高晶晶

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)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(cè),承臺邊緣距離滬寧鐵路護(hù)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(fù)雜,施工高度受到嚴(yán)重限制,施工時(shí)必須對地下管線及鐵路護(hù)欄進(jìn)行臨時(shí)遷移.同時(shí),要求基坑施工時(shí),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(shí)的鐵路安全是重中之重,這必須對承臺基坑進(jìn)行支護(hù).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(hù)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(guān)系

圖2 滬寧鐵路與113#墩位承臺位置關(guān)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(xì)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(bǔ)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(jìn)行支護(hù),在鋼板樁內(nèi)側(cè)設(shè)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(shù),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(shí)插入補(bǔ)強(qiáng)材料 H型鋼,形成勁性復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu),內(nèi)側(cè)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(shí),綜合考略現(xiàn)場施工條件及工程造價(jià)等相關(guān)問題,在確?；娱_挖施工不影響鐵路路基的情況下,確定采用方案1進(jìn)行工程施工.

4.1 鋼板樁結(jié)構(gòu)

鋼板樁結(jié)構(gòu)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(cè)設(shè)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(biāo)高為為+1.155.共設(shè)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(biāo)高+2.155 m,高出地面0.5 m.

鋼板樁結(jié)構(gòu)布置如圖3所示.

圖3 鋼板樁布置示意圖

4.2 入土深度計(jì)算

4.2.1 設(shè)計(jì)取值.

(1)113#墩位承臺基坑開挖深度為地表以下4 m,計(jì)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(guān)文獻(xiàn),并按最不利狀況,其取值為34 kN/m2.

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

(5)根據(jù)相關(guān)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(shí),靠鐵路側(cè)荷載考慮全部由鋼板樁承受,而不考慮靠鐵路側(cè)參與受力,以提高鋼板樁設(shè)計(jì)安全系數(shù).

4.2.2 入土深度計(jì)算.

采用等值梁法計(jì)算鋼板樁的入土深度(見圖4).

圖4 鋼板樁土壓強(qiáng)計(jì)算圖示

(1)鋼板樁的反彎點(diǎn) t1計(jì)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(cè)主動土壓強(qiáng),pa=(γh+q0)·ka.

鋼板樁內(nèi)側(cè)開挖基坑內(nèi)側(cè)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(shí)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(cè)開挖基坑內(nèi)側(cè)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(qiáng)大小和水壓強(qiáng)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(jì)算截面點(diǎn)距地面的高度,坑底 h=4 m時(shí),p=58.643 kN/m2.

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

令p=p′,得h=6.74 m,此時(shí)主動土壓強(qiáng)與被動土壓強(qiáng)大小均為93.16kN/m2,

故,

(2)鋼板樁的入土深度 t計(jì)算.

如圖5所示,D點(diǎn)土壓強(qiáng)合力為零,其中BD段按連續(xù)梁計(jì)算,支座為內(nèi)支撐位置.計(jì)算得到 D點(diǎn)的支反力大小,p′=129.26 kN.

DA段對A點(diǎn)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(shí)際入土深度t為,

則鋼板樁的計(jì)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(qiáng)度驗(yàn)算

4.3.1 拉森 Ⅲ型鋼板樁驗(yàn)算.

拉森 Ⅲ型鋼板樁按簡支梁驗(yàn)算其強(qiáng)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(yàn)算.

鋼板樁內(nèi)側(cè)設(shè)置8道圍檁,圍檁和內(nèi)支撐均采用 H400×400型鋼,標(biāo)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(yīng)力為,σmax=130.4 MPa＜[δ]=145 MPa.

故,整個(gè)圍檁及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)受力滿足要求.

4.4 鋼板樁穩(wěn)定性驗(yàn)算

鋼板樁入土深度除保證本身的穩(wěn)定外,還應(yīng)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(dāng)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(shí),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(yùn)線的2%,但它承擔(dān)著全國10.2%的鐵路客運(yùn)量和7.2%的貨物周轉(zhuǎn)量,運(yùn)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(shí)速250 km/h的動車組.因此保證跨線橋施工時(shí)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(shí)必須采取嚴(yán)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(jìn)行施工放樣,確定鋼板樁位置進(jìn)行插打,鋼板樁插打完成后,方可進(jìn)行基坑的開挖;基坑采用人工配合反鏟挖掘機(jī)開挖,開挖過程中如發(fā)現(xiàn)滲水,應(yīng)及時(shí)排除,一旦出現(xiàn)大量涌水,應(yīng)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(yùn)走,以免影響施工;挖至距承臺底設(shè)計(jì)標(biāo)高約30 cm厚的最后一層土?xí)r,采用人工挖除修整,以保證土結(jié)構(gòu)不受破壞;為減少基坑暴露時(shí)間及防止地下水,在基坑開挖完成后,及時(shí)澆筑10 cm混凝土墊層防止地下水的滲入,同時(shí),在鋼板樁外側(cè)沿既有鐵路方向,每5 m設(shè)置一處沉降觀測點(diǎn),在承臺施工期間現(xiàn)場每2 h進(jìn)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(jì)沉降量大于10 mm時(shí)必須停止施工,并與監(jiān)理部門共同分析原因,制定補(bǔ)強(qiáng)措施.

6 方案實(shí)施效果

本施工方案實(shí)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(yùn)營,并保證了承臺的順利開挖施工.工程實(shí)踐表明,該施工方案對于軟土地基上沉降量要求嚴(yán)格的承臺施工有一定的借鑒意義.

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