跨既有線軟土地基的基坑支護方案探討

高晶晶

(陜西鐵路工程職業(yè)技術學院道橋工程系,陜西渭南 714000)

1 工程概況

京滬高鐵在 DK1290+441.860～ DK1290+ 541.860處跨越既有滬寧鐵路,在該處橋型布置為60 m+100 m+60 m連續(xù)梁.112#,113#墩位于滬寧鐵路兩側,承臺邊緣距離滬寧鐵路護坡邊緣最小距離僅為1.87 m(見圖1、圖2),施工位置上部有回流線,且地下管線布置復雜,施工高度受到嚴重限制,施工時必須對地下管線及鐵路護欄進行臨時遷移.同時,要求基坑施工時,滬寧鐵路控制沉降量必須小于2 mm.因此,保證跨線橋施工時的鐵路安全是重中之重,這必須對承臺基坑進行支護.由于113#墩位離鐵路最近,下面以113#承臺施工為例,探討其基坑支護方案.113#承臺平面形狀為八角形,尺寸為(18.2 m×18.2 m×4.0 m)+(11.5 m×11.5 m×3 m)(長×寬×厚).

圖1 112#、113#墩位承臺與既有線之間的關系

圖2 滬寧鐵路與113#墩位承臺位置關系

2 施工場地工程與水文地質(zhì)條件

施工墩臺處位于長江三角洲平原區(qū),均為第四系地層覆蓋,系江河、湖泊、海相沉積形成,為黏土、粉質(zhì)黏土夾粉細砂層.施工基坑開挖深度4 m,開挖范圍的土質(zhì)為粉砂土.

此外,施工工程沿線地下水類型有孔隙潛水、基巖裂隙水.大氣降水為地下水的主要補給來源.地下水位埋深為0.5 m.

3 施工方案比選

3.1 方案1

施工方案1根據(jù)現(xiàn)場原地面測量,本墩位承臺基坑開挖深度為4.0 m,采用拉森鋼板樁進行支護,在鋼板樁內(nèi)側設置圍檁及支撐.

3.2 方案2

施工方案2采用高壓旋噴樁技術,在既有鐵路與113#主墩位承臺之間形成一道高壓旋噴樁防滲墻,同時插入補強材料 H型鋼,形成勁性復合圍護結構,內(nèi)側使用拉森鋼板樁圍堰施工基坑.

4 施工方案

在確定施工方案時,綜合考略現(xiàn)場施工條件及工程造價等相關問題,在確保基坑開挖施工不影響鐵路路基的情況下,確定采用方案1進行工程施工.

4.1 鋼板樁結構

鋼板樁結構為:

(1)單根鋼板樁長度為15 m,其中地面以上0.5 m,基坑底以下10.5 m,底層承臺一次澆筑,鋼板樁內(nèi)側設置一道圍檁,圍檁及環(huán)向內(nèi)支撐均采用400× 400×13/21H型鋼,標高為為+1.155.共設置7根內(nèi)支撐,長度均為2.84 m.

(2)鋼板樁距離承臺邊緣線凈距1.5 m、0.55 m, 0.1 m,底層承臺頂標高+2.155 m,高出地面0.5 m.

鋼板樁結構布置如圖3所示.

圖3 鋼板樁布置示意圖

4.2 入土深度計算

4.2.1 設計取值.

(1)113#墩位承臺基坑開挖深度為地表以下4 m,計算深度范圍內(nèi)為粉土,重度γ=18.0 kN/m3, γ′=γ-γw=8.0 kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=30°,凝聚力c=0.

(2)水重度為10 kN.m,地下水位埋深0.5 m.

(3)坑沿荷載參考相關文獻,并按最不利狀況,其取值為34 kN/m2.

(4)火車振動荷載按文獻[5]確定:鐵路的振動對路基荷載大小為,qh=62.5 kN/m2.實測滬杭鐵路路基頂標高+3.61 m,地面標高 +1.655,則地面的荷載大小為,q′h=67.23 kN/m2.

(5)根據(jù)相關規(guī)定,取鋼板樁的被動土壓力修正系數(shù) k=1.7.

(6)開挖基坑時,靠鐵路側荷載考慮全部由鋼板樁承受,而不考慮靠鐵路側參與受力,以提高鋼板樁設計安全系數(shù).

4.2.2 入土深度計算.

采用等值梁法計算鋼板樁的入土深度(見圖4).

圖4 鋼板樁土壓強計算圖示

(1)鋼板樁的反彎點 t1計算:

主動土壓力系數(shù),ka=tg2(45°-φ/2)=0.333.

被動土壓力系數(shù),kp=tg2(45°-φ/2)=3.

鋼板樁外側主動土壓強,pa=(γh+q0)·ka.

鋼板樁內(nèi)側開挖基坑內(nèi)側被動土壓力,pp=γ′h·kp.

現(xiàn)考慮線路上列車的影響(見圖5).

圖5 考慮列車振動荷載的情況

根據(jù)現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù),承臺邊緣距鐵軌中心距離4.64 m,基坑開挖邊緣距鐵軌中心最近距離L= 4.24 m,則 l1= ∞,45°+φ/2=60°,則 BC=l× tan(45°+φ/2)=7.34 m,qce= kaqh′=0.333× 67.23=22.39 kN/m2.在鐵路列車振動荷載的對基坑影響為地面7.34 m以下至更深處,影響大小為22.39 kN/m2.

鋼板樁內(nèi)側開挖基坑內(nèi)側被動土壓力,pp= γ′h·kp.

地面主動土壓力大小為,p°=(18×0+34)× 0.333=11.322 kpa.

地下水位線處土壓力與水壓力,p0=(8.0× 0.5+34)×0.333=12.65 kpa.

考慮水的浮重,地面以下 h高處基坑底部主動土壓強大小和水壓強的合力為,

h≤7.34 m,

p=[18×0.5+8.0×(h-0.5)+34]×0.333+ 10(h-0.5).

h≥7.34 m,

p=[18×0.5+8.0×(h-0.5)+34]×0.333+ 10(h-0.5)+22.39.

其中,h為計算截面點距地面的高度,坑底 h=4 m時,p=58.643 kN/m2.

鋼板樁內(nèi)側被動土與水壓強的合力為,p′= 8.0×(h-4)×3+(h-4)×10.

令p=p′,得h=6.74 m,此時主動土壓強與被動土壓強大小均為93.16kN/m2,

故,

(2)鋼板樁的入土深度 t計算.

如圖5所示,D點土壓強合力為零,其中BD段按連續(xù)梁計算,支座為內(nèi)支撐位置.計算得到 D點的支反力大小,p′=129.26 kN.

DA段對A點處取彎矩,在7.34 m范圍內(nèi)列車荷載有影響,故列車荷載未影響到鋼板樁受力,有∑MA=0,即:

解得,t2=6.47 m.

故鋼板樁實際入土深度t為,

則鋼板樁的計算入土深度取10.5 m,鋼樁鋼的總長度為,10.5+4+0.5=15 m.

4.3 鋼板樁強度驗算

4.3.1 拉森 Ⅲ型鋼板樁驗算.

拉森 Ⅲ型鋼板樁按簡支梁驗算其強度.

Mmax=188.2 kN·m,Vmax=129.27 kN,采用拉森 Ⅲ型鋼板樁,材質(zhì)為Q235,[σ]=147 MPa,1 m寬鋼板樁對中心的截面模量為,w=1363 cm3,則:

σmax=Mmax/w=138 MPa＜[σ],滿足要求. τmax=Vmax/A=8.2 MPa＜[τ],滿足要求.

4.3.2 圍檁、內(nèi)支撐驗算.

鋼板樁內(nèi)側設置8道圍檁,圍檁和內(nèi)支撐均采用 H400×400型鋼,標高為+1.155.

作用于鋼圍檁的最大的線荷載大小為,q= 81.81 kN/m.

最大應力為,σmax=130.4 MPa＜[δ]=145 MPa.

故,整個圍檁及內(nèi)支撐結構受力滿足要求.

4.4 鋼板樁穩(wěn)定性驗算

鋼板樁入土深度除保證本身的穩(wěn)定外,還應保證基坑底部在施工期間不會出現(xiàn)砂土管涌現(xiàn)象.

管涌主要是由水頭差所引起的,當板樁插入透水性和內(nèi)聚力均小的飽和土中,而施工采用坑內(nèi)明排水時,則有可能發(fā)生管涌或流砂現(xiàn)象(見圖6).

圖6 基坑管涌示意圖

其中,K為抗管涌安全系數(shù),K≥1.5;γ′為土的浮重度,γ′=8 kN/m3;γw為水的重度,γw=10 kN/m3;h′為地下水位至坑底的距離,h′=4-0.5=3.5 m;t為鋼板樁的入土深度,t=11 m.

5 施工安全措施

滬寧鐵路長度雖僅為全國鐵路營運線的2%,但它承擔著全國10.2%的鐵路客運量和7.2%的貨物周轉量,運輸密度是全國鐵路平均水平的4倍,平均5 min有一輛列車通過,其中包括時速250 km/h的動車組.因此保證跨線橋施工時的鐵路安全是重中之中.

由于本承臺距離既有鐵路較近,施工時必須采取嚴格的安全措施,具體如下:承臺基坑開挖前首先根據(jù)施工現(xiàn)場對承臺基坑進行施工放樣,確定鋼板樁位置進行插打,鋼板樁插打完成后,方可進行基坑的開挖;基坑采用人工配合反鏟挖掘機開挖,開挖過程中如發(fā)現(xiàn)滲水,應及時排除,一旦出現(xiàn)大量涌水,應立即停止施工,并馬上查明原因,待處理完成后方可繼續(xù)施工;開挖的土方除留夠回填的,其余運走,以免影響施工;挖至距承臺底設計標高約30 cm厚的最后一層土時,采用人工挖除修整,以保證土結構不受破壞;為減少基坑暴露時間及防止地下水,在基坑開挖完成后,及時澆筑10 cm混凝土墊層防止地下水的滲入,同時,在鋼板樁外側沿既有鐵路方向,每5 m設置一處沉降觀測點,在承臺施工期間現(xiàn)場每2 h進行沉降觀測,在既有線不限速的情況下,路基沉降量大于2 mm/d或累計沉降量大于10 mm時必須停止施工,并與監(jiān)理部門共同分析原因,制定補強措施.

6 方案實施效果

本施工方案實施后有效地保證了既有路基邊坡的穩(wěn)定和既有線的安全運營,并保證了承臺的順利開挖施工.工程實踐表明,該施工方案對于軟土地基上沉降量要求嚴格的承臺施工有一定的借鑒意義.

[1]王娟娣.基礎工程[M].浙江:浙江大學出版社,2008.

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