粉土地區(qū)框架橋設計要點

楊 玫

（杭州鐵路設計院有限責任公司，浙江 杭州 310006）

0 引言

粉土是介于砂性土和粘性土之間的一種過渡型土，其工程性質既與砂性土不同又與粘性土有較大區(qū)別，至今人們對粉土工程性狀的研究尚不成熟。杭州地區(qū)粉土具有時代新、埋藏淺、地下水位高、透水性強等特性，透水層承壓水多與河湖連通。

框架橋基底一旦位于粉土層，在設計階段若沒有考慮有效的技術措施，在施工及運營階段往往會產生一些問題，輕則影響結構的正常使用，重則需拆除重建，本文將對其進行分析。

1 施工中存在的問題

1.1 基坑開挖

由于框架橋通常采用頂進法施工，為此需先進行基坑開挖。如止水或降水不當，則易引發(fā)坑內流砂、管涌，甚至導致附近建（構）筑沉降過大等事故。

1.2 地下水及地表水

下穿鐵路框架橋工程的順接道路通常大部分位于地下水位以下，這段道路應采取截水措施，將地下水堵截在道路范圍以外。另外，引道路面標高較低，地表水（一般為雨水）收集后，無法自流排放，故除阻隔地下水外，下穿段的地表水也應及時排除。

1.3 結構接縫

在框架和U型槽的接縫以及U型槽和U型槽之間接縫處的沉降縫是粉土地區(qū)下穿框架橋工程的薄弱環(huán)節(jié)。如果處理不好，極易發(fā)生道路或結構邊墻滲漏水和泥沙外冒的病害。

2 運營中存在的問題

2.1 路橋過渡段

由于頂進框架橋是在既有線路下施工，頂進就位后列車振動對路基土的擾動，容易引起路基土層的應力發(fā)散和土體松弛，加大了橋側路基和橋體剛度的差異，不利于行車。同時在地表水的作用下，路基和橋體的接觸面被沖刷，引起水土流失，容易導致路基空洞，危害鐵路行車安全。

2.2 箱身地基

粉砂土地區(qū)若接縫或排水系統(tǒng)遭到破壞后，經常積水的框架橋底水土流失嚴重，導致箱底大量空洞，使結構不均勻受力，影響結構使用安全。

3 設計中可采取的措施

針對以上粉土地區(qū)的特點及易發(fā)生的問題，在設計時應充分考慮相關對策，將粉土的透水性影響減小到最低。因此，粉土地區(qū)頂進框架橋的技術關鍵就是對地下及地表水降排的處理。然而，在既有鐵路路基地段，新建頂進框架橋工程和改擴建既有框架橋的處理側重點亦有所不同，下文將分別詳述。

3.1 新建框架橋設計要點

3.1.1 基坑降水

基坑開挖是頂進框架橋工程的關鍵環(huán)節(jié)，大部分安全事故發(fā)生于基坑開挖階段。因而在基坑開挖階段，必須采取有效的措施，將基坑內部的水降至底板1m以下為宜。在市區(qū)及周邊環(huán)境要求較高時，坑外應嚴禁降水，否則可能引起地面沉降，從而導致周圍建筑物變形。因此對于粉土地區(qū)的基坑工程，應在坑外設置止水帷幕，坑內采用合理的降水設備進行降水。

以杭州市南白路公鐵立交工程為例，地點位于城區(qū)內，基坑邊建筑房屋及地下管網密集，且緊鄰既有河道。框架橋基坑規(guī)模為23.6m×28.6m，開挖深度為7.5m。

涌水量按下式計算：

式中：Q為基坑涌水量（m3/d）；k為滲透系數（m/d）；H為潛水含水層厚度（m）；s為基坑水位降深（m）；R為降水影響半徑（m）； r0為基坑等效半徑（m）。

設計采用孔徑為300mm的管井井點降水，每根管井的出水能力按以下式（2）計算：

式中：q0為每根管井的出水能力；ls為過濾器浸沒長度（m）；d為過濾器外徑（m）；a為與含水量滲透系數有關的經驗系數，本工程取1.3。

所需要的井數n為：

由于開挖深度較深，基坑大部分位于砂質粉土層，透水系數大，本工程根據計算結果最終選用8孔管井井點進行坑內降水，即四個角點各布置1孔，四邊的中點各布置1孔，同時坑外設置兩排搭接20cm的Φ60水泥攪拌樁止水帷幕。經施工實踐檢驗，降水效果良好，且周邊建（構）筑物受降水影響較小，周邊地面沉降在可控范圍內。

3.1.2 地下水截水

經過大量工程實踐，目前最有效的方法是在地下水以下的道路設置鋼筋混凝土U形槽結構。U型槽結構的形式為底板相連的懸臂式擋墻，這種結構剛度大、變形小、穩(wěn)定性好、收坡支擋防水效果優(yōu)良，一方面可以起到擋土墻作用，另一方面可以較好地阻擋地下水滲入道路范圍，比起常規(guī)的擋墻結構，更適用于地下水豐富、地下水位較高的挖方地段。

3.1.3 地表水排水

除需阻隔地下水外，下穿段的地表水也應及時排除。由于下穿鐵路，引道路面標高較低，地下水和雨水收集后，管道排放口位于河道常水位以下，無法自流排放，故需設置雨水泵站，經排水系統(tǒng)收集、水泵提升后排放。

泵站的主要任務是及時排除暴雨時的地面徑流，泵站的位置一般設置在道路最低點和靠近排放河流一側。設計參數的取值要考慮下穿式道路地勢的特殊性，對于積水時間t、匯水面積F、徑流系數ψ以及重現期P的取值應考慮最不利條件的影響。設計雨水量計算公式為：

式中：ψ為徑流系數，瀝青混凝土路面0.95；F為匯水面積（m2）；q為杭州市暴雨公式（l/sha），q＝3360.04(1 +0.639lgT)/(t +11.945)0.825；T為設計重現期，按5年計；t=t1+mt2，設計降雨歷時，t1為10min，m為明溝，取1.2。

由于下穿通道排水不暢會引起城市內澇，且目前極端天氣概率增加，故在泵站設計中宜適當提高標準，并用短歷時降雨強度的極值進行校核。同時，泵站提升后的排水通道也是極為重要的問題，應盡量避免將出水排入市政管網而增加市政管網負擔，能排至附近河道為最優(yōu)。

3.1.4 結構接縫處理

目前常用的沉降縫是由鋼剪銷、止水帶等組成。鋼剪銷一般由Φ28的鋼筋及內徑為30mm的鐵套管組成。止水帶通常采用中埋式的橡膠止水帶或鋼邊止水帶，其布置見圖1。

在沉降縫的施工中，常因材料選擇、施工方法不當造成沉降縫滲漏現象。而立交橋使用期較長，止水帶所處的部位又難以維修，因此在設計中要提高工程安全度。施工中要給予高度重視，以保證工程質量。頂進期間要求對預埋的止水帶用型鋼等加以保護。

3.1.5 路基過渡段處理

粉砂土地區(qū)框架橋頂進就位后，對于鐵路路基過渡段的處理亦要加強重視。目前鐵路路基和框架橋過渡段處通常采用素混凝土回填，同時在路基兩側增設高壓旋噴樁止水帷幕，這在加固鐵路路基和防止路基塌陷效果良好。

3.2 改建項目設計要點

改建項目有兩個特點：（1）既有交通擁堵，需要道路拓寬；（2）由于地下水處理不到位，既有框架內雨季積水嚴重，交通時常中斷，除道路拓寬外還需對道路的排水系統(tǒng)進行重新改造。在粉土地區(qū)的此類改建項目除和新建項目關鍵點一致外，還要注意以下幾個問題。

3.2.1 新舊結構物接縫處理

新建結構的止水帶可以預埋，但既有框架橋無預埋止水帶，如果對既有框架橋結構開槽埋置止水帶，則對受力鋼筋造成破壞，影響結構受力性能，故在杭州市東信大道鐵路立交改擴建工程中采用了不對既有結構產生破壞且止水效果良好的丁基鋼板止水帶。沉降縫內設置丁基鋼板止水帶一條，遇水膨脹橡膠止水帶一條，同時預埋了注漿管，并在施工完成后進行注漿封閉，如圖2、圖3所示。該止水處理較好地解決了新舊結構接縫問題，經過建成通車若干年和暴雨的檢驗，止水效果良好。

圖1 沉降縫布置示意圖

圖2 止水帶安裝示意圖（單位：mm）

圖3 底板防水大樣圖（單位：mm）

3.2.2 既有框架橋下病害處理

粉砂土地區(qū)經常積水的框架橋底水土流失嚴重，在本工程中，對既有框架橋箱身基底亦采用傾斜壓密注漿的后處理方式加固，并在兩端設置高壓旋噴樁止水帷幕，主要作用為填補箱底水土流失產生的空洞，防止框架橋不均勻沉降，同時防止水土再次流失，如圖4所示。

圖4 既有框架地基處理示意圖

由于鐵路鋼軌變形控制較嚴格，鐵路下方注漿壓力建議在0.1～0.3MPa之間，具體應現場試驗，施工期間要嚴格觀測鐵路軌道及路基變化，及時對注漿參數進行調整。

4 結語

通過以上兩個工程實例，并結合杭州地區(qū)粉土的特性可以看出，頂進框架橋遇到該類地質情況時，無論是新建項目還是改建項目，工程設計中都應重視地下水的降排處理。在基坑支護、地下水降排、結構接縫處理、既有框架病害整治等時，應針對不同情況選取有效的止水避水措施。上述工程，經受了幾次強臺風的考驗，沒有因為框架橋地勢低而造成道路積水或中斷通行，取得了較好的社會效益與經濟效益。

[1] 郭棟良.淺議城市鐵路地道橋的選擇與設計[J].交通科技，2008，（4）：43-45.

[2] 鐵道部專業(yè)設計院標準設計管理處.框架式地道橋[M].北京：中國鐵道出版社，1979.

[3] 楊慧林.地道橋方案設計中應著重考慮的若干問題[J].鐵道標準設計，2004，（10）：81-83.

[4] 張建新.下穿式道路立交雨水泵站排水設計參數探討[J].給水排水，2012，（1）：30-35.