柴亮

（中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 蘭州工程建設(shè)指揮部，甘肅 蘭州 730031）

0 引言

高速鐵路的發(fā)展具有政治意義、經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)、社會效益和文化價(jià)值等，在鐵路工作者的共同努力下，我國已成為高速鐵路運(yùn)營里程最長、在建規(guī)模最大和商業(yè)運(yùn)營速度最高的國家［1］。隨著鐵路網(wǎng)的完善，新建鐵路在進(jìn)站前需接軌既有鐵路，形成路基幫寬結(jié)構(gòu)或涵洞接長結(jié)構(gòu)，且列車隨運(yùn)營速度的提高對軌下結(jié)構(gòu)要求更高，如何控制軌下結(jié)構(gòu)的變形是臨近工程的技術(shù)難題［2-3］。

當(dāng)鐵路幫寬段修筑涵洞接長結(jié)構(gòu)時(shí)，既有線涵洞結(jié)構(gòu)及過渡段在填筑階段和服役階段均已發(fā)生一定的工后沉降［4-6］。為降低新建結(jié)構(gòu)施工時(shí)對既有線的影響，李東等［7］分析高填土涵洞接長施工前，在既有路基側(cè)采用人工挖孔樁和H 型鋼板樁組合對既有路基開展防護(hù)，保證既有路基沉降在合理范圍內(nèi)；左家強(qiáng)［8］針對邯長、邯濟(jì)鐵路增建二線項(xiàng)目，為保證既有線涵洞施工安全，提出框涵和板涵接長涵洞類型及預(yù)制頂進(jìn)施工方案；連新奇［9］結(jié)合海南環(huán)島鐵路東段提速改造工程，提出鋼板樁和橫撐組合防護(hù)施工方案；陳濟(jì)洲［10］結(jié)合實(shí)際工程，基于鐵路既有線斜交蓋板涵接長施工的實(shí)際困難，提出側(cè)向頂進(jìn)框架涵方案。黃土作為一種特殊土，土體結(jié)構(gòu)在附加應(yīng)力或水分增加的作用下容易產(chǎn)生顯著的附加變形［11］，如何在黃土地區(qū)開展涵洞接長工程是面臨的技術(shù)難題之一，也是鐵路建設(shè)工程中的控制性工程之一。

以黃土地區(qū)鐵路幫寬段涵洞接長工程為背景，結(jié)合工程概況，剖析涵洞接長方案技術(shù)難點(diǎn)，基于防護(hù)方案和結(jié)構(gòu)施工方案確定優(yōu)化減控措施，監(jiān)測涵洞接長及其過渡段填筑施工階段既有線過渡段和涵洞變形數(shù)據(jù)，研究涵洞接長方案對既有線的影響。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

工程位于蘭州市永登縣樹坪鎮(zhèn)，工點(diǎn)內(nèi)地層巖性主要為砂質(zhì)黃土、粗砂和下伏泥巖夾砂巖。結(jié)合地勘資料，各地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 涵洞接長工況

涵洞接長工況示意見圖1，工點(diǎn)1 既有涵洞地基處理形式為灰土擠密樁，樁徑40 cm，樁長12 m，樁間距95 cm，梅花形布置。工點(diǎn)2 既有涵洞地基處理形式為水泥攪拌樁，樁徑50 cm，樁長14 m，樁間距120 cm，梅花形布置。涵洞接長段地基處理形式均為高壓旋噴樁，樁徑50 cm，樁間距140 cm，正方形布置，其中工點(diǎn)1樁長12 m，工點(diǎn)2樁長13 m。

圖1 涵洞接長工況示意圖

既有線元器件布置示意見圖2，對于既有線和新建線涵洞過渡段和基床表層均分別采用摻3%水泥級配碎石、5%水泥級配碎石（0.6 m）分層填筑。工點(diǎn)1 涵洞主體長15.75 m、寬6.00 m、高6.00 m，上行側(cè)接長7 m，下行側(cè)接長9 m；工點(diǎn)2 涵洞主體長15.00 m、寬4.00 m、高6.00 m，上行側(cè)和下行側(cè)接長均為13 m。如圖2 所示，既有線路運(yùn)營階段，距離涵洞構(gòu)筑物1 m 處設(shè)置監(jiān)測斷面，采用沉降觀測標(biāo)監(jiān)測（線路中心與路肩位置），同時(shí)新建路基施工前在既有線過渡段和涵洞頂部道砟坡腳位置縱向設(shè)置物位計(jì)。

圖2 既有線元器件布置示意圖

2 涵洞接長技術(shù)難點(diǎn)及施工方案

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

（1）防護(hù)方案實(shí)施困難。原涵洞接長防護(hù)方案（見圖3）與文獻(xiàn)［7］提出的防護(hù)方案相似，采用人工挖孔樁進(jìn)行支護(hù)，樁徑為1.0 m、樁長為8.0 m。既有路基地面線下由于存在復(fù)合地基，當(dāng)人工挖孔樁挖至該位置時(shí)，實(shí)施困難。同時(shí)對于工點(diǎn)1（見圖4），人工挖孔樁位置臨近接觸網(wǎng)立柱及其基礎(chǔ)，施工時(shí)不可避免會對其造成弱擾動，影響列車運(yùn)行安全；而且人工挖孔樁位于路堤本體內(nèi)，由于既有路堤填料為散粒體材料，在列車動荷載作用下，挖孔過程中或護(hù)壁強(qiáng)度形成前容易出現(xiàn)坍塌，威脅施工人員和既有線的安全。

圖3 原涵洞接長防護(hù)方案

圖4 接觸網(wǎng)立柱與涵洞位置關(guān)系（工點(diǎn)1）

（2）新舊結(jié)合易產(chǎn)生差異沉降。路涵過渡段漿砌片石破損見圖5，對于工點(diǎn)2，路涵過渡段兩側(cè)出現(xiàn)由于工后變形大引起的漿砌片石破損現(xiàn)象，結(jié)合過渡段一側(cè)沉降標(biāo)沉降-運(yùn)營時(shí)間關(guān)系曲線（見圖6），分析可知：沉降標(biāo)沉降值均隨運(yùn)營時(shí)間增長而增大，從運(yùn)營開始至2017 年底沉降較小，且基本處于穩(wěn)定趨勢；而后進(jìn)入由于長期降雨、凍脹和上部列車荷載等引起的非常態(tài)增速期，產(chǎn)生較大的非常態(tài)永久變形［12］；至2020年底，過渡段中心位置和兩側(cè)路肩位置工后沉降值分別為11.809、4.680、5.031 mm。由于新建線與既有線復(fù)合地基和填料固結(jié)程度的差異，在自質(zhì)量荷載和上部列車作用下，涵洞接長結(jié)構(gòu)和既有涵洞結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生差異沉降，且由于該位置前期工后沉降值較大，表現(xiàn)出不穩(wěn)定現(xiàn)象，當(dāng)新舊結(jié)合處剛性連接時(shí)，容易出現(xiàn)較大的附加應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫，因此采用設(shè)置接縫的柔性連接，但防水問題突出［13］。

圖5 路涵過渡段漿砌片石破損

圖6 沉降標(biāo)沉降-運(yùn)營時(shí)間關(guān)系曲線

（3）復(fù)合地基施工側(cè)向壓力大。新建線幫寬段復(fù)合地基選擇時(shí)，高壓旋噴樁既滿足施工機(jī)械凈空要求低、工藝簡單、施工周期短等要求，又可達(dá)到加固地基的目的，因此選取高壓旋噴樁復(fù)合地基作為地基處理形式［14-15］。結(jié)合高壓噴射注漿試驗(yàn)，注漿壓力為25 MPa，提升速度約0.2 m/min，結(jié)合文獻(xiàn)［16-17］提出的噴射壓力衰減經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算可得樁周壓力為220 kPa，該壓力可通過下部復(fù)合地基傳遞至既有路基過渡段和涵洞，產(chǎn)生變形影響列車運(yùn)營品質(zhì)，因此需實(shí)時(shí)監(jiān)測，控制既有結(jié)構(gòu)變形合理。

2.2 施工方案

結(jié)合涵洞接長技術(shù)難點(diǎn)，最終確定弱擾動涵洞接長施工方案：鋼板樁防護(hù)施工→工字鋼支撐安裝→既有八字墻鑿除→防水施做→涵洞基礎(chǔ)施工→涵洞主體施工。

（1）鋼板樁防護(hù)施工：八字墻外側(cè)采用SP-Ⅳ鋼板樁防護(hù)，其中鋼板樁單根長度6.0 m，頂部內(nèi)側(cè)設(shè)置Ⅰ20a型鋼，鋼板樁與工字鋼采用U型箍連接。

（2）工字鋼支撐安裝：采用Ⅰ32a型鋼對撐既有八字墻身加固既有線路基，其中既有頂板底以下50 cm為支撐上平面，順接長方向采用連接梁焊接3根工字鋼為整體，工字鋼與八字墻采用墻內(nèi)鉆眼植筋焊接固定。

（3）既有八字墻鑿除：對既有八字墻影響新建涵身部分采用風(fēng)鎬鑿除，同時(shí)需保證擋塊嵌入不破壞墻身。

（4）防水施做：既有八字墻切除后采用環(huán)氧樹脂砂漿找平，涂刷防水涂料，縫內(nèi)填塞聚乙烯泡沫塑料板與聚氯乙烯膠泥，涵洞頂部及底部防水采用背貼式橡膠止水帶，外層涂刷2道聚氨酯防水涂料，頂層施做3 cm厚C40細(xì)石混凝土。

（5）涵洞基礎(chǔ)施工：涵洞接長段高壓旋噴樁施工順序示意見圖7，高壓旋噴樁采用跳樁法相對新舊復(fù)合地基交界線由近及遠(yuǎn)施工，即先順序施工P1→P3→P5排樁（奇數(shù)），等樁體強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)要求的50%后，施工P2→P4→P6 排樁（偶數(shù)），其中不拆除八字墻的基礎(chǔ)范圍內(nèi)新建高壓旋噴樁不再施做，對于工點(diǎn)1和工點(diǎn)2，分別需施做9排和8排樁。

圖7 涵洞接長段高壓旋噴樁施工順序示意圖

（6）涵洞主體施工：主要包含底板、側(cè)板、頂板和八字墻澆筑4個階段，期間進(jìn)行鋼筋工程施工和模板安裝。

3 監(jiān)測結(jié)果

3.1 弱擾動防護(hù)方案實(shí)施階段變形

各工點(diǎn)物位計(jì)變形隨防護(hù)方案實(shí)施時(shí)間關(guān)系曲線見圖8，其中工點(diǎn)1 既有上行線八字墻鑿除施工處施工完成后，分析可知：當(dāng)上行線和下行線鋼板樁施工時(shí)，物位計(jì)變形均隨實(shí)施時(shí)間而增加；當(dāng)工字鋼支撐安裝時(shí)，物位計(jì)變形均減小，其中涵洞上側(cè)物位計(jì)變形為0.139～0.264 mm，而涵洞過渡段位置物位計(jì)變形較小（<0.1 mm）；當(dāng)既有八字墻鑿除時(shí)，對本側(cè)物位計(jì)變形影響較大，且涵洞上側(cè)物位計(jì)變形呈減小趨勢，而過渡段位置物位計(jì)變形呈增大趨勢；對于工點(diǎn)1和工點(diǎn)2，物位計(jì)W1-W4變形均出現(xiàn)在鋼板樁施工階段，分別為0.085、0.145、0.364、0.371、0.136、0.197、0.424、0.481 mm，表明弱擾動防護(hù)方案實(shí)施對既有線的影響較小。

上述數(shù)據(jù)變化是復(fù)合作用的結(jié)果，在鋼板樁施工時(shí)，對既有路基本體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生側(cè)向力，且在高密實(shí)度粗顆粒路基填料中，該現(xiàn)象更明顯，而在既有八字墻鑿除時(shí)起到約束既有路基側(cè)向變形的作用［18］；工字鋼支撐結(jié)構(gòu)自質(zhì)量直接作用至涵洞結(jié)構(gòu)，對涵洞結(jié)構(gòu)豎向變形影響較大，同時(shí)后期可提高涵洞結(jié)構(gòu)的抗變形能力；既有八字墻部分鑿除既降低了自質(zhì)量又降低了對既有線路基的約束作用。

3.2 涵洞接長結(jié)構(gòu)施工階段變形

工點(diǎn)1物位計(jì)變形隨各階段施工時(shí)間關(guān)系曲線見圖9，其中上行側(cè)復(fù)合地基處理時(shí)間為2021年6月15—18日，下行側(cè)復(fù)合地基處理時(shí)間為2021年7月20—24日，分析可知：當(dāng)上行側(cè)復(fù)合地基處理時(shí)，上行側(cè)物位計(jì)W-2和W-3變形隨每日地基處理施工和間歇呈先增加后減小，且涵洞頂部W-2變形隨復(fù)合地基處理時(shí)間整體而增加，而過渡段位置W-3僅在P1和P3排樁施工時(shí)，變形較明顯，而后呈下降趨勢，上行側(cè)復(fù)合地基施工完成后，W-2和W-3 的隆起變形分別為0.597、0.317 mm，而下行側(cè)物位計(jì)W-1和W-4變形較小；當(dāng)上行側(cè)涵洞接長結(jié)構(gòu)施工時(shí)，上行側(cè)物位計(jì)W-2和W-3變形在底板、側(cè)板、頂板和八字墻澆筑階段均發(fā)生突降，對于W-2，各階段對應(yīng)的變形值分別為-0.105、-0.924、-1.618、-2.186 mm，對于W-3，各階段對應(yīng)的變形值分別為-0.069、-0.304、-0.499、-0.714 mm，而對于下行側(cè)物位計(jì)W-1 和W-4變形值均較?。划?dāng)下行側(cè)復(fù)合地基施工時(shí)，下行側(cè)物位計(jì)W-1 和W-4 呈與上行側(cè)復(fù)合地基施工時(shí)物位計(jì)W-2和W-3 相似規(guī)律，均表現(xiàn)為涵洞上側(cè)物位計(jì)隆起變形大，過渡段隆起變形小的規(guī)律，當(dāng)下行側(cè)涵洞接長結(jié)構(gòu)施工時(shí)，上行側(cè)物位計(jì)變形隨各階段施工發(fā)生突降；至涵洞接長結(jié)構(gòu)施工完成，W-1 至W-4 變形值分別為-3.092、-2.451、-0.859、-1.184 mm，由于兩側(cè)復(fù)合地基處理區(qū)、涵洞接長結(jié)構(gòu)區(qū)別和施工時(shí)間不同，導(dǎo)致涵洞上側(cè)（W-1、W-2）和過渡段位置（W-3、W-4）兩側(cè)物位計(jì)變形值出現(xiàn)差異，且最大差異值均出現(xiàn)在下行側(cè)復(fù)合地基處理結(jié)束，最大差異值分別為2.873、0.706 mm。

圖9 物位計(jì)變形隨各階段施工時(shí)間關(guān)系曲線（工點(diǎn)1）

為降低涵洞上側(cè)和過渡段位置兩側(cè)變形值的差異對既有線軌道水平值的影響，工點(diǎn)2涵洞接長結(jié)構(gòu)施工采用橫向?qū)ΨQ施工，工點(diǎn)1 和工點(diǎn)2 過渡段填筑均采用縱向和橫向?qū)ΨQ施工（見圖10）。

圖10 對稱施工

對于工點(diǎn)2物位計(jì)變形隨各階段施工時(shí)間關(guān)系曲線見圖11，分析可知：涵洞上側(cè)物位計(jì)W-1 和W-2 變形均隨復(fù)合地基施工波動，整體呈上升趨勢，至復(fù)合地基施工完成，變形值分別為0.676、0.877 mm；過渡段位置物位計(jì)W-3 和W-4 變形隨復(fù)合地基施工先增加而后降低；復(fù)合地基施工后期，靠近下行側(cè)過渡段位置由于物料堆積，對于涵洞上側(cè)和過渡段位置，下行側(cè)物位計(jì)變形值均低于上行側(cè)；當(dāng)涵洞接長結(jié)構(gòu)施工時(shí)，W-1至W-4變形值均隨底板、側(cè)板、頂板和八字墻澆筑突降式減小，至涵洞接長結(jié)構(gòu)施工完成，W-1至W-4變形值分別為-2.636、-3.009、-1.109、-1.310 mm，且W-1和W-2變形值明顯高于W-3和W-4；涵洞上側(cè)和過渡段位置最大差異值分別為0.373、0.201 mm，結(jié)合圖9對比分析，對于涵洞接長段施工，采用橫向?qū)ΨQ施工可明顯降低涵洞上側(cè)和過渡段位置兩側(cè)變形值的差異對既有線軌道水平值的影響。

圖11 物位計(jì)變形隨各階段施工時(shí)間關(guān)系曲線（工點(diǎn)2）

3.3 過渡段填筑階段沉降

對于工點(diǎn)1 和工點(diǎn)2，物位計(jì)沉降-填筑-時(shí)間曲線關(guān)系見圖12，分析可知：隨著填筑高度增加，各工點(diǎn)物位計(jì)沉降值均非線性增加，且各填筑階段過渡段位置沉降變化值均高于涵洞上側(cè)，涵洞上側(cè)與過渡段位置沉降差值先減小而后逐漸增大，工點(diǎn)1 和工點(diǎn)2 最大沉降差值分別為6.436、6.954 mm，由于上行線和下行線中心位置距離道砟坡腳約2.7 m，實(shí)測工點(diǎn)1和工點(diǎn)2上行線和下行線軌道前后高低值分別為0.8 mm/（10 m）、1.1 mm/（10 m）和1.1 mm/（10 m）、1.2 mm/（10 m），均低于控制值（3 mm/（10 m））；對于工點(diǎn)1，至過渡段填筑完成W-1 至W-4 沉降值分別為7.584、6.349、12.635、14.020 mm；對于工點(diǎn)2，至過渡段填筑完成W-1 至W-4沉降值分別為12.593、14.125、20.528、19.547 mm，均滿足工后沉降值要求（≤5 cm）。

圖12 物位計(jì)沉降-填筑-時(shí)間曲線關(guān)系

分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生原因：假定各層為均布荷載（P）（見圖13），隨著新建線過渡段逐層填筑升高，同時(shí)由于過渡段縱向長度隨高度增加逐漸增長，其對既有路基影響范圍逐層增大，過渡段位置物位計(jì)沉降值隨填筑高度增加而非線性增加；過渡段填筑層對涵洞結(jié)構(gòu)的影響可分為側(cè)部區(qū)域和上部區(qū)域，其中對于側(cè)部區(qū)域，通過涵洞側(cè)壁和下部復(fù)合地基影響涵洞結(jié)構(gòu)，對于上部區(qū)域，對涵洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向應(yīng)力與填土高度和涵洞寬度之比相關(guān)［19］；隨著新建路基橫向?qū)挾鹊脑黾佑绊懛秶嘀饾u增大，則出現(xiàn)對于工點(diǎn)1下行側(cè)過渡段填筑影響大于上行側(cè)的現(xiàn)象。

圖13 填筑階段各層均布荷載附加應(yīng)力等值線示意圖

4 結(jié)論

以黃土地區(qū)鐵路幫寬段涵洞接長實(shí)際工程為背景，針對涵洞接長技術(shù)難點(diǎn)，優(yōu)化施工方案，基于各階段監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究涵洞接長方案的適宜性及各階段施工對既有線的影響，得到如下結(jié)論：

（1）結(jié)合黃土地區(qū)涵洞接長技術(shù)難點(diǎn)，確定弱擾動涵洞接長施工方案：鋼板樁防護(hù)施工→工字鋼支撐安裝→既有八字墻鑿除→防水施做→涵洞基礎(chǔ)施工（跳樁法）→涵洞主體施工，結(jié)果表明弱擾動防護(hù)方案對既有線的影響較?。?0.5 mm）。

（2）采用涵洞接長結(jié)構(gòu)橫向?qū)ΨQ施工可明顯降低既有線兩側(cè)變形值的差異對既有線軌道水平值的影響，涵洞上側(cè)和過渡段位置最大差異值分別從2.873、0.706 mm（工點(diǎn)1）降低至0.373、0.201 mm（工點(diǎn)2）。

（3）隨復(fù)合地基施工，本側(cè)涵洞上側(cè)變形呈波動上升趨勢，過渡段位置變形先增加而后降低；當(dāng)涵洞接長結(jié)構(gòu)施工時(shí)，本側(cè)涵洞上側(cè)變形值隨涵洞接長結(jié)構(gòu)各階段澆筑突降式減小，且明顯高于過渡段位置。

（4）路涵過渡段填筑階段，各工點(diǎn)物位計(jì)沉降值均隨填筑高度的增加而非線性增加，且各填筑階段過渡段位置沉降變化值均高于涵洞上側(cè)；至過渡段填筑完成，兩工點(diǎn)產(chǎn)生的最大軌道前后高低值分別為1.1 mm/（10 m）和1.2 mm/（10 m），最大沉降值分別為14.020 mm 和20.528 mm，均滿足前后高低值（3 mm/（10 m））和工后沉降值（≤5 cm）控制要求。