既有铁路下穿工程路基变形控制和箱桥排水技术

（中国铁建投资集团有限公司，北京 100855）

随着国民经济的飞速发展，存量铁路、公路密度不断提升，交叉下穿工程日益增多。既有铁路下穿工程项目，需要在既有铁路正常运营的情况下，采取措施完成新建工程的安全施工和运营。此类工程具有其特有的风险因素，在工程实践中的控制措施也有其特殊性，往往是全线控制性工程。

1 箱涵顶进施工方法简介

目前既有铁路下穿工程施工主要采用箱涵顶进法[1]。箱涵顶进施工是在基坑滑板上预制箱涵，后置千斤顶顶推箱涵前进，从而穿越既有线路。箱涵顶进施工示意如图1。

图1 箱涵顶进施工示意图

2 主要风险源分析

受设计施工方案、水文地质以及人为因素等多种因素影响，既有铁路下穿工程安全风险源多种多样，主要风险源均与路基变形和箱桥排水有关系，可细分为以下4 种。

2.1 箱涵顶进

既有铁路下穿工程施工过程中，顶推基坑开挖和箱涵顶进两个阶段都会对既有线路基造成扰动。基坑开挖会引起周围土体水分丧失而固结，同时暴露土体失去基坑开挖侧的土压力，既有线路基土体将在主动土压力作用下向开挖侧产生移动，从而引起路基沉降与变形。箱涵顶进过程中，虽然一般均会对既有铁路线路进行加固，例如进行路基注浆、支撑桩及钢架进行路线架空等防护措施，但切削土体挖除势必会扰动掌子面前端土体的压力平衡，进而引起路基变形。

2.2 列车动载

在既有铁路线下施工时，列车动荷载将直接扰动下方土体。列车通过时会使轨道产生振动，振动荷载会进一步传导到路基上，引起路基土地振动，且振动荷载会随着列车通过速度正比递增，而且列车通行车次较多时，前后列车带来的振动能量将进行叠加，进而引起更大的路基扰动。振动荷载会增大土体的孔隙水压力，产生塑性变形，塑性变形的积累会引起地基土体沉降。上海一号线在土体主次固结沉降完成后的4 年内，在列车动荷载作用下，地基又产生了14cm沉降[2]。

2.3 施工降水

箱涵顶推下穿既有铁路，首先要开挖基坑。基坑开挖时，为维持基坑周围土体的稳定以及干作业要求，首先就要实施降水。由于需要下穿既有线路，通常要加大基坑开挖深度，进一步增加降水深度。降水施工会破坏原有地基的水土平衡，一方面降水时产生的曲线漏斗会导致孔隙水压力减小，当水位降深较大时，土体中砂石颗粒的压缩量会显著增大，另一方面随着降水时间的延长，黏性土固结也会持续增大。降水结束后，路基土体会产生回弹，从而对线路产生二次影响。同时，施工过程中会因降雨、施工用水等因素造成基坑积水，积水也会给工程带来危害。

2.4 箱桥积水

路线交叉路段风险既存在于施工阶段，也存在于运营阶段，其中箱桥积水是最主要的运营安全风险源之一。例如，某公铁交叉路段，公路变坡点间距长达4km，路面与地面的最大高差达7m，汇水面积达3 万平方米，如突发暴雨将对交通安全造成重大威胁，即使少量积水，也会由于摩阻力的瞬间减小而导致高速行驶中的车辆失控，所以在运营期必须高度重视箱桥积水的排除。

3 路基变形控制和箱桥排水措施

基于以上风险源的存在，必须采取相应的防控措施加以控制，以保障工程施工的质量和安全。

3.1 基坑开挖控制

基坑开挖尺寸主要根据箱涵大小并考虑滑板尺寸和预留工作空间来确定，在可以确保安全的条件下，应制定合理的施工方案，尽可能减少土方挖填。当施工场地狭小时，可以施做钢板桩围护，必要时配合进行坑内支撑。后背墙施工应与基坑开挖同步进行，为减少挖填量和后方土体的密实性，可在基坑开挖前首先施工钢板桩并兼做后背墙。

基坑开挖过程中，当开挖深度较浅时，路基沉降控制相对容易；当开挖深度较大后，对既有铁路轨道的影响会呈波浪形起伏，此时，需安排人员全天候监测铁路轨道的变形情况，沉降量偏大时应立即采取措施纠正，确保既有铁路的安全运营。当开挖深度快达到设计深度时，要避免扰动坑底土壤，一般预留20～30cm 土留待施工滑板前人工挖除。

施工降排水是基坑开挖过程中的重要一环，需要考虑排水沟和集水井等排水设施的尺寸，既可以保证基坑开挖干作业的要求，也有利于箱涵顶进工作的安全。基坑开挖时，应提前拟定开挖顺序和层次，以顺利排水。

3.2 箱涵顶进控制

箱涵顶进过程中，当将主体结构顶推至横梁下时，在顶板上安装钢垫板和滑轮并支撑住钢横梁底面，空隙打入木楔，间距4m 设置一排。当箱涵主体结构到达基坑围护结构跟前时，先拆除围护结构，再继续顶进。为保证安全，应在两排滑轮之间安放枕木，以分担滑轮承受的部分荷载，提高安全系数。箱涵顶推操作流程如图2。

图2 箱涵顶进基本操作流程

箱涵顶进施工应布置观察站，同步监测施工区域周边的变形情况。具体布置方法如下：观测站的位置应与施工区域保持安全距离，在箱涵顶板角部、后背墙及既有线路相应位置，设置标尺以便于观测。千斤顶顶进应利用列车通过的时间间隙进行，整个过程要在指挥人员的统一指挥下进行。顶进挖土应坚持列车通过时不挖、千斤顶顶进时不挖、监测异常时不挖的“三不挖原则”。

3.3 列车通行速度控制

列车通行速度对下穿顶推工程的路基变形具有重大影响，速度越快，变性越大，因此需要和铁路运营单位交涉对接列车通行速度。施工单位应提前向运营单位报送施工方案，重点是工程对列车运营速度的要求。此过程一般由铁路管理单位进行审批，列车调度员根据审批文件向有关单位发送限速通行指令。

3.4 基坑降水控制

基坑开挖前一般先施做管井，提前将地下水降至安全水位，如基坑开挖深度较大且地下水水量较大，单独利用管井降水效果不佳时，可考虑施工轻型井点配合管井一同降水。如图3。

图3 基坑降水示意图

3.5 线路路基加固控制

3.5.1 铁路线路加固

既有铁路下穿工程一般采用钢便梁搭配钢筋混凝土桩柱组合架空既有线路。线路架空法一般采用钢筋混凝土桩柱作为架空结构的基础，然后将钢便梁架设在桩基上以支撑既有线路。由于钢筋混凝土桩基难以拆除，可考虑采用SMW 工法桩等易于回收处理的桩基代替。同时，应在既有铁路轨道两侧用倒链将其固定，以防止顶推过程中的轨道偏移。

3.5.2 路基土体加固

为维持路基稳定性，保证箱涵顺利通过既有线路，需要对路基周边土体进行加固。路基加固一般采用注浆加固方式，注浆材料一般为砂浆，注浆压力视具体地质情况设定，箱涵顶进前对路基进行一次注浆，箱桥就位后对其二次注浆。注浆过程应注意连续进行，且应隔孔注浆，加固区域要覆盖整个下穿断面且有富余。路基及边坡加固还可结合拼接式螺旋钢桩[3]和模袋混凝土等工艺进行综合处理。

3.6 箱桥排水控制

交叉路段路面排水应摒弃之前“只排不蓄”的方式[4]，可考虑采用“集水井+渗井”组合方式排水。当积水量较小时，利用渗井自然排水，当积水量较大时，利用集水井内水泵进行排水。

3.6.1 集水井的应用

在交叉路段最低标高处施做雨水井，在交叉路段以外施做集水井，雨水井内水流通过波纹管汇集到集水井。集水井除了集水、蓄水之外，还可以作为蒸发池。集水井大小应结合当地最大单位面积降雨量、汇水面积和容量系数确定，原则是确保雨水能迅速排入集水井，集水井内水泵可以及时将过量雨水排入外部水系。为充分利用集水井的调蓄功能，集水井内可布置多级水泵。雨季来临，集水井首先利用自身容量汇集雨水，当水位达到第一预警值时，对应第一级水泵启动排水；当雨水量过大、一级水泵难以满足排水需求时，设置第二级水位预警值，水位到达第二级预警值时启动第二级水泵，一级水泵关闭；若仍然无法及时排水、水位升至第三级预警值时，可设置第一级和第二级水泵同时启动。如图4 所示。

图4 交叉路段路面排水示意图

3.6.2 渗井的应用

渗井可以通过施做穿过不透水土层的井管将集水井中剩余的少量积水引入地下较深的含水层。下部含水层要有一定厚度，可以容纳足量水流，最为关键的是下部含水层的水头高度要低于集水井内水头高度。由于土体侧向渗透性大于竖向渗透性[5]，所以渗井开挖时尽量增加直径以增大侧面积。渗井内应填充中粗砂，含泥量一般不超过5%，且粒径不宜过大，避免水土流固耦合作用的阻塞。渗井主要用于降雨量较小时，排水量需求小，不需动用水泵即可自然渗水，维护简单、成本较低。

4 结语

本文针对既有铁路下穿工程箱涵顶进施工路基变形以及运营期箱桥路面积水两方面风险，提出了较为具体的控制措施，对于建设期在基坑开挖、箱桥顶进、列车通行速度控制、基坑降水、线路加固和路基土体加固等方面制定了具体的施工控制措施，对于运营期交叉路段路面排水方案进行了研究，对工程实践具有一定的借鉴意义。