珠三角城际轨道桥梁路基土石方开挖施工技术研究

张利华

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222)

珠三角城际轨道桥,是服务于珠江三角洲中心城市及主要城镇间的交通枢纽。珠三角城际轨道桥梁施工技术以平稳、安全、适用为首要原则，以经济、环保、节能为次要追求。在桥梁建设项目中，路基是最基本也是最重要的施工部分之一，连接着隧道和桥梁的同时影响着桥梁的质量、稳固及使用寿命，但在实际施工过程中，针对路基的土石方开挖施工相对困难，往往出现边坡塌方、水平位移以及路基沉陷等现象，易导致桥梁在投用后出现结构性裂缝[1]。

为确保桥梁的施工质量，本文深入研究了珠三角城际轨道桥梁路基土石方开挖施工技术，分析了场地处理、坡度监测、土石方计算等三种开挖前期施工准备工作，深入研究了三种路基土石方开挖技术以及路堑边坡修整、塌方处理、井点降水等施工方法和注意事项，并以广东省深圳市的一处轨道桥梁施工项目为分析对象。分析结果表明，本文研究的路基土石方开挖施工技术沉陷变形小、水平变形小，具有较高的稳定性和安全性，满足国家对隧道桥梁的施工标准，且能进一步提升桥梁的应用性能。

1 珠三角城际轨道桥梁路基土石方开挖前期施工准备

1.1 场地处理

要完成场地的挖掘工作首先要对场地进行处理操作，本文设计的场地处理操作主要包括三个工序，分别为场地防排水处理、彻底清理、拆除操作[2-3]。

未知的排水系统会对道路桥梁路基施工工程造成安全隐患和工作障碍，为此在场地挖掘前进行场地排水系统的勘查，排除一切与建筑工程施工没有关系的排水管道和系统。施工过程中所有的检测勘查操作的原则都是避免或者少借助外界条件完成操作，因此本文以道路桥梁施工场地现有的施工环境出发，以周围有效因素为辅助，采用横纵向排水法，即在需要勘查的位置根据比例灌入一定量的水，如果一定时间内场地没有出现湿润状况，则表示该区域存在多余的排水管，需进行剔除。

场地多余的排水管道处理后，接下来需要对场地周围影响道路桥梁施工的植被、土堆、垃圾等干扰因素进行处理，最大程度地降低对施工的干扰，简化施工难度。在清理垃圾或者农作物时，要通过正确方法处理，需要切断根源，切不可简单解决，留下隐患。最后对道路桥梁施工范围内的涵洞、旧桥梁、障碍物等其他影响建筑物应通过正规途径予以拆除，保证场地挖机的安全性和场地地基的稳定性[4-5]。

1.2 基于传递系数的路基边坡监测

考虑珠三角城际轨道桥梁路基存在边坡，为预防滑坡现象对施工进程的干扰，需布置相应的监测系统监测边坡的斜率及稳定性，从而了解滑坡情况，对施工进程进行调整[6-7]。

正式开挖前，首先在边坡面钻取3个孔洞为监测点(见图1)。

图1 路基开挖边坡监测孔布置示意图

在距离监测点稳定层1m深处安装测斜仪导管，从而确保测量精度和导管的稳定，斜率的计算公式如下：

式中K——斜率；

a——坡面与水平地面的夹角；

(x1,y1)、(x2,y2)——坡面上监测点在二维参考系中的坐标[8]。

边坡的稳定性是预测路基滑坡的重要参考依据，根据桥梁项目的施工特点，以传递系数法为计算基础计算边坡的稳定系数，计算公式如下：

Ti=(Ci-Cbi)cosφ+Pisinφ

Ri=(Ci-Cbi)sinφ+Picosφ

以上式中S——稳定系数，并规定S值越大，坡面越稳定即滑坡现象的发生概率越低；

C——路基土体的黏结强度；

i——边坡表面的内摩擦角标准值；

Ti——坡面的反向力；

Ri——坡面的抗滑力；

Pi——坡面的动水压力[9-10]。

1.3 路基土石方计算

路基土石方的计算是设计路基开挖方案的重要步骤，通过在开挖路基填埋里程桩，记录里程桩的编号和高度级，连续里程桩之间的土方数量相加等于路基土方的工程数量，且相邻里程桩之间的直线距离与土石方表面横截面积的乘积也等于相邻里程桩间所需的土石方数量。基于以上关系，总结出两种路基土石方计算方法，即零起点计算方法和横截面积计算方法[11]。

1.3.1 零起点计算

传统零起点计算方法，是将原始开挖路基看作一条直线进行计算，以挖掘路基的某一角点为零点，在计算过程中，里程桩的位置发生重合，填筑物的起点和终点发生交合，造成许多计算漏洞，使得土石方数量值不准确。因此目前在隧道桥梁建设中采用的零起点计算方法是对传统计算方法的改进，将需要计算土方量的相邻的两个里程桩方向延伸，保证挖掘深入和挖掘面积均为0，把一个0点设置为起点，则另一个0点为终点，以一个里程桩为计算对象，对整体的挖掘工程，进行多次计算，不仅不影响整体的施工进程，而且使路基土石方的计量数值更加准确，计算过程更加清晰有序，当发生计算失误时，按照计算顺序进行反向计算，寻找到错误步骤，进行重新计算，节约了重新计算的时间[12-13]。

1.3.2 横截面积计算

基于横截面积路基土石方计量方法具有全局性和精确性的优点，可以满足整体开挖施工作业的设计和施工要求，其计算原理是由总面积减掉部分未完工面积，从而得出整体的横截面积，不仅计算简单且结果准确，由相邻里程桩之间的直线距离与土石方表面横截面积的乘积计算土石方量，多次累加计算结果，得出最终总土石方量。横截面积见图2。

图2 横截面积示意图

根据图2，当路基边坡处于稳定状态，斜率未发生变化时，横截面积的计算公式如下：

An=Aφ-A-(A1+A2+……+An-1)

式中Aφ——土石方未完成的横截面积；

An——第n层土石方的横截面积；

A1——第一层土石方的横截面积。

由上述公式计算出的横截面积为初步计算数值，不代表整体土石方建筑量，为保证后续横截面积的计算，需对挖掘深度H进行实时测量，保证测量精确度，才能确保最终计算结果的准确[14]。

2 珠三角城际轨道桥梁路基土石方开挖的施工技术

珠三角城际轨道桥梁路基土石方开挖的施工技术包含路基开挖、路堑边坡修整、塌方处理、井点降水等多种施工技术(见图3)。

图3 珠三角城际轨道桥梁路基土石方开挖施工内容分解

2.1 路基土石方开挖技术

针对珠三角城际轨道桥梁路基土石方开挖的技术大致分为纵挖、横挖和混合挖三种。

2.1.1 纵挖技术

纵挖可以分为分层纵挖、分段纵挖以及通道纵挖三种开挖方法。分层纵挖是指在路基开挖时，以路堑的全宽度方向为挖掘方向，进行纵向层次挖掘，适用于路堑较长的隧道桥梁建设。若开挖路基相对平缓，可选择横向铲土、下层推运的挖掘方法。若开挖路基相对陡峭，可利用推土机协助施工作业，从而提升安全性和施工效率。分段纵挖是以路堑方向为挖掘方向，沿线选取多个挖掘点，以挖掘点为分界标志划分挖掘路段进行分段土方开挖，适合用于路堑较厚的隧道桥梁建设，若路基的路堑较为薄弱，可选取横挖技术。通道纵挖是以路堑的纵向方向为通道的挖掘方向，通过不断拓宽通道直至上层通道到达路堑边坡位置，开始挖掘下层通道，相较于其他两种纵挖方法，通道纵挖法操作简单、工艺难度低，且便于运输车辆行驶，能够保证路基土石方的开挖效率[15]。

2.1.2 横挖技术

横挖根据挖掘层次可分为单层横向挖掘和多层横向挖掘两种方法。单层横向挖掘即对路基不进行层次分割，直接挖掘，适用于路基挖掘长度短、挖掘深度浅的隧道桥梁挖掘。多层横向挖掘首先需考察路基土质，对路基进行层次划分，路基土质越丰富，划分的层次越多，适用于路基挖掘长度短、挖掘深度大的隧道桥梁挖掘。在进行多层次横向挖掘施工中，遵循多层次、多方向的施工原则，即每一层的开挖深度不同，针对不同层数的开挖方向和开挖方案也各不相同，对于简单层次，可采用合适的机械设备进行工作，从而提升工作效率。而对于较为复杂的挖掘层次，需要增加施工人员，进行人工挖掘，以提升挖掘精度。每一层的施工深度d计算公式为

2.1.3 混合开挖技术

混合开挖技术是指纵向开挖和横向开挖在隧道桥梁路基土石方开挖中的有效结合和技术匹配，用来针对特殊路基，从而达到效率提升的目的。例如，当施工路基土质丰富、路堑长、挖掘深度大时，可以沿着路堑方向进行纵向挖掘，然后划分横向层次进行横向挖掘，从而拓展挖掘面积，在保证挖掘质量的同时还能提高挖掘速度，适用于克服困难路基的挖掘工作。

2.2 路堑边坡修整和塌方处理

随着开挖工作的进行，受挖掘力度和深度的影响，路堑边坡可能发生一定的形变甚至塌方，因此需根据挖掘进度适当进行路堑边坡修整和塌方处理。针对路堑边坡修整通常采用人工修整方法，在路堑边坡增加防护措施，增强边坡的稳定性，并采用浆砌石片修补凹槽。在边坡上插入行杆，连接挂线，利用全站仪坐标法测量坡面标高h，以确定边坡缘与路基中线之间的距离HPD。距离计算公式为

式中 KPD——所求点桩号；

KQD——竖曲线起点桩号；

i1——起始点坡度；

R——竖曲线半径。

造成边坡塌方的主要原因是路基的含水量较高，土质疏松，无法凝结，在挖掘作业产生的震动下，发生塌方。对于已经发生的塌方问题，可采用水泥碎石回填法稳定塌方表土，同时用方木稳固塌方处护壁，及时清理塌方土体。对于塌方预防，在挖掘作业中，排水沟的设置必不可少。通常情况下，采用分层法由下至上挖掘一条纵向渠道作为排水通道，能够有效排除雨水沉积和路基渗水，且为保证土方挖掘效果，在路基开挖成型后，应禁止机械设备进行挖掘作业，采用人工挖掘的方法进行作业，避免边坡破坏、土方超挖，有效降低边坡塌方事故的发生概率。

2.3 井点降水

井点降水的主要作用是降低地下水位。首先在距离路基开挖范围1m处布置排水沟，排水沟的构造材料为C15混凝土，直径在0.6～0.8m，厚度在10cm左右。根据现场路基挖掘情况，以4个里程桩区域为井点降水的单位降水范围，根据挖掘面积，安装排水管，每个单位区域安装3条排水管，在水泵的作用下，路基积水通过排水管流入排水沟，最后进行统一的积水处理。井点降水的工作原理见图4。

图4 井点降水的工作原理示意图

挖掘过程中，采用排水管进行排水，能够使水位降低至不影响施工的高度，且进一步降低了边坡塌方的概率，且在挖掘工作结束后，进行排水管的拔除工作，采用混凝土对排水管留下的安装孔洞进行填实，避免挖掘面的沉陷。

3 应用情况分析

为验证珠三角城际轨道桥梁路基土石方开挖施工技术的实际挖掘效果，以广东省深圳市轨道桥梁施工项目为分析对象(该项目位于深圳东南侧，总体平坦，局部存在路基边坡)，采用有限元软件对开挖出路基进行数值模拟，引用Mohr-Coulomb材料对路基土质成分进行模拟，并规定模型的约束条件为水平侧面约束、固定底面约束，制作的路基模型长、宽、高分别为60cm、50cm、30cm，通过路基模拟，在实验室内分析路基的土层结构，计算路基土层参数(见表1)。

表1 路基土层参数

针对上述路基土层参数计算结果，根据路基土体的特质，制定详细的路基土石方开挖方案，并严格按照挖掘方案进行技术监督，安排四个垂直监测点和三个水平监测点对挖掘后的路基进行沉陷变形和水平变形监测，观察挖掘后10天路基的水平变形程度和沉陷变形程度，将以上两种变形程度作为判断该路基土石方开挖施工技术挖掘效果的评价指标。挖掘后路基的沉陷变形情况见图5。

图5 挖掘后路基的沉陷变形情况

从图5可以看出，随着天数的增加，四个检测点所检测的路基均发生了逐步沉陷变形，最深的沉陷变形为20mm，当挖掘五天后，路基的沉陷变化开始缓慢，在挖掘10天后，路基趋于稳定状态，不再发生沉陷。根据国家相关标准，路基沉陷变形的允许范围在0～100mm，由此可以看出，本文研究的路基土石方开挖施工技术能够对挖掘后的路基进行沉陷控制，且具有较强的沉陷变形控制能力。该开挖施工技术能够针对不同土质的路基选择合适的开挖方法，清除松软土基，使挖掘面为性质稳定的土层，确保整体的开挖表面趋于稳定。挖掘后路基的水平位移变形情况见图6。

图6 挖掘后路基的水平位移变形情况

从图6可以看出，三个水平监测点所监测的路基发生了水平变形，且变形发生在路基两端，当挖掘四天后，靠近边坡的一端水平变形到达最大程度0.15m，随后靠近边坡一端的水平变形趋于稳定，远离边坡的一端开始发生水平变形，当挖掘后的第10天，远离边坡的一端水平变形到达最大程度0.10m，根据国际相关标准，路基的水平变形的允许范围在0～1.5m，由此可以得出结论，本文研究的路基土石方开挖施工技术能够有效控制挖掘后路基的水平变形，该挖掘方法减轻了机械设备对边坡的振动影响，设置完善的排水措施，降低路基含水量，对边坡进行加固，有效避免了滑坡以及塌方现象，维护挖掘区域的水平稳定。

综上所述，本文研究的珠三角城际轨道桥梁路基土石方开挖施工技术在实际应用中能够将路基的沉陷变形和水平变形控制在允许范围内，进一步保证路基土石方的挖掘质量，满足珠三角城际轨道桥梁的建设需求。

4 结 语

随着我国建筑技术的不断精进，路基土石方开挖施工技术也逐渐受到重视，针对传统路基土石方开挖技术不合理导致的边坡塌方、水平位移以及路基沉陷，本文研究的珠三角城际轨道桥梁路基土石方开挖施工技术通过充分准确的施工前工作，仔细的现场清理，实时的路基边坡监测，选择合适的开挖技术，并辅以修整技术和降水技术，控制路基开挖时的沉陷程度和水平变形程度，保证了路基土石方开挖的安全性。但对于极端条件下的路基开挖和富水层、软土层等特殊土质路基的开挖，还需对施工技术进行完善，才能确保施工的质量和效率，从而建设出可持续利用的隧道桥梁。