既有铁路接长涵洞开挖支护结构的设计与施工

王超

（中交第一航务工程局有限公司，天津300461）

1 工程概况

蒙华铁路项目位于鄂尔多斯乌审旗境内，线路全长45.79 km。工程施工线路内需修建涵洞74座（新建涵洞42座，既有线接长涵洞32座）。其中，除接长涵洞中没有明确给出开挖支护结构的涵洞25座外，其余采用钻孔防护桩支护结构。

2 地质情况

本工程地处沙漠腹地，地质情况由上至下为细砂（黄褐色、青灰色、灰褐色，松散～中密，稍湿～饱和，地基承载力100～210 kPa）、泥质砂岩（棕红色，全风化，砂质结构，薄层状构造，泥质胶结，地基承载力300 kPa），砂岩（棕红色，砂质结构，薄层状构造，泥质胶结，强风化，地基承载力800 kPa）。接长涵洞区域地质情况由上至下主要为细砂（素填土）、粉砂（中砂）、砂岩。

3 既有铁路接长涵洞施工安全风险

根据TB 10671—2019《高速铁路安全防护设计规范》可知，接长涵洞段落施工为Ⅲ级、A类施工，即影响范围较小、安全风险较高。

本工程中，根据招标图纸要求，在接长涵洞施工前必须要拆除既有接长涵洞翼墙及其基础、护锥等结构。因此，必须要对既有铁路接长涵洞开挖进行安全支护结构设计，否则在失去挡土结构后，极易造成既有铁路路基边坡滑动，从而引发重大安全事故[1]。

4 设计比选方案

4.1 方案初步确定

根据以往施工经验和既有铁路接长涵洞地质情况，本工程初步确定了2种支护方案：（1）采用拉森IV型钢板桩进行支护，钢板桩设2道围檩，围檩横撑型钢采用HW150 mm×150 mm×7 mm×10 mm；（2）采用36B的工字形型钢进行防护，防护结构设2道围檩，围檩横撑型钢采用HW150 mm×150 mm×7 mm×10 mm，型钢中间填充木板挡土。

4.2 方案确定选用工字形钢板桩进行防护

4.2.1 支护结构基本信息参数

本工程的支护结构基本信息参数如表1所示。

表1 案例工程支护结构基本信息参数

4.2.2 结构设计计算

横撑型钢采用HW150 mm×150 mm×7 mm×10 mm：（1）支挡支护结构最上面土压力为20 kPa，基坑底土压力为70 kPa；（2）支护结构最下面型钢跨度为2.5 m，采用每隔50 cm设置1根型钢来支撑。

确定上述参数后，可开始建立模型。鉴于型钢受力35 kN/m，因此为了保证模型偏安全，采用了简支梁计算。横撑型钢模型、主梁应力、主梁挠度分别见图1、图2和图3。

图1 横撑型钢模型

图2 主梁应力（单位：MPa）

图3 主梁挠度（单位：mm）

由图2、图3可知，在土压力作用下，主梁最大应力为-126.6 MPa，挠度为5.396 mm，均满足要求。

4.3 钢板桩试打

为了进一步验证支护效果，需进行钢板桩试打：（1）施工机械为SH350型打桩机；（2）施工人员为管理人员1名、施工人员2名；（3）施工材料为10 m拉森钢板桩；10 m工字形钢板桩；（4）试打位置为恩陶K151+687（1～4 m）接长涵洞，接长涵洞顶标高1 334.12 m，地质条件由上至下为填筑土（细砂）1 334.12～1 323.44 m、中砂1 323.44～1 321.54 m。

4.3.1 拉森钢板桩试打

拉森钢板桩试打记录见表2。

由表2可知，试打结果基本满足要求。但由于支护结构存在弧度，因此拉森钢板桩很难精确咬合连接，虽可起到一定的支护作用却很难保证挡土效果，存在缺陷。

4.3.2 工字形钢板桩试打

工字形钢板桩打记录见表3。

由表3可知，试打结果满足要求。加之工字形钢板桩在施打过程中容易控制间距，所以挡土问题可以通过后期开挖过程中插设挡土木板来解决。

表3 工字形钢板桩试打记录表

通过对比，最终确定本工程既有铁路接长涵洞的开挖支护结构采用工字形钢板桩。

表2拉森钢板桩试打记录

5 正式施工

5.1 施工工艺流程

工字形钢板桩施工工艺流程：施工准备→填筑施工平台→标定桩位→振动沉桩→分级开挖基坑→分级安装横撑围檩及挡土板。

5.2 测量放样

利用GPS将工字形钢板桩桩位轴线放样在边坡上，并用洒白灰线进行标识后，在白灰线上按间距400 mm确定工字形钢板桩位置，同时确定白灰点。

5.3 工字形钢板桩运输堆放

根据不同接长涵洞高度来确定工字形钢板桩的尺寸。经测量，共组织了700根8～12 m的工字形钢板桩进场。在正式施工前，要按事先确定好的施工顺序将成品桩运输至指定位置，并堆放在桩机回转半径内约10 m范围内。

5.4 填筑施工平台

使用ZL50装载机来填筑施工平台，平台高度要与既有铁路接长涵洞帽石齐平。

5.5 沉桩施工

施工机械采用SH350型打桩机，配备现场管理人员1名，操作人员2名。施工准备完成后，打桩机可进入施工现场，按照预先定好的桩位将H型钢板桩振动沉入，并保证工字形钢板桩垂直度控制在2%范围内；另外，平均每根桩施工时间为2 min。

5.6 存在问题及解决措施

在本工程中，部分施打工字形钢板桩区域存在红砂岩。根据取样检测，该区域红砂岩抗压强度为15 MPa；此时使用SH350型打桩机施打工字形钢板桩桩体已无法将其有效贯入红砂岩内，从而导致部分桩体出现锚固深度不足的情况，无法起到支护作用。

针对此，结合现场实际情况采取了平移部分桩位以避开红砂岩地质，同时交叉打设工字形钢板桩方式。其中，部分不能打设工字形钢板桩区域则采取分级开挖方式，并分级喷射混凝土护面，在开挖完成后则堆砌砂袋并喷射混凝土进行固结，设置型钢横撑，间距0.5 m。

另外，本工程部分既有铁路接长涵洞上部存在接触网回流线，而回流线距离接长涵洞帽石10 m。对此，需打设的工字形钢板桩长度为12 m，存在一定的安全风险。为了有效处理，可通过工字形钢板桩截为6 m一段来分段打设；需注意的是，钢板桩接头处要打设3排18 mm螺栓孔，并通过钢板进行螺栓连接。

6 投标应用成果

1）安全方面。在通过制定合理设计与施工方案、针对重要问题进行严格受力计算后，确保了本工程实施过程的安全性，并有效地控制了施工风险。

2）质量方面。在投标阶段全面评估后续施工可能发生问题，在方案中提前筹划与提出比选方案，并在中标后严格按照方案实施，可以确保工程质量达到合格标准

3）效率方面。依据现场调研资料和类似项目经验合理排布工序与做好工序搭接，能够保证进度计划按时完成。

4）费用方面。通过方案的比选和优化后，可结合优势和资源情况来制定费用方案，减少了大型设备投入，在节省费用的同时提升了竞争力，加大了中标概率。

7 结语

在投标期间，通过深入研究支护结构方案，能够有效保证投标方案完善明确且投标造价费用可控，不仅为接长涵洞施工过程提供了有力保障，还涉及竣工后对既有铁路接长涵洞翼墙及基础的拆除。施工结果表明H型钢能够对支护结构起到有效作用，从而确保了既有铁路接长涵洞施工的顺利完成。