧千斤顶的压力来矫正线位。

3.4.4传力结构设计

在壁厚14mm、直径630mm的钢管两端焊接好法兰盘后用作传力柱。根据千斤顶行程及顶推距离，准备4米、1.4米、0.2米钢管若干。在顶推施工中将顶推钢管传力柱进行连接形成整体，分配梁采用32工钢按照8米一道进行安装。图4为顶进作业现场施工。

3.4.5箱涵轴线纠偏措施

顶进过程须对涵身进行实时监测，如出现偏差及时纠正，确保涵身在顶进中不偏离设计轴线、高程符合设计要求。在顶进的过程中，对箱涵轴线与设计轴线的偏差情况进行随顶随测，并在每次回顶后及时调整千斤顶的推力，具体操作方法为：加大偏移轴线一侧千斤顶的推力，需要缓慢进行加载，观察到箱涵轴线端点位于设计轴线上后，则停止推力加载，然后全部千斤顶进行同时加载并控制加载速度，保证千斤顶按照顶力计算比例进行加载。

结语：

在本工程施工前，项目部制定了详细的施工方案和应急预案以应对可能发生的紧急状况，并且参建各方对方案和预案进行了多次推演，保证了其的科学性和合理性。施工过程中采取了多种措施来保证工程施工安全顺利地进行，比如在便梁架设拆卸、框架涵试顶、顶推等施工过程中采取全员定岗。本通道在8条下穿通道中是工期最紧、施工难度最大的通道，在采用明挖空顶法工艺施工后，在保证安全、质量的前提下，大大的缩短了工期。实践证明，明挖空顶法与传统施工工艺相比，具有施工工期短、安全性好、造价低等特点，在特定条件下具有很高的推广意义。

参考文献：

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[2]徐军翔.桩锚支护结构在深基坑工程中的应用与控制研究[D].天津大学，2014.

[3]蒋小锐，黄杰，李楠.城际铁路明挖隧道下穿既有高铁施工控制技术及标准探讨[J].铁道标准设计，2020，64（06）：104-111.

作者简介：

刘青青（1983.09-），女，汉族，陕西安康人，本科学历，工程师，研究方向：土木工程。