既有铁路顶进立交架空区地下巷道处理

田英杰

（中国铁路武汉局集团有限公司武汉工程建设指挥部，湖北武汉 430023）

0 引言

2019年3月28日，施工单位按照编制审批的施工方案和当日施工计划，进行既有铁路顶进立交支点桩作业，当支点桩P4E开挖至设计标高26.08 m，发现桩底不断有地下水涌出，抽水后继续向下探挖1 m，P4E桩底出现深约3 m、走向不明的巷道，且P4D、P4E两桩底部互通，遂暂停施工。据作业人员汇报，P3E、P5D桩开挖时，发现老旧木质结构；P5C桩开挖时，桩壁出现老旧砖墙。中国铁路武汉局集团有限公司工程建设指挥部（简称指挥部）走访附近居民，了解到该区域为年代久远采矿区，根据现场施工情况初步判断，线路下方可能存在多条、多层采矿巷道及竖井，桩底地质情况与设计不符。为确保施工和行车安全，指挥部多次组织设计、监理、施工单位和业内专家研讨论证，进行地质补充勘察，确定了可行的变更设计及施工方案。

1 概况

1.1 设计方案

棋盘洲长江公路大桥连接线阳新至大冶段下穿武九铁路立交工程，在武九铁路黄石至大箕铺K122+814.6相交，与铁路交角59°，铁路曲线半径2 800 m，曲线超高115 mm，线间距4.6 m，为双线电气化无缝线路，设计时速200 km。线路与框架平面示意见图1。

设计主体采用2-14.0 m整体式箱形框架桥，箱桥内道路为双向四车道，箱桥主体为斜交斜做。箱桥顶板至铁路轨底不小于1.2 m。单孔结构净宽14.0 m、净高8.3 m、净空6.9 m，箱桥顶板厚1.10 m、底板厚1.15 m、边墙厚1.20 m，沿铁路线方向全宽34.64 m，沿公路线方向全长21.00 m。框架采用C35混凝土，预制顶进法施工［1-3］。框架立面示意见图2。

图1 线路与框架平面图

图2 框架立面示意图

1.2 地质水文

桥址区属构造剥蚀低山地形，经长期剥蚀切割，外貌呈起伏地形。山势平缓，自然坡度10°～15°，切割深度约40 m，相对高差较小。植被较发育，灌木为主。

桥址区位于太子庙台褶束，未见明显断裂痕迹，地质构造相对简单。出露地层主要为燕山期中酸性侵入岩阳新杂岩体（Qδ52-1）地层及局部第四系冲积物（Q4ai），按地层的地质年代、形成机制及其物理力学性质，自地表往下各地层主要特征分述如下：①-1填土：褐灰色，松散，含少量碎石；①-2粉质黏土：褐灰-褐红色，可塑状，稍湿，含少量铁锰氧化物，局部夹强风化花岗岩块；②-1全风化角闪石英闪长岩：褐灰-青灰色，岩芯呈碎块状，手捏呈砂状，采取率70%；②-2强风化角闪石英闪长岩：青灰色，岩芯呈碎块状，采取率50%；②-3中风化角闪石英闪长岩：青灰色，岩芯呈碎块状及柱状，半自形粒状结构，块状构造，节理裂隙发育，主要矿物成分分为斜长石、钾长石、石英、角闪石，采取率50%。地下水：主要为基岩裂隙水及第四系上层滞水。

1.3 原施工方案

框架桥施工采用在公路大冶侧开挖预制基坑，施工顶进后背墙和预制箱桥。采用5孔16 m 100型工字钢架空线路，最大跨度10 m，顶进箱桥下横穿3组3片1束的60型工字钢作为横抬梁，箱顶设置槽钢滑道。两线间共用1片纵梁，4.94 m钢枕，支点为人工圆形挖孔桩φ1.5 m和φ1.8 m，深度16 m。箱桥顶进采用支点转换，边顶进边拆除P3、P4、P5排支点桩，箱桥就位，最后拆除P3E、P4E、P5E 3个阻力桩［4-5］。原架空立面和平面示意见图3、图4。

图3 原架空立面示意图

图4 原架空平面示意图

1.4 施工情况

发现P4D、P4E桩底孔洞时，框架主体已预制完成。线路外侧P3E、P3D、P4E、P4D、P5E、P5D等6根桩已按设计标高开挖成型，未浇筑混凝土，其他桩及顶帽均已完成浇筑。

2 补充地质勘探

为查明桥址采空区工程地质与水文地质条件，2019年4月19日—5月8日，湖北省交通规划设计院股份有限公司（简称湖北省交规院）地勘部门采用钻探、物探等方法，沿既有铁路两侧布设钻探孔10个、物探CT测线17对，对铁路架空区域进行勘察，初步推断P1—P3桩底无孔洞，P4—P7桩底情况不明。

5月29日，由湖北省交通投资集团有限公司组织召开工程勘察方案咨询专家会，确定按实际需要增加斜孔补充钻探，利用已施工完成的16 m支点桩作为临时支点，由施工单位配合，在线路下方开槽4 m净高提供钻探空间。湖北省交规院采用100型钻机，并定制改装钻机塔架、主动钻杆及钻杆，满足线下最小操作空间要求，以1桩1孔对桩底情况进行钻探，地质勘察结果显示：P3E、P3D、P5E、P5D、P3A、P3B、P3C、P2C桩底均无空洞；P4E、P4D已知空洞下方无第2层空洞；P5E、P5D有巷道坍塌形成的填充物。

7月9日，在对勘察结果显示无空洞的P3E桩灌注时，水泥浆从P3E桩底流入P4E桩洞内，经综合分析，P3E桩底有未探明空洞，采空巷道不规则，建议对P5B、P5C补强。

8月2—8日，对拟采用的补强桩基P8A、P8D、P8E、P9A、P9D、P9E等6根桩进行钻探，探明支点桩桩底至基岩面以下5倍桩径深度地质情况，钻探深度最大34 m，桩底未发现巷道、孔洞。

综合3个批次地质勘察情况判断，采空巷道大致由P3E沿线路东侧至P5C，穿过铁路分2支至P6A，深度位于桩顶下6.40～26.85 m，呈不规则布置，需对支点桩和架空体系进行补强设计。采空巷道地质勘察示意见图5。

3 地下巷道处理

3.1 方案研究

方案Ⅰ：对地下巷道进行人工探查和封堵：（1）对P4E、P4D桩孔和西南侧巷道入口进行抽水；（2）利用P4E、P4D桩孔和附近巷道进口，进行人工探查；（3）对铁路架空下方的巷道进行人工封堵；（4）用低标号或轻质混凝土对巷道进行填充。方案Ⅰ预估时间1～2个月，费用约100万元。

优点：对地下采空区的探查和处理最彻底；能完全保证铁路架空体系安全和高速公路下穿铁路立交桥运营安全；所用时间和费用较少［6-7］。

缺点：因地下巷道年代久远，前期钻探显示巷道局部有填充，怀疑巷道内有穿孔或坍塌现象，不能完全保证施工人员的人身安全。

图5 采空巷道地质勘察示意图

方案Ⅱ：废弃目前支点桩，重做支点桩。在架空范围P1—P7排，增加6排共26根支点桩，支点桩采用φ1.5 m直径钻孔桩，位于已灌注支点桩的中间，架空跨度不变。设计桩长不小于16 m，根据地勘资料，桩底穿过巷道底部不小于1.5 m。钻孔桩采用特殊的改装钻机，利用原设计挖孔桩作为临时支点，开槽5 m进行施工，根据现场开槽情况和位移监测数据，开槽方案安全可行。新架空体系完成后，对既有巷道采用钻孔注浆方式填充，保证箱桥基础安全。方案Ⅱ架空立面示意见图6（a）。

优点：不需对地下采空区探明和预处理，能完全保证铁路架空体系安全；钻孔桩施工不受16 m桩长限制；穿过地下巷道易于处理，安全风险较低。

缺点：需重做钻孔桩，费时较长，费用较高；根据地质资料显示，铁路下方除表层为4～6 m厚的路基填土，其余均为全风化和强风化角闪石英闪长岩，不太适合改装钻机的施工。

图6 架空立面示意图

方案Ⅲ：加桩，同时减小架空跨度。在箱桥顶进范围P2—P6排，增加4排共20根支点桩，支点桩采用φ1.5 m直径挖孔桩，位于已灌注支点桩的中间，与原有支点桩共同受力，将原跨度10 m的架空体系改为5 m，可减少近一半的桩顶荷载。桩长根据地勘资料中巷道情况确定，支点桩可采取多种措施穿过采空区，桩的承载能力能够保证。建议施工前在桩位中心处进行钻探，将钻探结果提供给施工单位参考。新架空体系完成后，对既有巷道采用钻孔注浆方式填充，保证箱桥基础安全。方案Ⅲ架空立面示意见图6（b）。

优点：不需对地下采空区进行钻探和预处理，能完全保证铁路架空体系安全。

缺点：需重做挖孔桩，费时较长，费用较高；在挖孔桩施工遇巷道时，安全风险较高。

方案Ⅳ：铁路临时改线。将本段铁路线路临时改线，改线线路最大半径为300 m，箱桥处与原线路线间距为15 m。既有线路中断，大开挖处理地基，然后现浇箱桥，再将线路改回。线路改线方案平面示意见图7。

优点：规避了架空风险，对地下采空区的处理最彻底、最安全，能完全保证铁路和公路下穿立交桥的运营安全。

缺点：费时最长、费用最高，存在大量征地拆迁。

3.2 方案比选

图7 线路改线方案平面示意图

本次立交顶进涵施工方案研究论证，重点研究在减小对运输干扰的前提下，确保施工、行车和后期运营安全［8-9］。因此，首要考虑的是架空体系的安全稳定性以及框架顶进到位后的运营安全，其次是经济效益比选，并且要加快既有线施工进度，降低风险，保证工期。结合上述几种方案，同时考虑施工工艺、施工环境、工程地质、施工机械等，综合考虑进行比选后选定方案Ⅴ（见表1）。

3.3 方案Ⅴ

为确保框架桥顶进施工顺利及武九线运营安全，建设单位组织勘察、设计、施工、监理等单位专家对棋盘洲下穿武九铁路立交线路下方采矿巷道处理方案进行论证，充分听取铁路局集团公司有关部门和设备管理单位的意见，确定在方案Ⅱ、Ⅲ基础上结合施工单位编制的方案进行优化，对原有架空体系予以补强。在P5轴两侧5 m处新增2排3根钻孔桩作为架空支点桩，设计桩长需穿过采空区深入岩层。支点桩布置在线路外侧，穿设大横抬梁，减少对线路的干扰［10］。目前，架空区存在不利地质条件，根据已钻探35个钻孔的情况，合理选择孔洞注浆，填充空洞。

表1 施工方案经济技术比选结果

3.3.1 巷道预注浆处理

地勘资料显示：P5C-1钻孔处在高程21.9～19.9 m有杂物和填充物，P5C-2钻孔处在高程21.18～19.28 m有空洞，P3E-2钻孔处在高程31.76～30.16 m有填充物，对此区域采用低压注浆处理。

注浆孔口压力控制在0.2～0.6 MPa，具体压力值和浆液配合比由现场试验确定。单孔注浆量按50 m³控制，超过50 m³仍未见压力超标或返浆，应停止注浆，通知地勘单位和设计单位处理。

3.3.2 采用大横梁对架空体系进行补强

（1）对原设计未设置横抬梁的架空P2、P6排支点桩，每处增加4根30型工字钢横抬梁以增加横向联系，改善架空支点桩的受力。

（2）在P4—P5排桩、P5—P6排桩各增加3根φ1.8 m钻孔桩支点桩，增加P8、P9大横抬梁，每处大横抬梁各采用4根16 m的I100型工字钢组装而成，工字钢之间采用螺栓连接，中间用硬木填塞，对架空支点桩桩底发现有采空区的架空体系进行补强（见图8）。根据地勘资料，新增P8、P9支点桩桩长见表2。

（3）桩基施工宜在巷道预注浆完成后实施，在线路外侧开挖施工平台，平台高程距离铁路轨底不大于5.2 m。施工单位应严格控制桩基施工设备与铁路限界、铁路接触网设备的安全距离。

表2 新增P8、P9支点桩桩长 m

（4）根据地质探明情况，钻孔桩采用冲击钻施工。

（5）桩基施工前，在桩位处进行地质超前钻，施工单位根据地质超前钻结果，调整桩基施工组织方案。为防止桩基漏浆塌孔，在超前钻或邻近钻孔显示有地下空洞或巷道的区域，采取钢护筒跟进的方式施工，同时预备抛填片石等。如发现实际情况与补充地勘资料不符，立即通知勘察设计单位处理。

（6）在P4D、P4E桩底巷道打设φ1.45 m、长3.5 m钢护筒，钢护筒穿过巷道3.0 m，进行P4D、P4E桩的浇筑。

图8 架空补强方案示意图

4 既有线施工安全措施

4.1 开展第三方架空体系监测

指挥部委托有资质的第三方监测单位对完成施工的支点桩、架空梁进行24 h动态控制。在立交架空体系27个支墩 （A1—A7、B1—B7、C1—C7、D1—D3、E1—E3）设置27个监测点，架空轨道纵梁每片设置4个（共12个）监测点，进行沉降和位移监测，监测采用全自动无人值守在线监测法。在基坑开挖、地质钻探、桩基施工、线路架空、顶进施工、拆除架空等施工期间，通过对监测数据的整理和分析，掌握施工过程中周边土体稳定性的变化规律，掌握地层和结构体系的状态及施工对既有铁路的影响，及时调整或确定相应的施工参数和施工措施，优化施工组织设计，指导现场施工，保证架空体系及线路状态绝对稳定。

4.2 加强线路巡视检查

为确保施工和营业线行车安全，在发现框架立交架空区域线路下方存在地下巷道时，立即暂停施工，由施工单位对线路设备进行24 h巡视检查，实行趟检制，并加强对既有路基的观察，防止路基下沉影响行车安全。

4.3 加强施工机械设备管理

每日作业前、作业中和作业后，需对投入使用的机具做全面检查。作业机具不得侵入铁路限界，卷扬机高度不得超出轨面15 cm。升降设备应装有必要的安全装置，如刹车、吊钩防脱器、断绳保险器及限位装置等。

4.4 开展架空体系人工测量复核

架空支点桩每12 h、架空梁限界每6 h，均需由专人检查1次。在施工地段线路两端各50 m内，每通过1趟列车或每2 h，需检查线路轨距、水平、高低、方向，发现问题及时整治。

4.5 严防触电伤害

所有施工机具、人员在非停电点内施工时，需与接触网带电设备保证2 m以上的安全距离。

5 结束语

既有线框架立交桥顶进施工时遇地下巷道，存在重大施工和运营安全风险，如不及时处理或处理不到位，将给后期铁路和公路运营带来安全隐患。通过本工程地下巷道和架空施工处理方案的研究，经过方案比选和充分论证，架空体系补强方案可行，在减小对运输干扰的前提下，施工安全风险较低、费用低、工期可控，能够确保施工和行车安全，为类似施工提供了可行的参考依据。