鐵路大橋主墩基坑支護(hù)設(shè)計(jì)施工技術(shù)范文

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摘要：針對(duì)跨石德鐵路特大橋的主墩深基坑臨近既有線的工程實(shí)例，綜合考慮了基坑位置的地質(zhì)、水文條件，并且結(jié)合施工場(chǎng)地受限的實(shí)際情況，采用了鋼筋混凝土防護(hù)樁作為支護(hù)主體、拉森鋼板樁作為止水結(jié)構(gòu)的基坑支護(hù)方案。制定了詳細(xì)的施工工藝，并且對(duì)支護(hù)主體進(jìn)行了理論計(jì)算。施工實(shí)踐表明：基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全有效，并且在一定程度上節(jié)約了施工成本。

關(guān)鍵詞：深基坑；支護(hù)設(shè)計(jì)；鋼筋混凝土防護(hù)樁

1工程概況

跨石德鐵路特大橋位于石家莊～濟(jì)南客運(yùn)專線SJZ－3標(biāo)段，橋梁的里程：改DK100＋485．80～改DK100＋663．3。跨石德鐵路特大橋位于沖積平原上，橋址處地勢(shì)平緩，種植玉米、冬小麥為主的多種農(nóng)作物，且有多條鄉(xiāng)村道路穿過。根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的地勘和水文資料，橋址區(qū)的地質(zhì)參數(shù)：地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層及第四系全新統(tǒng)上更新統(tǒng)沖積層，土質(zhì)由黏土、粉土細(xì)砂和中砂組成。另外，地面有人工堆積的雜填土。詳細(xì)的土層參數(shù)如表1所示。橋址區(qū)的水文參數(shù)：橋址區(qū)地下水類型為第四系孔隙潛水，地下水主要由大氣降水和地下水側(cè)向徑流組成，地下水水位埋深在1．40～4．00m（高程17．80～20．60m）。寒冷干燥、少雨雪。降雨量多集中在6～8月份，約占全年的70％。跨石德鐵路特大橋在239＃～242＃墩位采用（48＋80＋48）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，大橋在改DK100＋566．40里程處與既有石德鐵路斜交，交角為29°56′。連續(xù)梁的80m主跨需跨越石德鐵路（電氣化鐵路）上、下行線。為了減小施工對(duì)既有線的影響，連續(xù)梁采用平行既有線現(xiàn)澆施工，然后轉(zhuǎn)體，橋梁每個(gè)主墩位置的轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度為78m，轉(zhuǎn)體角度為29°56′，轉(zhuǎn)體重量為5420t。由于連續(xù)梁的轉(zhuǎn)體主墩240＃（改DK100＋534．55）和241＃（改DK100＋614．55）位于石德鐵路兩側(cè)，且距離運(yùn)營(yíng)的石德鐵路很近，因此兩個(gè)主墩的承臺(tái)基坑支護(hù)施工可能影響到運(yùn)營(yíng)線路的安全，需要進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)、合理施工，保證既有線的安全。

2基坑支護(hù)方案的確定

由于連續(xù)梁240＃和241＃主墩位置臨近營(yíng)運(yùn)繁忙的電氣化鐵路（石德鐵路），主墩承臺(tái)位置需要設(shè)置轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，因此主墩承臺(tái)由兩部分構(gòu)成：下節(jié)段（需布置下轉(zhuǎn)盤）為14m×4m×1．7m正方形結(jié)構(gòu)；上節(jié)段（需布置上轉(zhuǎn)盤）為八邊形結(jié)構(gòu)，厚度2．0m。橋梁兩個(gè)主墩承臺(tái)距離石德鐵路均較近，其中240＃墩位承臺(tái)距離石德鐵路最近，且底節(jié)承臺(tái)外邊緣緊鄰石德鐵路坡腳線，距離路肩的最近距離僅為3．26m，距離石德下行線中心線4．56m。240＃承臺(tái)與石德鐵路的平面位置關(guān)系如圖1所示。

2．1支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇

［1－4］由于連續(xù)梁的240＃主墩承臺(tái)緊鄰既有線石德鐵路，如果考慮到立模空間，則基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)距離石德鐵路線會(huì)更近，因此基坑的開挖必然影響到鐵路安全。此外，考慮到施工季節(jié)的地下水位位于地表以下約3．1m，該水位處于基坑開挖的深度范圍以內(nèi)，這就要求設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)必須具有一定的止水功能，防止基坑開挖過程中，因?yàn)榕潘窟^大而導(dǎo)致鐵路路基發(fā)生較大沉降，進(jìn)而危及石德鐵路的安全。根據(jù)主墩基坑開挖區(qū)域有地下水且臨近既有線的實(shí)際情況，為了保證石德鐵路的安全，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要具有足夠大的剛度，同時(shí)還必須具有止水的雙重功能。基于此，目前常用的支護(hù)方案：采用大剛度的鉆孔灌注樁作為主體支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)在灌注樁外側(cè)施作旋噴樁形成止水帷幕，從而滿足止水要求。但是結(jié)合本工程實(shí)際情況，如果在防護(hù)樁外圍施工旋噴樁，部分旋噴樁位于路基邊坡上，甚至在接觸網(wǎng)的投影區(qū)域，施工機(jī)械容易危及電氣鐵路接觸網(wǎng)的安全，同時(shí)由于場(chǎng)地限制，施工機(jī)械的站位布置也非常困難，因此，不宜施作旋噴樁止水帷幕。針對(duì)距離既有線最近的240＃基坑，坑深5．8m，地下水位位于地表以下3．1m，距離坑底為2．7m，水頭壓力較小，經(jīng)過權(quán)衡，最終決定采用鋼筋混凝土防護(hù)樁作為支護(hù)主體，同時(shí)在防護(hù)樁內(nèi)側(cè)打設(shè)拉森鋼板樁用于止水（在水頭壓力不大的情況下，鋼板樁的止水效果能夠滿足要求）的支護(hù)方案。現(xiàn)場(chǎng)的土質(zhì)條件（主要為粘土和砂類土）也方便鋼板樁插打作業(yè)，并且鋼板樁還可回收再利用，可以節(jié)約一定成本。

2．2支護(hù)詳細(xì)方案與施工工藝

經(jīng)過試算，最終決定采用直徑為1．25m、間距1．5m的鋼筋混凝土防護(hù)樁，其中距既有線最近的防護(hù)樁的樁軸線距離既有石德下行線路肩僅為1．77m。鋼筋混凝土防護(hù)樁頂設(shè)置寬度1．4m、高度1．0m的冠梁層，冠梁層設(shè)置4個(gè)鋼管角撐（直徑400mm、壁厚6mm）。在鋼筋混凝土防護(hù)樁的內(nèi)側(cè)打設(shè)長(zhǎng)度12m拉森Ⅳ型鋼板樁，鋼板樁的頂面位于冠梁的下方（如圖2（b）所示），拉森鋼板樁的主要作用是止水、封水。拉森鋼板樁長(zhǎng)度范圍內(nèi)設(shè)置了兩層圍囹體系，采用雙拼40a工字鋼腰梁和鋼管角撐（直徑400mm、壁厚6mm）。支護(hù)結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工具體步驟如下：①鋼筋混凝土防護(hù)樁施工。為了保證石德鐵路的安全，考慮到鉆孔作業(yè)會(huì)影響到既有鐵路路基的地基，對(duì)于石德鐵路線接觸網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的3根鋼筋混凝土防護(hù)樁采用人工挖孔作業(yè)，其他防護(hù)樁采用旋挖鉆鉆孔施工。同時(shí)為了減小挖孔作業(yè)對(duì)已完成防護(hù)樁的影響，防護(hù)樁采用隔樁施工。②拉森鋼板樁的施工。拉森鋼板樁均位于接觸網(wǎng)區(qū)域以外，在鋼筋混凝土防護(hù)樁施工完畢后采用打樁機(jī)打入。③冠梁和角撐施工。施工時(shí)需要在冠梁的角撐位置布置預(yù)埋鋼板，冠梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，施工4個(gè)角撐鋼管。④基坑開挖作業(yè)。采用排水開挖，開挖到距離冠梁中心2．3m位置，并超挖0．4m，布置第1層腰梁和4道角撐；繼續(xù)開挖到距離第1層圍囹中心1．9m，并超挖0．4m，布置第2層圍囹體系；然后繼續(xù)開挖到坑底位置，施工底節(jié)承臺(tái)。基坑開挖過程中如果發(fā)現(xiàn)拉森鋼板樁滲水，須及時(shí)堵漏。⑤基坑回填作業(yè)。底節(jié)承臺(tái)施工完畢后，須及時(shí)回填夯實(shí)；待承臺(tái)全部施工完畢、橋梁轉(zhuǎn)體完成后，回填夯實(shí)，并逐層拆除腰梁和角撐；最后破除冠梁內(nèi)邊緣部分、拔出拉森鋼板樁。

3支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

3．1支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析與模擬

本支護(hù)結(jié)構(gòu)中拉森鋼板樁的主要作用是止水，鋼筋混凝土防護(hù)樁才是主要的受力結(jié)構(gòu)。雖然防護(hù)樁產(chǎn)生變形后會(huì)擠壓拉森鋼板樁，使得拉森鋼板樁也承擔(dān)部分荷載，顯然拉森鋼板樁的截面剛度遠(yuǎn)小于直徑1．25m的鋼筋混凝土防護(hù)樁，其受力很小，因此在計(jì)算時(shí)不計(jì)及拉森鋼板樁的受力，只考慮防護(hù)樁承受外荷載。采用理正基坑軟件的單元法計(jì)算，只計(jì)算受力最不利的、即距離鐵路最近的單根鋼筋混凝土防護(hù)樁。理正深基坑軟件會(huì)根據(jù)土層參數(shù)和地下水位自動(dòng)計(jì)算土（水）側(cè)壓力（坑外土層荷載從防護(hù)樁頂算起）。鐵路路基和列車荷載如下取值：列車荷載在軌枕邊緣按照45°擴(kuò)散到路基底面，參照相關(guān)規(guī)范，列車荷載疊加上鋼軌、軌枕和道砟的重量后取值60kPa，根據(jù)防護(hù)樁的位置，該荷載集度邊緣（軌枕邊緣向下45°擴(kuò)散到路基底面的位置）距離防護(hù)樁軸線的水平距離為1．13m、距離防護(hù)樁頂1．3m，荷載作用寬度3．9m。約束方面：坑內(nèi)側(cè)土體對(duì)防護(hù)樁的作用按照約剛度結(jié)果：從圖3（b）中可以看出：防護(hù)樁的最大水平位移11．62mm，參照《基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定：11．62mm＜0．002×7100mm＝14．2mm，滿足設(shè)計(jì)要求。從圖3（c）的包絡(luò)圖結(jié)果可以看出：鋼筋混凝土防護(hù)樁的最大彎矩1230．93kN•m。對(duì)于直徑1．25m的混凝土樁，采用混凝土等級(jí)為C30，配筋為18根HRB335Φ25鋼筋，按照極限狀態(tài)法計(jì)算得到防護(hù)樁的承載彎矩為1482．3kN•m，大于防護(hù)樁的彎矩值1230．93kN•m，其抗彎滿足要求。實(shí)際上拉森鋼板樁也承受了一部分彎矩，因此防護(hù)樁的實(shí)際束處理，即根據(jù)文可勒爾假定，按照m法簡(jiǎn)化為若干水平彈性支撐。對(duì)于圍囹（包括冠梁層角撐），也將其簡(jiǎn)化為相應(yīng)剛度的水平彈性支撐。

3．2支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算采用理正深基坑7．0PB3版進(jìn)行計(jì)算，只計(jì)算距離鐵路最近的單根混凝土防護(hù)樁，該位置基坑深度為7．1m，計(jì)算按照一級(jí)基坑標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)基坑施工工序，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算共有以下幾個(gè)主要工況。工況1：防護(hù)樁、鋼板樁和冠梁施工完畢，坑內(nèi)開挖至距離冠梁頂面1．0m，冠梁層角撐布置完成；工況2：繼續(xù)開挖到距離冠梁中心2．7m位置，施工第1層腰梁和角撐；工況3：開挖到距離第1層圍囹中心2．3m，施工第2層腰梁和角撐；工況4：繼續(xù)排水開挖，直到坑底位置。理正軟件最終計(jì)算得到各個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)槠蓿旅娼o出所用工況的包絡(luò)圖結(jié)果，如圖3所示。彎矩會(huì)小于1230．93kN•m。防護(hù)樁的抗剪一般不控制設(shè)計(jì)，因此不再進(jìn)行計(jì)算。此外防護(hù)樁的變形必然會(huì)引起周圍地基的沉降，防護(hù)樁周圍地基沉降計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，防護(hù)樁引起的石德鐵路下行線中線下方（距離防護(hù)樁3．08m）的最大沉降數(shù)值按照指數(shù)法計(jì)算結(jié)果最小為0．9mm，按照三角形法和拋物線法為2．5mm和8．0mm，其平均值3．83mm，滿足鐵路部門要求的5．0mm的沉降要求。實(shí)際上，由于拉森鋼板樁也會(huì)承擔(dān)一部分土壓力荷載，因此，基坑周圍地基的實(shí)際沉降會(huì)更小，故防護(hù)樁支護(hù)結(jié)構(gòu)引起的鐵路地基沉降滿足要求，并且有一定的安全儲(chǔ)備。

3．3結(jié)果分析

為了保證基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和營(yíng)運(yùn)鐵路的安全，在基坑施工期間對(duì)基坑的位移和地基的沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果（最大值）與理論計(jì)算值比較如表2所示。從表2可以看出，腰梁中點(diǎn)最大水平位移為8．8mm，考慮到拉森鋼板樁和混凝土防護(hù)樁之間不可能嚴(yán)格密貼，因此混凝土防護(hù)樁的實(shí)際水平位移應(yīng)小于該值。實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)值8．8mm與理正軟件計(jì)算得到的防護(hù)樁最大水平位移11．62mm基本吻合；石德鐵路下行線中線位置的最大沉降實(shí)測(cè)值為0．6mm，與計(jì)算值0．9mm（指數(shù)法）也基本吻合。表明計(jì)算結(jié)果基本準(zhǔn)確，計(jì)算方法基本能夠反映支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)。

4結(jié)束語

施工實(shí)踐表明：基坑防護(hù)主體安全可靠，拉森鋼板樁止水效果良好，所采用基坑支護(hù)方案不僅保證了運(yùn)營(yíng)鐵路的安全，并且拉森鋼板樁可回收再利用，節(jié)約了成本，取得了很好的效果。

參考文獻(xiàn)

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［4］成依容．淺談深基坑中支護(hù)施工的問題［J］．科技展望，2014（11）：49

作者：孫鐵 單位：中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司