包頭至西安鐵路柳樹店明洞邊坡樁板墻加固工程設(shè)計

葉彩娟

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

包西鐵路IIDyK492+795～IIDyK492+870段,長度75 m,位于延安至延安北之間柳樹店村附近,地處延河右岸黃土山梁上,既有線在此以隧道形式通過,增建二線行進于既有線右側(cè)20～50 m處。自然山坡陡峻,坡度接近45°,局部為直立陡坎,地勢左高右低,高差約100 m,工程地層上部為沖積砂質(zhì)黃土、細砂,風(fēng)積砂質(zhì)黃土、細圓礫土,底部為三疊系上統(tǒng)砂巖夾頁巖。線路附近地下水不發(fā)育。地震動峰值加速度為0.05g,相當(dāng)于地震基本烈度6度,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。土壤最大凍結(jié)深度100 cm。

包西鐵路定測階段在IIDyK492+795～IIDyK492+870段設(shè)新柳樹店隧道(區(qū)別于既有西延鐵路柳樹店隧道),在2005年勘測后由于地方居民取土造田,致使新柳樹店隧道部分洞身外露,隧道洞身嚴重偏壓,且新隧道距既有柳樹店隧道只有27 m左右,如果新柳樹店隧道強行施工,一旦產(chǎn)生變形,將嚴重影響既有隧道正常運營,因此決定改線,線路向靠河側(cè)偏移。受前后已完工的柳樹溝中橋和路基工程的制約,在盡量減少廢棄工程的原則下,增建二線自山坡下部通過,采用路基方案時左側(cè)路塹邊坡高達75 m,施工過程中山體開挖過大將危及既有隧道安全,且后期運營養(yǎng)護維修困難、易造成行車安全隱患；采用明洞方案通過時,明洞偏壓嚴重,需采用輔助工程解決偏壓。柳樹店明洞邊坡橫斷面見圖1。

圖1 柳樹店明洞邊坡橫斷面

2 工程的特點與難點

(1)采用路基方案時左側(cè)路塹邊坡高達75 m,施工過程中山體開挖過大將危及既有隧道安全,且后期運營養(yǎng)護維修困難、易造成行車安全隱患[1]。

(2)將樁板墻結(jié)構(gòu)與隧道工程結(jié)合使用方案,不僅能解決施工過程中對既有隧道的影響,又能確保新建明洞施工安全,還能解決新建明洞的偏壓問題,一舉三得。

(3)該段線路以明洞通過,樁頂以上邊坡采用較小的邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.05,小于特殊土規(guī)范規(guī)定的邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.25,從而有效降低了邊坡高度，減小了對山體的開挖。

(4)該樁板墻與明洞邊墻間留有0.5 m間隙,間隙頂部樁頂與明洞頂設(shè)鋼筋混凝土板覆蓋,避免土體填充,防止因樁體位移變形而使明洞受壓。

(5)本項目將樁板墻結(jié)構(gòu)、明洞工程及鋼筋混凝土灌注樁相結(jié)合,工程設(shè)計、實施及施工組織都非常困難。

(6)路塹樁板墻是包西鐵路的一項重要支擋措施,本項目的工程實施將為其他段落土質(zhì)路塹樁板墻工程提供工程實踐經(jīng)驗和管理經(jīng)驗。

3 工程設(shè)計與施工

3.1 工程設(shè)計

為有效解決明洞偏壓、降低明洞施工過程中臨時邊坡高度,于明洞左側(cè)設(shè)樁板墻工程,樁頂以上邊坡坡率采用1∶0.75,每10 m一級,兩級間設(shè)置2.0 m寬平臺,邊坡總高度達40余m；為避免樁頂位移造成明洞受壓,于樁與明洞預(yù)留0.5 m間隙、其上設(shè)鋼筋混凝土板。半填半挖地段防止明洞產(chǎn)生不均勻沉降,地基采用鋼筋混凝土灌注樁加固。右側(cè)明洞基礎(chǔ)外側(cè)邊坡鋪設(shè)土工格柵補強。

(1)鋼筋混凝土樁設(shè)計

土體物理性能指標取值為：φ=32°；C=23 kPa；γ=18.0 kN/m3。樁設(shè)計荷載為土壓力,土壓力附加安全系數(shù)K=1.20,荷載分項系數(shù)K=1.35[2]。土壓力按庫侖主動土壓力公式計算,Ea=1 907 kN/m,Ex=1 814 kN/m。

樁設(shè)計采用極限狀態(tài)理論,樁的內(nèi)力按彈性地基梁“m”法[3-4]計算,地基抗力比例系數(shù)m=5 000 kPa/m2,樁底支撐條件：鉸接。撓曲方程為

式中,P為土作用于樁上的水平反力,kN/m。

通過數(shù)學(xué)求解得到樁的位移、剪力及彎矩圖[5]。

樁身C35混凝土,其軸心抗壓設(shè)計強度[6]fc=16.7 MPa,彈性模量Ec=3.15×104MPa。

受拉鋼筋采用HRB400鋼筋,其設(shè)計強度值fy=360 MPa,彈性模量Es=2.0×105MPa。

箍筋采用HRB335鋼筋,其設(shè)計強度fy=300 MPa,彈性模量Es=2.1×105MPa。

樁最大彎矩=123 377 kN·m,距離樁頂19.3 m；

樁最大剪力=14 693 kN,距離樁頂12 m,詳見圖2。

樁頂位移=73 mm；

錨固點處樁的位移=26 mm。

在此處的樁板墻工程竣工投產(chǎn)之前實測樁頂位移=58 mm。

樁露出地面部分長11 m,地面以下埋入21 m。

圖2 樁的剪力、彎矩圖

(2)擋土板設(shè)計

擋土板采用尺寸為0.4 m×0.5 m×3.4 m的擋土板。擋土板按以T形變截面的肋柱為支座的簡支梁進行驗算,其計算跨徑L為擋土板兩支座中心的距離,荷載取擋土板所在位置土壓力的平均值,即q=Ex/(H×L),其中H為地面以上擋土板總高度。得擋土板跨中最大彎矩Mmax=qL2/8。根據(jù)擋土板的最大彎矩值進行配筋計算。

(3)設(shè)計方案

①IIDyK492+795～IIDyK492+870段明洞左側(cè)設(shè)樁板墻工程,共設(shè)置13根,樁中心距明洞中心線5.75 m,樁截面采用2.5×3.5 m,樁長32 m,樁中心間距6 m。樁體采用C35鋼筋混凝土澆筑。1號～13號樁樁頂至以下11.5 m范圍內(nèi)樁與樁之間設(shè)C30鋼筋混凝土擋土板,板長為3.4 m,板高0.5 m,板厚 0.4 m。

②樁、板后三角坑采用二八灰土回填密實,樁頂預(yù)埋長25 cm(上露10 cm下埋15 cm)φ20 mm的連接鋼筋,其上現(xiàn)澆145 cm寬、15 cm厚的鋼筋混凝土板,用于明洞與樁之間預(yù)留縫的覆蓋,現(xiàn)澆板沿線路方向每隔15 m設(shè)伸縮縫1道,采用瀝青麻筋填塞。在現(xiàn)澆板懸臂端底與明洞頂間設(shè)10 cm厚的橡膠墊。

③樁頂、明洞頂采用二八灰土夯填,明洞頂灰土表層做成向外1∶10的排水坡。并于明洞頂樁頂設(shè)一層防滲土工膜,土工膜鋪設(shè)坡度為向外1∶10。

④1號～13號樁自樁頂以下11.5 m范圍內(nèi)護壁采用C20級混凝土護壁,厚度0.3 m,以下段土層護壁采用C20鋼筋混凝土,基巖內(nèi)護壁采用C20級素混凝土護壁,護壁厚度采用0.3 m。地面以下0.5 m范圍設(shè)0.5 m厚鎖口。因安裝擋土板的需要,安裝擋土板之前應(yīng)拆除側(cè)翼及樁前護壁。

柳樹店明洞邊坡加固平面見圖3。

圖3 柳樹店明洞邊坡加固平面

3.2 施工流程及工藝

(1)施工流程

①地基處理、挖臺階,填筑路堤至承臺底高程,壓實密度按路堤壓實標準進行,施工路堤右側(cè)邊坡防護工程。

②跳樁開挖樁孔,完成加固樁的施工,樁頂預(yù)埋鋼筋。

③待樁體強度達到設(shè)計強度后開挖樁前土體,安裝擋土板,采用二八灰土對樁板后三角坑進行回填,回填至樁頂高程,然后進行樁基和承臺施工，IIDyK492+820～IIDyK492+830段先進行樁頂邊坡的開挖及掛網(wǎng)噴混凝土防護,再開挖樁前土體。

④進行明洞洞身施工。

⑤樁頂現(xiàn)澆鋼筋混凝土板、明洞頂與現(xiàn)澆板之間填塞橡膠墊。

⑥樁頂及明洞頂鋪設(shè)防滲土工膜,采用二八灰土覆蓋。

(2)樁及護壁的施工工藝

①樁采用跳樁開挖,樁孔開挖前應(yīng)設(shè)置地表截、排水及防滲設(shè)施；雨季施工時孔口應(yīng)搭建臨時遮雨棚,做好鎖口；備齊井下排水、通風(fēng)、照明設(shè)施,做好施工組織；安排專職人員對左側(cè)山體邊坡進行實時監(jiān)測,及時掌握邊坡變形情況,如有異常變形應(yīng)及時采取相應(yīng)措施處理。

②開挖到一定深度后,設(shè)應(yīng)急軟梯,防止掉塊采取相應(yīng)安全措施。

③樁井開挖應(yīng)分節(jié)開挖、分節(jié)設(shè)置護壁支護,護壁每節(jié)高0.5～1 m；護壁混凝土應(yīng)緊貼圍巖灌注,灌注前應(yīng)清除孔壁上的松動石塊、浮土。擋土板混凝土基礎(chǔ)以下土層段樁井應(yīng)采用C20鋼筋混凝土護壁,基巖部分樁井采用素混凝土護壁；擋土板混凝土基礎(chǔ)以上部分樁井采用C20素混凝土護壁,護壁厚度0.3 m。

④灌注樁身混凝土前,清除基坑內(nèi)松土,夯實基底,檢查斷面凈空、鑿毛路肩高程以下護壁、擋土板混凝土基礎(chǔ)上護壁上涂刷脫模劑；將鋼筋籠吊入基坑內(nèi),按設(shè)計要求入位；鋼筋宜預(yù)制成籠,可在樁孔內(nèi)搭接,但接頭不得設(shè)在土石分界高程附近；混凝土灌注必須連續(xù)進行,以防出現(xiàn)斷樁。縱向受力鋼筋的焊接接頭應(yīng)相互錯開,鋼筋焊接接頭連接區(qū)的長度為35d(d為縱向受力鋼筋的直徑)且不小于500 mm,凡接頭中點位于該連接區(qū)段長度內(nèi)的焊接接頭均屬于同一連接段,位于同一連接區(qū)段內(nèi)縱向力鋼筋的焊接接頭面積百分率,對縱向受拉鋼筋接頭不應(yīng)大于50%。

⑤混凝土應(yīng)通過串筒或?qū)Ч茏⑷霕犊?串筒或?qū)Ч艿牡锥伺c混凝土面的距離為1～3 m。

⑥在樁的施工全過程中必須對樁進行位移監(jiān)測,加強預(yù)警預(yù)報工作,保證施工安全。

⑦樁井施工時應(yīng)間隔兩樁跳槽開挖。井下爆破宜控制藥量,以免井壁過量超挖或亂石傷人。

⑧為保證樁孔開挖的施工安全和護壁質(zhì)量,樁孔采取邊挖邊護方法施工,護壁襯砌必須及時緊跟開挖,注意避免在土石層變化處和路基面處分節(jié)。

(3)擋土板的施工工藝

①擋土板為預(yù)制鋼筋混凝土矩形板,預(yù)制時兩側(cè)留有吊裝孔,并應(yīng)標注正(配有受力筋,靠線路側(cè))反面,以方便擋土板正確安裝。同時吊裝孔作為泄水孔,孔內(nèi)壁涂抹瀝青。擋土板采用直接搭接樁身的形式,樁、板連接的縫隙不用處理,若縫隙過大時可用砂漿填塞或瀝青軟木板襯墊。要求板面平整,外形輪廓清晰,線條順直,各部尺寸應(yīng)符合要求。

②擋土板采用平面堆放,受力面朝上(受力面按設(shè)計圖紙標識),其堆積高度不宜超過5塊,板塊間用木塊等支墊,并置于設(shè)計支點位置,運輸過程要輕搬輕放。

③擋土板安裝時,應(yīng)豎向起吊,用手牽引,防止與樁相撞,將擋土板正確就位,同時應(yīng)做好防排水設(shè)施及填筑墻被填料,擋土板頂面不齊時,可用砂漿或現(xiàn)澆混凝土調(diào)整[7]。

④擋土板后設(shè)0.3 m厚的砂夾卵石反濾層,安裝時,應(yīng)隨安裝、隨填板后反濾層,并搗固密實,使板與樁密貼。

(4)施工工藝框圖

該段工程范圍內(nèi)無不良地質(zhì),特殊巖土主要為濕陷性黃土,主要為路塹深挖方工程,且二線左側(cè)約65 m處為既有西延鐵路柳樹店隧道,相互影響較大,工程地質(zhì)條件較差,施工難度大,為了能按期保質(zhì)的完成工程施工,特制定如圖4所示樁板墻施工工藝框圖[8]。

圖4 樁板墻施工工藝框圖

(5)施工注意事項

①在既有線旁施工,一定要確保鐵路運營及人員機具的安全,做好安全防護措施。路基施工前應(yīng)做好永久或臨時排水設(shè)施,以防雨水流入基坑。

②護坡施工前應(yīng)先清刷坡面浮土,填補坑凹,使坡面平整,然后由上向下放線。

③保證棄土、棄碴不導(dǎo)致邊坡附加變形或破壞現(xiàn)象發(fā)生。注意先將右側(cè)路堤填至承臺底高程后,方可進行樁板墻施工。

④樁在施工時應(yīng)間隔開挖,并密切注意山體變化,發(fā)現(xiàn)異常,及時采取措施,以確保鐵路的行車安全和人員、機具的安全,必要時設(shè)置專人對左側(cè)山體進行觀測。各種材料及施工器材距井口應(yīng)有一定距離,以防落入井內(nèi)傷人,井上設(shè)專人指揮,樁身施工前應(yīng)設(shè)置觀測設(shè)施,有專人負責(zé)觀測[9]。

⑤樁定位采用經(jīng)緯儀放樣,樁身截面尺寸、中心位置、孔底高程必須符合工程質(zhì)量評定驗收標準?？變?nèi)爆破、主筋焊接和混凝土灌注必須嚴格執(zhí)行有關(guān)技術(shù)規(guī)范和操作規(guī)程。豎向主筋或其他鋼材的搭接應(yīng)避免設(shè)在樁頂以下11.5 m處上下2 m范圍,搭接接頭應(yīng)錯開。

⑥樁及擋土板的配筋布置,應(yīng)嚴格按設(shè)計要求進行。樁在基坑開挖完畢后,將鋼筋按設(shè)計尺寸截斷,然后放入基坑內(nèi)焊接成鋼筋骨架。由于樁是側(cè)向受力受彎結(jié)構(gòu),因此樁身灌注時應(yīng)連續(xù)進行,不得間歇,并用振搗器搗固密實,以免形成施工縫。

⑦為保證樁孔開挖的施工安全和護壁質(zhì)量,樁孔采取邊挖邊護方法施工,護壁襯砌必須及時緊跟開挖,注意避免在土石層變化處和路基面處分節(jié)。加固樁護壁施工過程中,在立模灌注每節(jié)鋼筋混凝土前,注意清除巖壁上的浮土和松動石塊,使護壁混凝土緊貼孔壁,每節(jié)開挖應(yīng)在上節(jié)護壁終凝后進行,而且開挖不宜過深,以免上節(jié)護壁懸空過高。修井壁時不宜放炮,以免造成振動,樁井配備軟梯,以便施工人員迅速撤離樁井[10]。

⑧施工中樁截面尺寸的施工誤差只能為正,不能為負,以保證主筋的混凝土保護層厚度大于6 cm。

⑨樁身如基礎(chǔ)有超挖,其超挖部分必須用C35混凝土與樁身一同灌注嵌補,以灌滿基坑為度。樁身混凝土要振搗密實,保證材料之間結(jié)合牢固。

圖5為正在施工中的柳樹店樁板墻工程。

圖6為已通車的柳樹店明洞工程。

圖5 施工中的樁板墻工程

圖6 已通車的柳樹店明洞

4 結(jié) 語

在傳統(tǒng)選線中遇見高邊坡挖方時采用繞避的方案,但受地形、線位條件控制時,采用常規(guī)方法不能滿足線路走行需求。本工程將路塹樁板墻與明洞工程結(jié)合起來,用樁板墻工程代替明洞工程抵抗左側(cè)山體變形而形成的偏壓。較繞避方案可節(jié)約投資近1 000多萬元,且減少了維修防護,為日后的行車運營提供了安全保證,其直接和間接的經(jīng)濟效益非常顯著。通過工程初驗,各參驗單位一致認為明洞內(nèi)側(cè)設(shè)置樁板墻工程解決明洞偏壓難題的設(shè)計安全、可靠,工務(wù)部門認為該段線路安全穩(wěn)定。該工程被建設(shè)單位評為包西鐵路樣板工程。

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