深基坑施工挖孔樁冠梁防護體系的設計與驗算

談小武

隨著我國高速鐵路網的發展,涉及跨鐵路營業線施工越來越多,受連續梁跨徑及線路走向的限制,新建線路橋梁的承臺邊緣往往距既有線路坡腳距離都很近,對承臺施工帶來了很大的難度。津秦鐵路客運專線三標段北營陡河1號特大橋37號墩就是其中比較特殊的一個,該墩位于銀聯線及津山上、下行線之間,大型設備進出及移動不便,施工時安全風險較大。為理想的解決上述問題,在該墩承臺施工時采用了挖孔樁冠梁結構防護體系對承臺基坑進行防護,并取得了良好的效果。

1 工程概況

津秦鐵路客運專線三標段北營陡河1號特大橋(DK141+986.83～DK149+779.94)全長 7.793 km,本橋于 DK143+026.10～DK143+280.53處采用 60 m+100 m+60 m后張法預應力連續梁結構形式跨越既有津山鐵路唐山站東咽喉,本連續梁位于陡河1號橋35號～38號墩,線路與既有津山鐵路線交角149°05′00″。37號墩基礎為鉆孔灌注樁群樁基礎,樁基20根。承臺為18.6 m×14.6 m×3.5 m+11.2 m×11.2 m×3.5 m組合承臺,位于東咽喉兩銀聯線和津山上、下行線之間。基坑開挖深度8.018 m,最大開挖尺寸為 19.6 m×15.6 m,地下水位較深,開挖范圍內均為干處挖方。

2 方案比選

由于該墩位于銀聯線和津山上、下行線之間,若采用鋼板樁或鉆孔樁對基坑進行防護時需采用打樁機、旋挖鉆、吊車等大型設備進行施工。受接觸網凈空影響大型設備進出場前必須與電務段協調并辦理相應手續對接觸網進行停電,且每周只有周二才有停電時間?？紤]大型設備進出場的不便,以及施工時存在風險較大,上述兩種方案的進度及安全難以保證。經認真研究并對幾種方案比選,綜合考慮工期、安全、經濟及技術可行性,確定了承臺基坑開挖采用人工挖孔樁加冠梁的防護體系,鐵路行車安全采用施工現場及臨時道口全封閉防護的一體化防護方案。

3 防護方案的設計與驗算

37號墩基坑開挖尺寸為19.6 m×15.6 m,四周采用49根人工挖孔樁加冠梁防護,防護樁樁徑1.0 m,樁間凈距0.5 m,樁長15 m,嵌固深度6.982 m,樁頂設1.0 m×1.0 m的冠梁,防護樁及冠梁均采用C25混凝土。

3.1 挖孔樁設計參數

土體參數:粉土—粉砂—細砂—中砂,采用加權平均后,土體的粘聚力c=19 kPa,內摩擦角為30°,容重 γ=19 kN/m3。

荷載條件:基坑邊緣切入路基坡腳1.6 m,津山線路基基底寬18 m,路基的容重為20 kN/m3,為安全起見,路基填高按1.5 m計,則路基填高荷載為30.0 kPa,作用寬度為18 m;列車(單線)動荷載換均布荷載60.1 kPa,作用寬度為3.0 m,距基坑邊緣3.775 m。

3.2 嵌固深度驗算

參考JGJ 120-99建筑基坑支護技術規程(以下簡稱《規范》)中排樁及地下連續墻嵌固深度的驗算方法。

嵌固深度驗算式:hp∑EPJ-1.2γ0ha∑Eai≥0。

取嵌固深度hd=6.982 m;

hp∑EPJ-1.2γ0ha∑Eai=375.9 kN/m＞0,嵌固深度取6.982 m,滿足規范要求。

3.3 整體穩定性驗算及基坑隆起量驗算

3.3.1 整體穩定性驗算

整體穩定性驗算簡圖見圖1。

計算方法:瑞典條分法;應力狀態:有效應力法;條分法中的土條寬度:0.40 m;滑裂面數據:整體穩定安全系數Ks=2.308;圓弧半徑 R=9.925 m;圓心坐標X=-2.192 m,Y=2.415 m。

3.3.2 抗傾覆穩定性驗算

抗傾覆安全系數:

Ks=2.032≥1.200,滿足規范要求。

3.3.3 抗隆起驗算

1)采用 Prandtl(普朗德爾)公式驗算(Ks≥1.1～1.2),注:安全系數取自YB 9258-97建筑基坑工程技術規范(冶金部):

2)采用Terzaghi(太沙基)公式(Ks≥1.15～1.25),注:安全系數取自YB 9258-97建筑基坑工程技術規范(冶金部):

3.3.4 隆起量的計算

按以下公式計算的隆起量,如果為負值,按0處理。

3.4 冠梁及防護樁配筋驗算

3.4.1 冠梁配筋驗算

由于防護設計時未考慮冠梁受力,所以冠梁采用構造配筋即可。

3.4.2 防護樁樁身配筋驗算

1)樁身內力分析。

分別采用彈性法土壓力模型和經典法土壓力模型對樁身內力及位移進行分析,內力、位移情況如圖2所示。樁身最大彎矩和剪力分別為820.15 kN?m和275 kN。

2)樁身配筋設計。

樁體采用C25混凝土,主筋采用非對稱布筋,靠基坑外側采用16根φ 20HRB335型鋼筋,靠基坑內側布置6根φ 20HRB335型構造筋,主筋長度均為15.8 m,伸出80 cm與冠梁錨固。

螺旋箍筋采用φ 10HPB235圓鋼,間距為 20 cm;加強筋采用φ 20HRB335螺紋鋼,間距為2 m。

3)樁身受力驗算。

根據GB 50010-2002混凝土結構設計規范中,圓截面受彎的相關規定進行驗算。

彎矩驗算:

剪力驗算:

4 過程監測及防護效果

1)施工檢測。為確保挖孔樁冠梁結構的穩定性和銀聯線及津山上行線的行車安全,在冠梁頂每5 m處設置一觀測點,從基坑開挖至基坑回填前定期對冠梁頂各點位移及既有線路基沉降進行觀測。2)防護效果。采用人工挖孔樁加冠梁防護體系后成效顯著,施工進展順利,防護結構施工只用了15 d便完成,施工中未出現任何威脅列車行車安全的事故,既有線路基亦未發生異常沉降,因而本工程采用的人工挖孔樁加冠梁防護體系是行之有效的。

5 結語

人工挖孔樁冠梁結構防護體系從設計到施工都很成功,用于深基坑施工較為安全可靠,兼具結構剛度大、樁頂位移小、干擾小、工作面多、操作簡便、利于施工等特點。對于場地狹小、基坑周邊建筑物沉降控制要求嚴格,大型設備施工不便,特別是靠近鐵路和公路兩側的施工,優先考慮人工挖孔樁加冠梁的設計方案。

[1] JGJ 120-99,建筑基坑支護技術規程[S].

[2] YB 9258-97,建筑基坑工程技術規范[S].

[3] GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[4] TB 10002.5-2005,鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].

[5] 吳國表.某深基坑開挖設計[J].山西建筑,2008,34(7):149-150.