舒思義

（中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036）

1 工程實(shí)例

該實(shí)例為天津西站和北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)的鐵路聯(lián)絡(luò)線，其中天津西站至勝芳站利用既有津霸客專，固安東站至大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)站利用既有京雄城際。勝芳站改造施工是津興鐵路的一項(xiàng)控制性工程，改造區(qū)域位于勝芳高鐵站西咽喉，通過(guò)對(duì)既有路基進(jìn)行幫寬，并對(duì)線路進(jìn)行改造，在既有津霸客專正線上插入2組42#道岔實(shí)現(xiàn)新建津興鐵路引入勝芳站，從而利用津霸客專與天津方向連通；新線引入勝芳站需在站場(chǎng)與橋梁分界處新建橋臺(tái)，同時(shí)站內(nèi)進(jìn)行接觸網(wǎng)改造施工，新建橋臺(tái)防護(hù)樁及新建接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)施工均需采用人工挖孔樁形式，通過(guò)地質(zhì)情況調(diào)查及設(shè)計(jì)資料核對(duì)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，人工挖孔樁分別采取永久鋼護(hù)壁及混凝土沉管護(hù)壁形式，施工效果安全、可靠，最大限度降低了對(duì)既有線行車的影響，得到了鐵路局及相關(guān)站段的一致好評(píng)，同時(shí)為其他類似工程施工提供了參考依據(jù)。

2 既有高鐵線路旁人工挖孔樁永久鋼護(hù)壁形式

新建津興鐵路勝芳左右線橋臺(tái)里程為：DK49+003.38，既有津霸客專里程為K37+243.970。新線引入過(guò)程中需在既有橋臺(tái)旁新建橋臺(tái)，新建橋臺(tái)邊緣與既有橋臺(tái)邊緣相距4.2m，新建橋臺(tái)施工時(shí)侵入既有橋臺(tái)護(hù)錐，為保證既有津霸客專行車安全，采用人工挖孔防護(hù)樁施工，為防止既有橋臺(tái)受偏載影響發(fā)生變形，既有橋臺(tái)兩側(cè)挖孔樁對(duì)稱施工（見圖1）。津霸客專梁邊緣與防護(hù)樁施工最近距離1.7m。防護(hù)樁采用直徑1.25m，A(A')型7根，樁長(zhǎng)12m，沿路基邊坡向坡腳其余4根B(B')型樁長(zhǎng)依次為9m、6m、4m、3m，采用三面防護(hù)，防護(hù)樁共計(jì)30根，樁間距1.7m。結(jié)合鐵路局工務(wù)部門對(duì)人工挖孔樁施工提出的要求，孔內(nèi)護(hù)壁采用永久鋼護(hù)壁形式，規(guī)避了挖孔過(guò)程中因護(hù)壁強(qiáng)度不足造成的塌孔進(jìn)而影響行車的事故。

圖1 新建橋臺(tái)與既有橋臺(tái)位置關(guān)系圖、永久鋼護(hù)壁結(jié)構(gòu)圖

施工前需破除既有橋臺(tái)錐體護(hù)坡，利用土袋砌筑施工平臺(tái)，對(duì)應(yīng)挖孔位置做護(hù)壁鎖口，挖孔樁開挖遵循隔二挖一的原則，跳孔開挖，分8組（左右橋臺(tái)各4組）施工，具體施工順序?yàn)椋旱谝恢芷贐(B')3、A(A')2、A(A')5、B(B')8，第二周期B(B')4、A(A')3、A(A')6、B(B')7，第三周期A(A')1、A(A')4、A(A')7，第四周期B(B')2、B(B')6，第五周期B(B')1、B(B')5。樁孔開挖采用分節(jié)挖土法，人工手持十字鎬，鐵鍬裝入提升吊桶內(nèi)，由手搖轆轆提至地面后，就地裝袋碼放或攤鋪，以便逐漸擴(kuò)大操作面。孔樁開挖按照掘進(jìn)一段、護(hù)壁一節(jié)的施工原則，由淺至深不斷循環(huán)作業(yè)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)樁深，一般情況下每次單節(jié)開挖深度控制在0.5m左右。

護(hù)壁采用C25混凝土現(xiàn)澆，護(hù)壁上口厚度200mm，下口厚150mm，上下護(hù)壁間搭接50mm，護(hù)壁采用外齒式，每節(jié)護(hù)壁控制在0.5m左右。護(hù)壁豎向和水平均采用Φ10鋼筋，單層設(shè)置，間距25cm。護(hù)壁模板采用定型組合式拼裝鋼模板，為不拆除永久模板，厚度為5mm，沿樁孔一周分為四塊，分別吊裝安裝。為保證模板剛度，護(hù)壁模板內(nèi)側(cè)用80×60×5聯(lián)結(jié)鋼片焊接加固，模板的每道交接縫設(shè)置三個(gè)連接點(diǎn)。支模時(shí)在內(nèi)側(cè)用木方支撐，預(yù)防澆筑護(hù)壁混凝土?xí)r模板變形。模板做成上口小、下口大的形狀，即每節(jié)護(hù)壁接頭處成八字階梯形。每節(jié)模板安裝均采用井內(nèi)吊線定位，模板安裝完畢后進(jìn)行復(fù)測(cè)，確保斷面大小、樁孔垂直度符合設(shè)計(jì)要求，護(hù)壁模板加工誤差控制在5mm以內(nèi)。

為最大限度降低挖孔樁施工對(duì)既有線行車的影響，挖孔樁施工需利用高速鐵路天窗點(diǎn)內(nèi)時(shí)間進(jìn)行，鋼筋籠吊裝及混凝土澆筑作業(yè)因施工機(jī)械與接觸網(wǎng)之間距離不滿足安全限界需求，需接觸網(wǎng)配合停電。該施工方法有效避免了高速鐵路既有橋臺(tái)錐坡開挖新建橋臺(tái)導(dǎo)致的路基坍塌引起人身傷亡事故及行車事故的發(fā)生，施工過(guò)程中未產(chǎn)生任何安全事故，施工工藝簡(jiǎn)單、施工成本低、施工效果良好。

3 既有高鐵線路路基上方人工挖孔樁混凝土沉管護(hù)壁形式

勝芳站改造施工需進(jìn)行既有路基幫寬，同時(shí)引起既有接觸網(wǎng)位置調(diào)整，調(diào)整后接觸網(wǎng)距離既有線線路中心最近3.25m，受既有高鐵運(yùn)營(yíng)影響，接觸網(wǎng)施工無(wú)法采用傳統(tǒng)的機(jī)械開挖方法，采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土護(hù)壁等強(qiáng)時(shí)間較長(zhǎng)，不能在有效天窗點(diǎn)內(nèi)完成樁基礎(chǔ)施工，且施工材料清理時(shí)間長(zhǎng)，不利于天窗點(diǎn)內(nèi)施工，采用鋼筋混凝土沉管護(hù)壁可充分利用高鐵天窗時(shí)間完成挖樁，及時(shí)進(jìn)行混凝土灌注，避免孔口塌方對(duì)行車造成的影響。

接觸網(wǎng)基礎(chǔ)護(hù)壁部分侵入既有線砟腳，施工過(guò)程中靠近線路方向設(shè)置擋砟板，防止道砟溜進(jìn)孔內(nèi)，保護(hù)既有道床。擋砟板采用厚3mm鋼板焊接而成，順線路方向尺寸為1.3m寬0.45m高，鋼板中心焊接1.3m長(zhǎng)角鋼（45mm×45mm×5mm），擋砟板采用直徑16mm的J型鋼筋錨固，每塊擋砟板需錨固4根鋼筋，錨固深度不少于40cm。擋砟板后道砟最高為32cm，放置擋砟板挖出的道砟向道心或枕木頭位置進(jìn)行補(bǔ)填，防止線路縱向位移，保證營(yíng)業(yè)線行車安全。

圖2 擋砟板樣式圖

圖3 J型鋼筋拉鉤樣式圖

接觸網(wǎng)基礎(chǔ)采用人工開挖成孔加預(yù)制鋼筋混凝土沉管護(hù)壁，樁孔開挖采用分節(jié)挖土法，人工手持十字鎬、鐵鍬進(jìn)行開挖，孔樁開挖按照掘進(jìn)一段、護(hù)壁一節(jié)的施工原則。基礎(chǔ)挖土順序?yàn)橄戎胁亢笾苓?，開挖一節(jié)支護(hù)一節(jié)。護(hù)壁內(nèi)徑1m，每節(jié)高度0.5m，壁厚5cm。第一節(jié)開挖深度至0.3m開始沉管做護(hù)壁，外露0.2m作為孔口鎖口，防止道砟等掉入孔內(nèi)。之后每次單節(jié)開挖深度控制在0.5m，保證孔口外露護(hù)壁0.2m；由淺至深不斷循環(huán)作業(yè)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)樁深。樁頂部分挖孔時(shí)應(yīng)注意保持挖孔的垂直度，需使用鉛垂線吊線檢驗(yàn)。同時(shí)，要控制孔徑，避免超挖。深度到位后再次對(duì)孔深、垂直度、孔位進(jìn)行檢驗(yàn)。鉆孔深度和垂直度測(cè)定采用測(cè)繩（錘）和吊繩進(jìn)行測(cè)定，不符合要求時(shí)應(yīng)由人工進(jìn)行修孔，直到符合設(shè)計(jì)要求，孔位檢驗(yàn)由測(cè)量人員進(jìn)行檢查。

為防止沉管護(hù)壁外側(cè)空隙對(duì)路基本體產(chǎn)生影響，每節(jié)護(hù)壁外側(cè)與土基間灌入細(xì)砂（0.125～0.25mm）；灌入細(xì)砂時(shí)需繞護(hù)壁周圍均勻灌入，同時(shí)輕敲護(hù)壁，保證灌入密實(shí)。挖孔完成后在孔口護(hù)壁周圍灌入水泥漿液，進(jìn)一步保證沉管護(hù)壁外側(cè)密實(shí)，防止雨水灌入護(hù)壁外側(cè)引起土基坍塌。挖出的土裝入提升吊桶內(nèi)，由三角架定滑輪提至地面后，就地裝袋碼放，人工抬運(yùn)出既有線后裝車?yán)摺?/p>

人工挖孔時(shí)保證每天點(diǎn)畢前將孔口用鋼板沖孔網(wǎng)覆蓋，并用膨脹螺栓固定在護(hù)壁鎖口，護(hù)壁提前預(yù)留或點(diǎn)前開好膨脹螺栓孔，采用膨脹螺栓將鋼板沖孔網(wǎng)固定，鋼板沖孔網(wǎng)厚8mm，沖孔率70%，沖孔網(wǎng)表面焊接4根12mm鋼筋防止在列車荷載作用下沖孔網(wǎng)飛起并沿線路滾動(dòng)?？卓诓捎肕10×80型號(hào)膨脹螺栓在沉管壁厚中心位置開孔，膨脹螺栓邊距護(hù)壁邊緣3.4cm。鋼板沖孔網(wǎng)設(shè)置4根直徑12mm的G型鋼筋錨固深度20cm，通過(guò)對(duì)鋼板沖孔網(wǎng)在水平放置狀態(tài)下、鋼板沖孔網(wǎng)與水平面呈15夾角兩種工況的受力分析，考慮250km/h高速列車通過(guò)產(chǎn)生的風(fēng)動(dòng)力，計(jì)算膨脹螺栓錨固力滿足要求，安全系數(shù)可達(dá)30倍，能夠有效保證列車運(yùn)行時(shí)不會(huì)引起鋼板沖孔網(wǎng)飛出，保證既有線行車安全。

圖4 鋼板沖孔網(wǎng)封口示意圖

圖5 鋼板沖孔網(wǎng)實(shí)物圖

施工過(guò)程中人工挖孔及鋼筋籠安裝均利用天窗點(diǎn)要點(diǎn)施工；鋼筋籠安裝、混凝土澆筑及施工過(guò)程中機(jī)具物料與接觸網(wǎng)之間不滿足安全距離時(shí)需接觸網(wǎng)停電才能繼續(xù)施工。鄰近施工過(guò)程中靠近既有線施工的大型機(jī)械采取接地措施，進(jìn)一步保證了既有線安全。

4 沉管護(hù)壁強(qiáng)度驗(yàn)算

為保證挖孔樁施工對(duì)既有線行車安全，針對(duì)路基上方人工挖孔樁混凝土沉管護(hù)壁采用大型通用有限元分析軟件MidasGTSNX建立整體有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，土體模型認(rèn)為各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布且同一土層為各向同性，考慮巖土工程中存在的開挖問題及樁基施工等問題的施工過(guò)程通常較為復(fù)雜，如分步驟開挖、分步加載的施工等，常規(guī)的分析方法計(jì)算起來(lái)十分困難，往往需要通過(guò)有限元對(duì)周圍土體的位移、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形等進(jìn)行分析。針對(duì)這類問題，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多的研究方法是有限元法，該方法可以用于求解非線性問題，可在計(jì)算過(guò)程中模擬各種復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系，易于處理非均勻介質(zhì)問題、模擬各向異性材料，適用于各種復(fù)雜的邊界條件。

整個(gè)分析過(guò)程分為11個(gè)階段：施加地基及既有線自重荷載、軌道列車荷載并清零—分步開挖樁基基坑并施工沉管護(hù)壁（每步開挖深度0.5m）—樁基施工，具體模擬過(guò)程如表1所示。

表1 施工階段說(shuō)明

計(jì)算可得到每個(gè)分析步下模型應(yīng)力場(chǎng)分布，隨著樁基開挖深度的增加，樁基基坑開挖對(duì)既有路基的影響逐漸增大，列出基坑開挖工況下的沉管壓力場(chǎng)分布如圖6、圖7所示。

圖6 沉管表面垂直線路向壓應(yīng)力

圖7 沉管表面沿線路方 方向壓應(yīng)力

沉管護(hù)壁采用C30混凝土預(yù)制，C30混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=14.3MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.43MPa。根據(jù)預(yù)制沉管護(hù)壁的受力分析結(jié)果，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.35，沉管護(hù)壁外表面法向最大壓應(yīng)力產(chǎn)生在3.5m～4.0m范圍，1.35×840kPa＜ft；沉管護(hù)壁外表面法向最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在3.5m～4.0m范圍，1.35×491kPa＜fc。由計(jì)算可知，混凝土沉管護(hù)壁強(qiáng)度滿足要求，安全系數(shù)較高。

5 社會(huì)效益分析

隨著高速鐵路建設(shè)腳步日益加快，人工挖孔樁施工工藝也將發(fā)展出不同形式的護(hù)壁結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而適應(yīng)不同的施工環(huán)境，此次闡述的兩種護(hù)壁結(jié)構(gòu)形式在未來(lái)高速鐵路站場(chǎng)改造中將得到更廣泛應(yīng)用，能夠適應(yīng)現(xiàn)如今對(duì)既有線施工的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求的境況，為更高效、安全、經(jīng)濟(jì)施工創(chuàng)造條件，從成本角度分析，永久鋼護(hù)壁雖然在一定程度上增加了成本，但其產(chǎn)生的護(hù)壁效果好于傳統(tǒng)護(hù)壁形式，更為安全，混凝土沉管護(hù)壁在一定程度上節(jié)約了施工時(shí)間，并大大降低了施工所需的材料和人力成本，是一種更為適用于既有高鐵路基上方天窗點(diǎn)挖樁成孔的施工方法，推廣意義很大。

6 結(jié)語(yǔ)

該施工方法對(duì)以后類似工程設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義，具有廣泛的推廣和應(yīng)用前景。目前我國(guó)有軌交通、橋梁工程正在飛速發(fā)展，站場(chǎng)改造要求標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，追求更高效、合理的施工方法尤為重要，而永久鋼護(hù)壁人工挖孔樁相對(duì)于傳統(tǒng)混凝土護(hù)壁具有護(hù)壁強(qiáng)度大、安全性高、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在營(yíng)業(yè)線增建二線工程方面具有明顯優(yōu)勢(shì)；混凝土沉管護(hù)壁相對(duì)于傳統(tǒng)混凝土護(hù)壁具有節(jié)約施工時(shí)間、施工周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，人工挖孔樁作為現(xiàn)代化高速鐵路站場(chǎng)改造施工將會(huì)大面積推廣和采用。