淺談鐵路橋梁工程流砂地帶挖井基礎(chǔ)施工技術(shù)研究

努爾麥麥提·阿卜杜拉

中國水利水電第八工程局有限公司

淺談鐵路橋梁工程流砂地帶挖井基礎(chǔ)施工技術(shù)研究

努爾麥麥提·阿卜杜拉

中國水利水電第八工程局有限公司

橋梁建筑是確保鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)暢通無阻的重要基礎(chǔ)設(shè)備之一，隨著機(jī)車軸重不斷增加、列車速度不斷提高，對橋梁建筑設(shè)計(jì)的要求也越來越高。本文通過結(jié)合鐵路橋梁流砂地帶挖井基礎(chǔ)施工實(shí)例，對挖井基礎(chǔ)施工工藝進(jìn)行詳細(xì)闡述，為同類工程提供參考價(jià)值。

鐵路橋梁；流砂地帶；挖井基礎(chǔ)；施工技術(shù)

引言

我國鐵路網(wǎng)日益完善，鐵路橋梁的建設(shè)數(shù)量和規(guī)模都在不斷擴(kuò)大。在鐵路橋梁基礎(chǔ)中，挖井基礎(chǔ)占據(jù)著重要地位，這樣就需要充分運(yùn)用好挖井基礎(chǔ)施工技術(shù)，有效保障鐵路橋梁工程施工的順利進(jìn)行，保證施工質(zhì)量。挖井基礎(chǔ)施工時(shí)，施工難度就在于坑壁的處理，若處理不妥，將嚴(yán)重影響基坑的施工質(zhì)量、安全及工程進(jìn)度。因此，在基礎(chǔ)基坑，尤其是流砂地帶含水豐富地區(qū)的基坑施工中必須采取合理有效的方法防止流砂并排出基坑內(nèi)及周圍土體中多余的水。為達(dá)到質(zhì)量目標(biāo)，宜采用井點(diǎn)降水施工法、護(hù)壁支護(hù)法，其成本較低、工藝簡單，且容易進(jìn)行施工操作。

1 工程實(shí)例簡介及施工方案

1.1 工程簡介

挖井基礎(chǔ)是先挖好井孔再澆筑混凝土而形成的深基礎(chǔ)，它的功能和沉井基礎(chǔ)一樣，而主要區(qū)別在施工方法。挖井基礎(chǔ)施工，是用機(jī)械配合人工修整的方式開挖井孔，穿過軟土層到達(dá)能勝任上邊荷載的持力層上。這種開挖工作一般用木板、鋼板做支撐或用鋼筋混凝土護(hù)壁支護(hù)。

流砂是土體的一種現(xiàn)象，通常細(xì)顆粒、顆粒均勻、松散、飽和的非粘性土容易發(fā)生這個(gè)現(xiàn)象。流砂的形成是多種多樣的，但它對建筑物的安全和正常使用影響極大，可以通過預(yù)防等手段制止流沙現(xiàn)象。

當(dāng)基坑開挖到地下水位以下時(shí)，有時(shí)坑底土?xí)M(jìn)入流動(dòng)狀態(tài)，隨地下水涌入基坑，這種現(xiàn)象稱為流砂現(xiàn)象。此時(shí)，基底土完全喪失承載能力，施工條件惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成邊坡塌方，甚至危及鄰近建筑物。

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不僅要選擇在地質(zhì)條件好的場地上從事建設(shè)，而且有時(shí)不得不在地質(zhì)條件不良的地基上進(jìn)行施工；另外，隨著科技的日益發(fā)展，結(jié)構(gòu)荷載增大，對變形要求越來越嚴(yán)，因此必須要選擇最恰當(dāng)?shù)牡鼗幚矸椒▉硎┕ぁ?/p>

某特大橋共有118個(gè)橋墩(臺(tái))，橋梁基礎(chǔ)形式有鉆孔樁、明挖基礎(chǔ)和挖井基礎(chǔ)三種類型，其中挖井基礎(chǔ)采用的是矩形挖井基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)尺寸13m×7m、12.5m×7m(長×寬)，高4m～5.5m。本區(qū)段地層巖性主要為表覆第四系全新沖積層粉質(zhì)黏土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、細(xì)圓礫土，下伏中生代燕山晚期侵入二長花崗巖及閃長巖

本文主要以該特大橋48#墩挖井基礎(chǔ)為例，其結(jié)構(gòu)尺寸為13m×7m×5m(長×寬×高)。基礎(chǔ)施工過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)條件與地勘中闡述出入較大。由于施工場地處老河道地帶，原地塊為農(nóng)業(yè)用田，而且在試挖時(shí)發(fā)現(xiàn)地下水相當(dāng)豐富，又遇到了細(xì)砂、粉砂土層，在水壓力的作用下，極易發(fā)生流砂現(xiàn)象。整個(gè)挖井基礎(chǔ)開挖環(huán)境相對比較惡劣。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，為確保施工作業(yè)人員安全、確保挖井基礎(chǔ)施工成型質(zhì)量，以及根據(jù)挖井基礎(chǔ)施工規(guī)程及我公司以往施工類似工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況采取切實(shí)的應(yīng)對方案。

1.2 施工方案

挖井基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土護(hù)壁，必須垂直開挖，嚴(yán)禁采用機(jī)械放坡施工。用挖機(jī)進(jìn)行垂直分層開挖，人工配合修整，每次開挖深度1～1.5m，然后立模板施做鋼筋混凝土護(hù)壁；護(hù)壁采用C20混凝土，當(dāng)強(qiáng)度滿足要求后，再開挖下層土石方。開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高，基底檢驗(yàn)合格，并完成護(hù)壁施工后，進(jìn)行挖井基礎(chǔ)鋼筋及墩身預(yù)埋鋼筋綁扎安裝，最后澆筑挖井基礎(chǔ)混凝土，挖井基礎(chǔ)混凝土施工時(shí)不立設(shè)模板。

2 施工工藝及技術(shù)

2.1 施工準(zhǔn)備

首先，施工技術(shù)人員認(rèn)真對施工設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行復(fù)核，包括基礎(chǔ)各部位尺寸、標(biāo)高進(jìn)行現(xiàn)場核對，包括原地面標(biāo)高以墩位環(huán)境。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況與周圍環(huán)境情況，制定具體開挖方案，繪制墩位基坑開挖方案圖，指定棄土位置并規(guī)劃回填土堆放地點(diǎn)與后續(xù)工序(鋼筋、模板的轉(zhuǎn)運(yùn)與混凝土的澆注)的工作平臺(tái)，落實(shí)生產(chǎn)用水的來源。

其次，進(jìn)行場地平整，鏟除松軟的土層并夯實(shí)；測量放樣定出挖井基礎(chǔ)準(zhǔn)確位置并設(shè)置護(hù)樁，護(hù)樁采用木方樁外包混凝土形式埋設(shè)穩(wěn)固，以供隨時(shí)檢測基礎(chǔ)中心和標(biāo)高；基坑四周挖排水溝，做好排水系統(tǒng)，及時(shí)排除地表水；安裝提升設(shè)備；布置好出渣道路；合理堆放材料和機(jī)具，使其不增加井壁壓力、影響施工。

2.2 基坑開挖及護(hù)壁施工

基礎(chǔ)開挖采用垂直開挖、邊挖邊護(hù)的開挖方式。護(hù)壁厚度一般是根據(jù)土層巖性確定，然后按照基礎(chǔ)尺寸及護(hù)壁厚度，確定基礎(chǔ)開挖平面尺寸。護(hù)壁從設(shè)計(jì)挖井基礎(chǔ)頂面標(biāo)高處開始施工，頂面以上放坡開挖，邊坡坡度根據(jù)具體土質(zhì)情況取值為1：1～1：0.5，并在鎖扣處預(yù)留50cm工作平臺(tái)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況并結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，基坑護(hù)壁厚度設(shè)為50cm，因此開挖尺寸要比設(shè)計(jì)尺寸每邊外擴(kuò)50cm，以保證護(hù)壁施工。挖掘時(shí)，不必要把護(hù)壁巖層修整成光面，使巖層稍有凹凸不平，可以增加摩阻力，使護(hù)壁更加穩(wěn)固。

開挖采用挖掘機(jī)開挖配合人工修整的方式。挖掘機(jī)開挖基坑中心部分，靠近井壁四周約 30cm 的范圍采用人工開挖修整，可以減少超挖，同時(shí)較易控制井壁垂直度。基坑開挖與護(hù)壁連續(xù)交替作業(yè)，每節(jié)開挖深度為1.5m，開挖后立即進(jìn)行護(hù)壁作業(yè)，以免基坑側(cè)壁長時(shí)間暴露或其他情況擾動(dòng)造成坍塌。開挖完成后進(jìn)行測量復(fù)核，井口平面尺寸、偏差和井壁垂直度符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后立即進(jìn)行鎖口和護(hù)壁混凝土施工。護(hù)壁采用C20混凝土，內(nèi)配置鋼筋網(wǎng)片，以增加護(hù)壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

在上一節(jié)護(hù)壁強(qiáng)度達(dá)到要求后，再進(jìn)行下部開挖，開挖時(shí)注意機(jī)械避免碰觸施工完成的護(hù)壁。開挖時(shí)長度方向可分段開挖，每挖一段及時(shí)綁扎鋼筋、立模板澆筑混凝土護(hù)壁，以防側(cè)壁坍塌。深度開挖較深時(shí)，采用長臂挖機(jī)施工，提高工作效率。挖掘機(jī)開挖至離基底設(shè)計(jì)標(biāo)高10cm～20cm時(shí)，采用人工清至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

在開挖的過程中要做好排水措施，在開挖基礎(chǔ)的附近處，設(shè)置集水井，用吸砂泵或離心式水泵不停的向外排水，集水井的設(shè)置位置要根據(jù)基坑平面開頭與大小、土質(zhì)與地下水位的高度與流向、降水深度等決定，設(shè)置在地下水流的上游一側(cè)。整個(gè)抽水過程要持續(xù)到土方和基礎(chǔ)施工結(jié)束時(shí)為止。

2.3 護(hù)壁驗(yàn)算

挖井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)高度為4～6m，基礎(chǔ)頂面以上表土在0.5～1m左右。井壁支護(hù)開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高，每段的井壁都受到各自的最大水平側(cè)壓力，同時(shí)產(chǎn)生最大水平內(nèi)力。為保證施工安全，通常取每段井壁受力最大的單位高度(即每段井壁最下部的1m)進(jìn)行計(jì)算。此處計(jì)算選取最深一段底部1m進(jìn)行計(jì)算。

參數(shù)選取：由于基礎(chǔ)處于礫石、細(xì)砂土區(qū)域，故土的重度取γ=19KN/m3，內(nèi)摩擦角φ=30°，粘聚力c=30Kpa，48#墩基礎(chǔ)就夠尺寸13m×7m×5m(長×寬×高)，故基坑開挖深度取H=5m，選取最大基坑尺寸13m×7m。

支護(hù)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

地面附加荷載土壓力按下式計(jì)算：

式中：

經(jīng)計(jì)算得：

圖a地面附加載壓力受力圖

圖b井壁內(nèi)力受力圖

1、井壁支護(hù)內(nèi)力計(jì)算

1)井壁支護(hù)水平內(nèi)力計(jì)算

最底部1m按受力最大的單位高度井壁計(jì)算，則q=57.98KN/m3；

式中：a——井壁短邊(m)；

b——井壁長邊(m)；

(2)跨中

(3)跨中

2)井壁的垂直受力計(jì)算

(1)井壁按照等截面方式計(jì)算

式中：Smax——最大拉力；

G0——井壁自重；

2、井壁支護(hù)截面驗(yàn)算

1)側(cè)向壓力作用下井壁支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

井壁支護(hù)在側(cè)向壓力作用下，截面上同時(shí)作用有軸向力N和彎矩M，井壁采用對稱配筋。

選取長邊受壓截面計(jì)算，b=1000mm，h=500mm，as=as`=40mm，h0=h-as=460mm，fcm=10.0N/mm2，fy= fy`=360N/mm2，結(jié)構(gòu)系數(shù)rd=1.2。

式中：b、h——井壁計(jì)算截面的單位寬度和高度度；

as、as`——受拉和受壓鋼筋保護(hù)層；

h0——井壁計(jì)算截面的單位寬度；

fcm——混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

fy、fy`——鋼筋抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

As、As`——鋼筋面積c㎡；

e——軸向力作用點(diǎn)至受拉鋼筋合力點(diǎn)的距離，

故

選取雙向C12@150鋼筋。

2)井壁支護(hù)垂直受拉鋼筋計(jì)算

井壁支護(hù)在最大豎向拉力作用下需配置豎向鋼筋，可按軸向受拉構(gòu)件，鋼筋需要截面積AS為：