明挖隧道下穿高速鐵路橋梁施工工法分析

藍(lán)盛鑫

（中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332005）

0 引言

隨著城市地鐵及城際鐵路的建設(shè)，明挖隧道施工不可避免地會下穿城市各個(gè)原有工程的建筑物或構(gòu)筑物，加大了明挖施工的復(fù)雜度。為降低造價(jià)，基坑開挖一般采用明挖法施工，明挖法采用分段、分層、分塊進(jìn)行施工，待土方開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后及時(shí)施工主體結(jié)構(gòu)。一般的明挖隧道在設(shè)計(jì)時(shí)通常為“圍護(hù)結(jié)構(gòu)+主體結(jié)構(gòu)”的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)隧道兩側(cè)有重要構(gòu)筑物或建筑物時(shí)，未對兩側(cè)建筑物進(jìn)行主動(dòng)保護(hù)。此施工方法受地質(zhì)情況、周邊建筑構(gòu)造物、基坑降水等情況影響，在實(shí)際施工過程極易導(dǎo)致周邊建筑構(gòu)造物出現(xiàn)沉降變形、基坑坍塌、基坑涌水等較大安全隱患，特別是當(dāng)明挖隧道需要下穿高速鐵路橋梁時(shí)，如果高速鐵路橋梁橋墩產(chǎn)生變形，會影響既有高速鐵路的安全運(yùn)營[1]。本文對新白廣城際廣州北~天貴路站明挖區(qū)間隧道進(jìn)行分析，總結(jié)明挖隧道下穿高速鐵路橋梁施工工法，為國內(nèi)外類似環(huán)境下明挖隧道施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況及施工情況

1.1 工程概況

新白廣城際廣州北~天貴路站明挖區(qū)間隧道在廣州市花都區(qū)平步大道北側(cè)下穿武廣客?；ǘ继卮髽?，下穿段新白廣城際鐵路里程DK36+945～DK36+990（約45m），從武廣客運(yùn)專線205#橋墩（武廣里程K2241+991.650）和206#橋墩（武廣里程K2242+024.37）間穿過，對應(yīng)橋跨的武廣客專線路里程為K2241+991.650～K2242+024.370，相交角度為90°?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)外輪廓線距離205#橋墩承臺最小距離約4.88m，206#橋墩承臺最小距離約3.3m。武廣客專與城際隧道位置見圖1。

圖1 下穿武廣客專花都特大橋衛(wèi)星平面圖

新白廣下穿武廣高鐵段2018年6月中旬開始施工，施工中采用了地層預(yù)注漿加固、隔離樁、隔斷墻、減小地下連續(xù)墻幅寬及增加多道內(nèi)支撐等技術(shù)措施。該明挖隧道現(xiàn)場實(shí)施過程中，對基坑周邊地表沉降、基坑深層水平位移、水位、冠梁位移、地連墻內(nèi)力、支撐內(nèi)力、高速鐵路橋梁的橋墩進(jìn)行監(jiān)測，各監(jiān)測項(xiàng)目在明挖隧道施工期間均未達(dá)到預(yù)警值（其中高鐵橋墩沉降累計(jì)值為-2.8mm，橋墩橫向水平位移累計(jì)值為-2.7mm，橋墩縱向水平位移累計(jì)值為-3.2mm，高鐵橋墩沉降差累計(jì)值為1.9mm），未發(fā)生監(jiān)測預(yù)警情況。明挖隧道頂板于2019年1月17日完成澆筑，截止到1月25日，明挖隧道基坑和花都特大橋橋墩各監(jiān)測項(xiàng)目均未達(dá)到預(yù)警值，實(shí)現(xiàn)了武廣客專160km/h的安全運(yùn)營。

1.2 施工原理

采用水泥漿或水泥-水玻璃雙液漿對地層進(jìn)行預(yù)加固，使地層預(yù)先固結(jié)，控制高速鐵路橋墩在明挖隧道施工時(shí)的變形。在高鐵橋墩與基坑之間設(shè)置一道隔離樁（見圖2），增加明挖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)與橋墩之間的屏障，降低既有高速鐵路橋梁變形過大的風(fēng)險(xiǎn)。增加隔斷墻，將下穿高速鐵路橋梁段落與其它明挖隧道段落分隔，將大基坑劃分為小基坑。減小地下連續(xù)墻幅寬，縮短單幅地下連續(xù)墻成槽時(shí)間，降低高鐵橋梁變形的可能。設(shè)置多道內(nèi)支撐，有效加強(qiáng)明挖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)，控制基坑變形，維持地層穩(wěn)定[2]。

圖2 施工流程圖

2 明挖隧道施工工法

2.1 施工準(zhǔn)備

涉及到營業(yè)線的施工，其施工方案需得到鐵路集團(tuán)的審批，且需獲得鐵路集團(tuán)相關(guān)科室的簽字蓋章，方案審批完成后與鐵路集團(tuán)簽訂安全協(xié)議，之后，按月向鐵路集團(tuán)提報(bào)施工計(jì)劃，按照獲批的施工計(jì)劃進(jìn)行施工，現(xiàn)場準(zhǔn)備好所需水電，平整場地，熟悉圖紙及完成技術(shù)交底后施工。

2.2 平整場地，布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測與施工同步

平整施工場地，設(shè)置圍擋，布置監(jiān)測點(diǎn)。基坑監(jiān)測按照設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場實(shí)際需要布置，監(jiān)測項(xiàng)目包括但不限于樁（墻）頂水平位移、樁（墻）頂變形、樁（墻）頂沉降、地面沉降、地下水位、支撐軸力、周邊管線變形、周邊建筑物變形及沉降、樁（墻）內(nèi)鋼筋應(yīng)力。監(jiān)測頻次按照設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行。高速鐵路橋墩墩柱沉降和水平位移測點(diǎn)布置在墩柱四角，地面及頂部共兩組，每個(gè)墩柱計(jì)8個(gè)水平和豎向位移監(jiān)測點(diǎn)，在施工前埋設(shè)好監(jiān)測點(diǎn)，對其進(jìn)行多次連續(xù)測量取其平均值作為初始值。各項(xiàng)監(jiān)測從地層加固開始進(jìn)行至基坑回填，基坑回填后按1次/周連續(xù)監(jiān)測至數(shù)據(jù)穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間不少于6個(gè)月。監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場以避免受施工干擾，設(shè)站點(diǎn)應(yīng)相互通視，具體監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3。

圖3 高速鐵路橋梁橋墩監(jiān)測點(diǎn)布置剖面圖

在施工之前，對高速鐵路橋墩及軌道采用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。對污水、雨水、給水、燃?xì)獾裙芫€進(jìn)行沉降及差異沉降監(jiān)測，明挖隧道監(jiān)測范圍取基坑結(jié)構(gòu)邊緣兩側(cè)各3.0H范圍。

監(jiān)測與施工同步進(jìn)行，監(jiān)測頻率及監(jiān)測方法應(yīng)用前遵循相關(guān)規(guī)范并應(yīng)經(jīng)審批。當(dāng)監(jiān)測數(shù)值出現(xiàn)突變或異常，加密監(jiān)測頻率并通知各參建單位，當(dāng)監(jiān)測數(shù)值出現(xiàn)預(yù)警時(shí)，駐站聯(lián)絡(luò)員馬上向鐵路集團(tuán)報(bào)告，客運(yùn)專線降速或暫停行駛。同時(shí)，應(yīng)組織參建各方及專家到現(xiàn)場查明原因，制定搶險(xiǎn)措施，馬上進(jìn)行搶險(xiǎn)。待重新檢測合格后客運(yùn)專線恢復(fù)正常行駛速度。

2.3 地層加固施工

對橋墩周邊及橋與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)間進(jìn)行注漿加固，加固深度為地表至弱風(fēng)化巖，加固平面寬度為高速鐵路橋梁上部結(jié)構(gòu)邊線投影外側(cè)各10m，從明挖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)至橋墩外側(cè)5m，如橋墩兩側(cè)地層存在砂層，加固范圍應(yīng)覆蓋砂層，砂層加固深度直至砂層底。

地層加固采用袖閥管注漿加固，材料采用水泥漿（地下水豐富情況時(shí)采用水泥-水玻璃雙液漿加固）。注漿孔間距為0.8m，按照梅花形布置，擴(kuò)散半徑0.5m。注漿施工必須先進(jìn)行工藝性實(shí)驗(yàn)，確定注漿的壓力、注漿時(shí)間、注漿量，堅(jiān)持先試后作的原則，以便調(diào)整注漿參數(shù)，注漿孔位布置見圖4。

圖4 注漿孔位布置平面示意圖

注漿施工后應(yīng)采用取芯校驗(yàn)，地層強(qiáng)度不小于0.5MPa。當(dāng)注漿效果達(dá)不到要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)注。

注漿壓力：0.2～1.0MPa，分3次，每次10～20min。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果和橋梁加固地層深度的實(shí)時(shí)調(diào)整，盡可能控制注漿壓力，低壓緩慢注漿。同類橋梁注漿加固前，應(yīng)對橋墩影響區(qū)地層段進(jìn)行注漿試驗(yàn)，確定合適的注漿壓力，在安全的前提下不影響橋墩。

注漿順序：先兩側(cè)基礎(chǔ)，后中間，交替注漿；碼頭附近的灌漿施工應(yīng)分段進(jìn)行。

為保證橋梁的安全，注漿施工時(shí)應(yīng)觀察周圍環(huán)境的變化。及時(shí)監(jiān)測和測量高鐵碼頭。當(dāng)橋墩變形時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整注漿壓力、注漿時(shí)間等注漿參數(shù)，必要時(shí)停止施工，采取可靠措施后繼續(xù)注漿。

2.4 隔離樁施工

隔離樁Ф-2m@1.35m設(shè)置在明挖隧道與高鐵橋墩之間。采用車載反循環(huán)鉆孔，保護(hù)黏土漿壁。孔檢合格后，盡快將鋼籠降下澆注。跳槽的構(gòu)建采用“二跳一”的方法。為防止相鄰樁因沖擊振動(dòng)倒塌或影響相鄰樁內(nèi)澆注的混凝土凝固，只有在相鄰樁的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后，才能將中間樁插入孔內(nèi)。隔離樁施工期間，應(yīng)定期對高鐵碼頭及相關(guān)工程進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)掌握變形情況。隔離樁施工完成后，應(yīng)檢測樁身的完整性和強(qiáng)度。

2.5 地連墻和隔墻的施工

高鐵橋段地下連續(xù)墻設(shè)置4m，明挖隧道高鐵橋段兩端設(shè)置橫向隔墻。隔墻也采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。連續(xù)壁由旋鉆、沖擊鉆和開槽機(jī)組成。明挖隧道基坑兩側(cè)應(yīng)先施工連續(xù)地下墻，后施工隔墻。膨潤土泥墻保護(hù)、泥漿配比、鋼籠分段吊裝和混凝土澆筑等各工序緊密銜接，減少各地下連續(xù)墻的施工時(shí)間。連續(xù)墻施工完成后，用雙管旋噴樁加固接縫，形成止水幕。旋噴樁的長度和標(biāo)高與連續(xù)墻一致。在高鐵碼頭建設(shè)過程中，及時(shí)監(jiān)測高鐵碼頭及相關(guān)工程的情況。連續(xù)墻、隔墻施工后，應(yīng)及時(shí)檢查，確保施工質(zhì)量。地下連續(xù)墻及隔斷墻布置平面示意圖見圖5。

圖5 地下連續(xù)墻及隔斷墻布置平面示意圖

2.6 井點(diǎn)排水施工

為防止基坑開挖過程中因基坑內(nèi)降水造成基坑外失水，導(dǎo)致地下水位下降及基坑外土體有效應(yīng)力增大導(dǎo)致基坑外土體發(fā)生固結(jié)沉降，坑外碼頭周圍應(yīng)設(shè)置水位觀察孔和補(bǔ)給井。在基坑開挖過程中，以管井排水為主，明渠排水為輔。

管井間距約為15m，降水量在開挖面以下1.0m?；娱_挖寬度小于25m，設(shè)置管井1個(gè)。管井為網(wǎng)狀過濾井，位于底板下方4.0m深。擋土墻旁設(shè)置300mm×400mm截水溝，每20m設(shè)置集水井。降水期間，應(yīng)及時(shí)監(jiān)測水位。如有異?；驍?shù)值警告，應(yīng)立即停止降水并補(bǔ)水。

2.7 基坑開挖及內(nèi)部支護(hù)施工

開挖采用分段、分層進(jìn)行，分段長度不超過3m。開挖支撐槽時(shí)，及時(shí)在槽底設(shè)置腰梁和下支撐。按第一次支護(hù)平衡對稱開挖后，工作面設(shè)兩個(gè)小開挖。

首先將基坑內(nèi)的土開挖至距頂梁和支撐墊底部5cm，鑿出導(dǎo)墻（開挖深度>1.5m時(shí)，鑿出兩側(cè)導(dǎo)墻，開挖深度<1.5m，鑿出內(nèi)導(dǎo)墻）、地下連續(xù)墻、樁頂浮漿至設(shè)計(jì)標(biāo)高，再做冠梁和混凝土支護(hù)。下一層土方開挖應(yīng)在最后一個(gè)支座強(qiáng)度達(dá)到80%以上后進(jìn)行，開挖達(dá)到下支座標(biāo)高后立即進(jìn)行支護(hù)施工。共設(shè)置四個(gè)支架（三個(gè)混凝土支架和一個(gè)鋼支架）。土方開挖時(shí)，連續(xù)墻接縫處應(yīng)焊接鋼板。

2.8 主體結(jié)構(gòu)施工

基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，應(yīng)迅速施工主體結(jié)構(gòu)底板，盡量減少基礎(chǔ)土方暴露時(shí)間，盡快封閉基礎(chǔ)。待基礎(chǔ)板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，拆除上支撐、施工主體結(jié)構(gòu)側(cè)壁頂板[3]。

3 質(zhì)量控制措施

3.1 灌漿加固質(zhì)量控制

水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，硅酸鈉模量2.4～3.4，濃度30～40。注漿順序?yàn)?0孔間隔注漿。根據(jù)工藝試驗(yàn)的注漿參數(shù)，可在30min穩(wěn)壓注漿后進(jìn)行最終注漿。注漿后應(yīng)驗(yàn)證地層巖心，地層強(qiáng)度不小于0.5MPa。注漿效果不好的地方應(yīng)增加注漿。

3.2 隔離樁質(zhì)量控制

鉆孔樁的豎向施工誤差不大于3/1000，樁徑允許偏差為0～+50mm，樁位允許偏差不大于20mm。施工時(shí)，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)圖，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向和水平施工誤差及最大允許水平位移，經(jīng)質(zhì)檢工程師驗(yàn)收合格后方可施工。鉆孔樁施工完成后，保證結(jié)構(gòu)凈空尺寸要求。隔離樁采用C35水下混凝土，樁高應(yīng)高于設(shè)計(jì)樁頂高度500mm。樁身混凝土保護(hù)層厚度不小于60mm，樁冠梁相應(yīng)混凝土保護(hù)層厚度不小于40mm。混凝土澆筑和鋼籠吊裝前，樁孔底部碴厚度不得>100mm?；炷翝仓?，距孔底500mm以內(nèi)的漿料比例應(yīng)<1.25；含沙量不得>4%；黏度不得>17~22s。試塊應(yīng)留在每個(gè)隔離樁的混凝土中。每個(gè)灌注等級至少保留一組標(biāo)本，每組保留3個(gè)標(biāo)本。

3.3 連續(xù)墻和隔墻的質(zhì)量控制

連續(xù)墻開槽時(shí)，采用高黏度、低失水的優(yōu)質(zhì)泥漿，形成韌性強(qiáng)的薄壁泥皮，保證開槽機(jī)械反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)墻體的穩(wěn)定性。另外，在開槽過程中要根據(jù)墻體的變化選擇外加劑，調(diào)整泥漿指數(shù)以適應(yīng)其變化。施工中防止泥漿滲漏，及時(shí)補(bǔ)充泥漿，保持穩(wěn)定開槽段所需的液位，保證泥漿位高于地下水位。施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制地面荷載，使墻體不會因施工附近荷載的影響而倒塌，以保證墻體的平整度；開槽、換泥、鋼籠吊裝、鋪管完成后，應(yīng)在經(jīng)檢驗(yàn)合格后立即澆筑水下混凝土，盡可能縮短罐壁的暴露時(shí)間。鋼筋籠應(yīng)穩(wěn)固、準(zhǔn)確、平整，以防止罐壁因鋼筋籠的上下運(yùn)動(dòng)而倒塌。槽縫處不允許有土壤。施工時(shí)，必須用接縫刷多次上下清理，直至接縫處沒有泥漿。應(yīng)嚴(yán)格控制管子埋入混凝土的深度，不得拉管。混凝土澆筑時(shí)，混凝土表面標(biāo)高應(yīng)由專職人員測量。

在加工過程中應(yīng)對鋼保持架進(jìn)行矯直，若銹蝕嚴(yán)重，應(yīng)予以清除。應(yīng)在鋼筋平臺上加工鋼筋籠，鋼筋籠主筋需要搭接時(shí)，應(yīng)在一側(cè)焊接，搭接長度應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范的要求。同一截面上焊接或搭接的鋼保持架的接頭面積不應(yīng)大于50%，并應(yīng)安排好間距。鋼筯籠偏差要求：主筋間距允許偏差+10mm，主筋豎向長度允許偏差+50mm，鋼筯籠直徑允許偏差+10mm；箍筋間距允許偏差為+50mm，鋼筋籠長度允許偏差為+100mm。

3.4 鋼筋混凝土支護(hù)和土方開挖的質(zhì)量控制

在樁頂和墻冠梁施工之前，樁頂應(yīng)切割至新拌混凝土面，外露鋼筋應(yīng)平直，設(shè)計(jì)要求的外露長度應(yīng)大于35d。冠梁澆筑前，必須清理殘?jiān)?、浮土和積水，排樁或地下連續(xù)墻必須與冠梁連接牢固，以免在連接處產(chǎn)生薄弱表面。

每層土方開挖前，必須將地下水位降至開挖標(biāo)高以下1m方可開挖。為避免大規(guī)模土方開挖和卸荷對高速鐵路橋梁的影響，基坑開挖采用分段、分層進(jìn)行。斷面長度不得超過3m，開挖按“開挖前支護(hù)、對稱開挖”的方法進(jìn)行。工作面配備兩臺小型挖掘機(jī)和一臺長臂挖掘機(jī)?；娱_挖應(yīng)先進(jìn)行中部，再擴(kuò)大到基坑開挖。應(yīng)控制基坑開挖底座的標(biāo)高。嚴(yán)禁超挖，機(jī)械開挖至井底以上30cm，嚴(yán)禁人工挖底和修補(bǔ)。為避免卸土帶來的“時(shí)空效益”，基礎(chǔ)暴露時(shí)間不得超過72h，開挖至基坑后及時(shí)施工主體結(jié)構(gòu)底板。

3.5 主體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制

主體結(jié)構(gòu)材料在使用前應(yīng)按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢測，不合格的材料不得使用。主體結(jié)構(gòu)的鋼筋連接采用機(jī)械連接或焊接，5d為雙面焊接，10d為單面焊接。同一截面的鋼筋接縫不得超過50%?；炷翑嚢枨埃瑧?yīng)經(jīng)常測定原料水分，嚴(yán)格控制混凝土配合比。澆筑過程中不得向混凝土中加水。夏季或冬季施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)添加促凝劑或促進(jìn)劑，以調(diào)整混凝土的初凝時(shí)間。底板施工應(yīng)迅速進(jìn)行，以減少底板的暴露時(shí)間。混凝土澆筑后應(yīng)及時(shí)養(yǎng)護(hù)。當(dāng)?shù)装鍙?qiáng)度>80%時(shí)，應(yīng)拆除上支撐，迅速施工側(cè)壁和頂板。主體結(jié)構(gòu)應(yīng)迅速封閉成環(huán)狀，避免因基坑暴露時(shí)間長而造成過度變形。

3.6 變形監(jiān)測質(zhì)量控制

變形監(jiān)測方案實(shí)施前應(yīng)經(jīng)審批，測量方法應(yīng)切實(shí)可行，測量精度應(yīng)滿足要求。所用儀器及設(shè)備使用前應(yīng)經(jīng)鑒定有效，并在鑒定有效期內(nèi)使用。測量過程應(yīng)定人操作，定人復(fù)核。測量用的基準(zhǔn)點(diǎn)遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場，測量點(diǎn)應(yīng)牢固可靠，并設(shè)置一定的防護(hù)裝置，避免在施工過程中被破壞，定期檢查測量點(diǎn)的點(diǎn)位。施工過程中按照相應(yīng)頻次實(shí)施監(jiān)測并及時(shí)將監(jiān)測成果反饋至各個(gè)參建單位。監(jiān)測數(shù)值出現(xiàn)預(yù)警或有增大趨勢時(shí)，加密測量頻次并及時(shí)發(fā)出預(yù)警通告[4]。

4 結(jié)束語

通過新白廣城際下穿武廣客運(yùn)花都特大橋工程的施工實(shí)踐，中鐵四局集團(tuán)有限公司逐步掌握了明挖隧道下穿高速鐵路橋梁施工的方法，形成了比較完整的明挖隧道下穿高速鐵路橋梁施工工法，獲得了明挖隧道下穿高速鐵路橋梁工程安全施工的基礎(chǔ)理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可為國內(nèi)外類似環(huán)境下明挖隧道施工提供指導(dǎo)。