浅析人工挖孔桩与D 型便梁在下穿运营高铁线施工中的应用

张志勇

（中国铁路南昌局集团有限公司，江西 南昌 330002）

1 概述

自引进高铁技术以来，我国高铁建设规模、运营里程、行车速度、旅客流量均位列世界第一，高铁的发展在满足人民日常出行需求的同时，也在促进地方经济发展以及保障军事后勤方面起到了极其重要的促进作用。而我国部分高铁站在建设初期受资金、技术方面的影响未能考虑到高铁建设规模如此大，当前车站及线路规模已不满足人民需求，需在后期进行扩建。因此各类涉铁工程便应运而生，包括但不限于下穿隧道、管涵、架空桥梁等。以莆田火车站为例，该工程主要为下穿运营高铁线施工，为保障下穿施工不对运营线路造成扰动，确保行车安全，采用人工挖孔桩作为基础架设D 型便梁将股道架空的方式提前对线路进行加固。本文重点对高铁线内人工挖孔桩与D 型便梁施工原理及工艺进行介绍，为后续同类型施工提供应用实例。

2 工程概况

2.1 总体概述

莆田站按照国家一级站场标准设计，采用有砟轨道，设计旅客列车最高运行速度250km/h。图定列车142对，其中客运92 对，每日上车旅客约1200 人；货运13对，莆田站I～6 股道均采用无缝60 轨。东侧地下通道下穿莆田火车站运营杭深线，对I-6 股道采用人工挖孔桩+D 型便梁保护。D 型便梁最外侧一排支墩基础为扩大基础，中间3 排的支墩为人工挖孔桩，挖孔桩桩径为1.25m/1.5m，深度为15 米。下穿工程为矩形顶管隧道下穿，断面为12.6m×7.65m，覆土深度为2.3～2.9m。

2.2 地质情况

莆田站东侧通道下穿高铁线路段地质由上至下依次为：（0）2 素填土、（2）4 粉质粘土硬塑、（11）1 全风化花岗岩、（11）2 强风化花岗岩、（11）3 中风化花岗岩，人工挖孔桩类型为端承桩。

图1 东侧通道下穿运营线左线地质剖面示意图

图2 东侧通道下穿运营线右线地质剖面示意图

3 加固原理简介

D 型便梁是一种有纵梁、横梁、牛腿等组成的钢结构便梁，纵梁架设在股道两边，平行线路方向，横梁垂直于股道并依托在纵梁侧壁，采用高强度螺栓与纵梁连接，将股道架空。其具有在不中断行车的情况下，利用它进行桥涵的开挖和施工，并且具有运输和拆装方便的特点，被广泛应用于下穿铁路线施工过程中的铁路保护。D型便梁的结构如图3 所示，现场D 型便梁架设情况如图4 所示。

图3 D 型结构示意图

图4 D 型便梁现场架设图

而D 型便梁需要架设于桩体之上，采用挖孔桩作为基础，桩头施作扩大基础作为D 型便梁架设的承台，依靠D 型便梁将股道架空，传力路径为运营高铁列车→股道→D 型便梁→桩头承台→挖孔桩→地基，列车的振动荷载便由D 型便梁传递至挖孔桩周围的土体。在高铁线路、城市密集建筑等复杂敏感环境条件，机械开挖容易引起周围敏感结构的破坏，如在高铁站区内采用机械进行挖孔作业进行挖孔作业时容易破坏接触线网，因此需要采用人工挖孔桩进行施工。同时人工开挖工效较低，一般适用于软土地层，硬岩地层需辅助磨岩设备进行施工。

4 施工方案

4.1 人工挖孔桩施工方案

4.1.1 放线定桩位

依据建筑物测量控制网的资料和基础平面布置图，测定桩位轴线方格控制网和高程基准点。根据桩中心位置、桩体半径、护壁厚度进行撒灰定位。在位置确定之后，工程勘察部门还需对撒灰位置进行进一步复核，确定桩心位置准确无误。

4.1.2 桩位处道砟清理

桩位处道碴采用专用道碴耙进行清理，清理的道碴堆放在不影响铁路行车位置，必要时可暂时清理出股道范围。

4.1.3 人工挖孔桩施工

人工挖孔桩土方开挖过程应自上而下逐层进行，如果人工挖孔桩施工过程中地层以土层为主，则先采用风稿开挖中间部分的土体，人然后逐渐扩及周边。挖孔桩每开挖1m 深度形成一个节段，灌注混凝土护壁，护壁采用C30 混凝土，可根据现场情况适当加入早强剂，当开挖面自立性较差或存在塌孔风险时，可缩短开挖进尺，及早进行护壁施工。护壁达到1.2mpa 强度或12 小时后再开挖下一节段，如此循环直至桩底。

图5 护壁开挖示意图

图6 人工挖孔桩施工实物图

井内采用人工装碴，使用卷扬机及吊桶做提升设备，井上设专人指挥，将吊桶直接提升到井口，挖孔桩土方通过施工便道利用斗车转运出运营铁路线内。

挖孔过程中应对周边线路相关构筑物进行变形监测以保证挖孔过程中影响铁路的运行安全。

图7 人工挖孔桩作业示意图

挖孔桩顶部设置锁口井圈，锁口井圈高出地面30-50cm，以防止道砟流失。在未进行施工时，用铁丝网对锁口井圈进行覆盖。当基础施工，遇到站场排水沟时，根据现场条件，进行调整位置规避；当无法规避时，破水沟，在基础内预埋PVC 管浇筑，保证排水的畅通。

4.1.4 岩石处理

地表以下可能存在回填孤石，对于地表孤石及岩层采用风镐配合水磨钻进行施工。

（1）利用混凝土对坑底进行找平。（2）钻取四周岩石：取芯时应沿着孔壁均匀布置取芯采样点，根据破岩工具的尺寸，取芯的半径可取75mm，在取芯过程中要时刻注意取芯圆与锁口之间的关系（相切），取芯过程中两取芯体之间的距离可取130mm，取芯的高度应根据现场的实际情况而定，一般可取400-800mm。在依次取完挖孔桩外周区域的岩体之后，在人工挖孔桩之内便形成了一个圆形临空面。（3）钻取中间岩石：在周围人工挖孔桩施工结束之后，采用风稿开始施工桩体核心部分的岩体，为方便桩体中间部分岩体的破裂，在破除中间部分的岩体时，应将桩芯本部分岩体进行三等份，以便于岩体内部裂隙的扩展。（4）风镐打孔：在桩芯岩体上用风稿进行钻眼，通过钻眼进一步将岩石细化，将岩石分成多个细块。（5）人工碎石：通过上述措施后，桩体内部硬岩已经产生了较多临空面以及裂隙，但岩石内部仍有连接部分，需要采用大锤、钢楔、等工具再一次碎石。（6）人工出渣：人工挖孔桩施工过程每一循环都将产生一定的碎石渣土，在一循环完成之后应将渣土及时抛出，采用人工将渣土装入吊桶，后用卷扬机进行运离桩内。（7）桩体修正：在较硬的岩体中由于水磨钻取芯后孔壁呈现不规则形状，为了保证最后成桩之后桩径一致，要采用工具对桩基的形状进行修正，破坏侵占桩基空间的岩石锯齿。

4.1.5 施工护壁

（1）为防止桩孔壁塌方，确保安全施工，成孔应设置护壁，其采用现浇C30 混凝土。护臂浇筑过程中应采取从上至下、分节浇筑的施工方法，每一个护臂的厚度采取上大下小的形式进行施工，上下节护臂进行相互搭接，护臂模板施工时采取拆上、支下的方式进行。子护臂施工过程中应于当时联系施工，直至施工结束，护臂混凝土在浇筑过程中要保证其密实度，同时结合施工过程中土层出现的渗水情况，使用早强剂，以确保护臂的可靠性。（2）井圈护壁中心线与设计轴线的偏差不得大于20mm。（3）挖土深度超过10m 时应及时向桩内送风。

4.1.6 钢筋笼的加工及下放

（1）钢筋笼加工。钢筋笼加工采用在栅栏外钢筋加工场分节加工成型，桩长为15m，每根桩钢筋笼分为7节，钢筋笼分节长度为2.3m，为保证下放钢筋笼时丝扣对接顺利，加工时，在钢筋笼上做醒目标识，标识出钢筋笼下放顺序及钢筋对位位置。钢筋丝扣加工时，钢筋笼上端丝扣加工长度约为35mm，下端丝扣加工70mm，将套筒全部旋进下端丝扣中，在下端预留3～5 圈箍筋，利用扎丝绑扎在主筋上，待下放钢筋笼，主筋连接完成后进行绑扎。（2）钢筋笼运输。钢筋笼在场地外加工完成后，运送至作业门处，在天窗点时采用人工通过作业通道搬运，孔口至作业门处采用方木及模板搭设材料及运土通道，钢筋笼搬运至孔口后利用孔口吊装设备垂直下放。（3）钢筋笼下放。钢筋笼吊装采用1.2*1.5*3m（高）、1.5*1.5*3m（高），上部用5t 手拉葫芦进行吊装，底部用工16 长1.8m 进行支撑。钢筋笼依照钢筋笼加工时标识的顺序依次下放，第一节下放至井口时，利用2 根φ50 钢管将钢筋笼架空在井口位置，再吊下一节钢筋笼至井口与上一节钢筋笼对齐，将套筒向下拧入，使上下节钢筋笼连接成一个整体，当部分套筒无法拧入时，可采用焊接方式进行连接，焊接时，需增加一根钢筋进行焊接，采用单面焊，焊接长度不小于10d。主筋连接完成后，再进行箍筋的绑扎，箍筋绑扎完成后，抽出架空用的钢管，利用葫芦下放钢筋笼，如此循环，直至全部钢筋笼下放完成。下放时，需确保与上部接触网设备保持大于2m 以上安全距离。

4.1.7 浇筑混凝土

（1）桩身材料，严格按设计混凝土标号控制好配合比，混凝土原材料要符合技术规范要求。桩身采用C30混凝土。钢筋直径、间距、接头等均要符合《铁路桥涵施工规范》的要求。（2）线间挖孔桩浇筑混凝土利用天窗点采用地泵输送，提前平整施工汽车便道，使商砼车能到达栅栏外指定位置为宜。栅栏外地泵管在天窗点前组装完成，栅栏内地泵管道设置根据现场情况可采用以下两种形式：一是将地泵管道埋至轨枕下40cm 并引接至孔口处。同时在敷设管道经过钢轨的位置，用绝缘橡胶进行隔离，防止钢轨触红。二是地泵管道直接沿运输通道进行布置，运输通道上部放入三角架进行固定。封底及桩身混凝土用常规方法浇灌，须使用导管或串筒，出料口离混凝土面距离不得大于2m，且应连续浇灌，混凝土坍落度一般为18cm～22cm。（3）在人工挖孔桩出土及浇筑影响区域范围内，在钢轨及道砟上铺设防水帆布进行隔离，每日安排人员对帆布表面进行清洗。防止泥土及混凝土污染钢轨及道砟。（4）挖至设计标高、钢筋绑扎完成，经监理工程师验收合格后，应立即浇筑桩身混凝土。（5）人工挖孔桩开挖完成后需进行终孔验收。（6）单桩完整性检测：采用低应变动测法检测,抽检桩数应为总桩数的10%～20%，且不少于10 根。（7）人工挖孔桩施工完成后，须按设计要求对人工挖孔桩进行桩基质量进行检测，检测不合格不得进行下道工序。

4.2 D 型便梁架设施工方案

当人工挖孔桩施工完成后，待强度达到设计要求，开始进行D 便梁的架设工作。

D 便梁的架设的总体施工工序为：

施工准备→清理道砟→调整轨枕间距→抽出多余轨枕→整修轨道几何尺寸→轨道车运送钢横梁及配件→插入钢横梁→调整钢横梁间距安装扣件→纵梁运送就位→横梁与纵梁的连接及安装。

4.2.1 方正既有规整

对股道内道碴逐段进行扒除，松开原有轨道扣件，按照670mm 左右间距调整好原有混凝土轨枕间距，并将多余的轨枕抽出。

4.2.2 横梁就位

利用人工方式，在调整好的轨枕间距的混凝土轨枕内穿入横梁，横梁基本就位后，根据便梁基础位置，准确定位两端横梁，并垫好绝缘橡胶垫，上好钢轨扣件，扣件采用新型绝缘扣件。根据两端精准定位横梁，利用拉线调整中间横梁位置。

4.2.3 纵梁就位

将纵梁位置道碴清除，在夜间天窗点时，采用路用车将纵梁运送至安装位置，并吊装到位，连接两端横梁与纵梁，并在纵梁支墩位置进行初步支垫，固定纵梁，确保纵梁稳固。

4.2.4 纵横梁连接

根据轨道高程，利用千斤顶将纵梁抬起，调整下部支垫，确保纵梁支墩位置高程准确，后逐根调整横梁位置，安装连接板及牛腿，固定横梁，待纵梁与横梁连接完毕后再固定钢轨扣件。

4.2.5 轨道调整

D 型便梁安装完成后，在后续的使用过程中，对D型便梁及线路需进行检查、养护工作，当发现轨道需进行调整时，将需调整位置周围轨道扣件松动，利用如图所示装置，用中部抓轨器将轨道扣住，两侧用千斤顶将横梁顶起，逐步增加千斤顶压力，调整轨道高度，直至满足要求，调整周围轨道垫块并安装扣件，松动千斤顶，松开抓轨器。

图8 轨道调整

4.3 线路沉降监测

上述施工全部完成后，即可进行下穿施工需对线路进行全天候监测，记录轨道沉降情况，判断轨道是否满足列车运行的需求。

5 加固效果实测

莆田站涉铁项目部于2020 年12 月23 日开始莆田站西侧轨道内人工挖孔桩的施工。在施工过程中施工单位严格按照设计方案，由土层向岩层进行施工。2021 年12 月17 日西侧的人工挖孔桩完成土方及岩石开挖工程，并于12 月18 日开始浇筑混凝土，人工挖孔桩工程于当日结束，在预定时间内圆满的完成了施工任务。同时人工挖孔桩施工结束后便开始利用天窗点架设便梁，便梁架设之后列车振动荷载便传递至人工挖孔桩之上。便梁投入使用后对东侧第9 轨道的沉降情况展开了实测，如下所示，从图中可以看出轨道结构的沉降最大为-0.252mm 左右，低于预警值1.6mm，说明在列车振动荷载影响下轨道的沉降情况依然在合理范围内，在后续顶管下穿高铁站时，列车的振动及自重荷载依旧由便梁传递至人工挖孔桩之上，下穿时轨道结构发生的变化不大，因此说明人工挖孔桩及D 型便梁的施工方案是安全可行的，采用基于人工挖孔桩的D 型便梁加固技术能够有效的确保近接高铁工程施工期间的安全性。（图9、10）

图9 D 型便梁架设完成图

图10 轨道结构沉降情况图

6 结论

6.1 以莆田火车站南北广场东西两侧地下通道涉铁工程为例，总结出了基于人工挖孔桩的D 型便梁加固原理及工艺流程。

6.2 便梁投入使用后对东侧第9 轨道的沉降情况展开了实测，经测量可知轨道结构的沉降最大为-0.252mm左右，低于预警值1.6mm，说说明人工挖孔桩及D 型便梁的施工方案是安全可行的，采用基于人工挖孔桩的D型便梁加固技术能够有效的确保近接高铁工程施工期间的安全性。