馬文龍

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司杭州設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的不斷高速發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在不斷完善。作為國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈和大眾化的交通工具,鐵路的投資不斷擴(kuò)大,鐵路等級(jí)不斷提高,國(guó)內(nèi)鐵路建設(shè)中情況復(fù)雜、技術(shù)難度大的橋梁數(shù)量也越來越多。對(duì)于鐵路橋墩深基坑而言,雖然在設(shè)計(jì)方案和施工技術(shù)等方面均已有了重大突破,解決了不少設(shè)計(jì)不合理、安全性與經(jīng)濟(jì)性不協(xié)調(diào)的案例。不過,對(duì)于本文所舉工程案例中,鄰近鐵路營(yíng)業(yè)線、涉河鐵路橋墩深大基坑而言,考慮到鐵路營(yíng)業(yè)線運(yùn)營(yíng)安全性要求較嚴(yán)格、涉河基坑滲流問題較突出的特點(diǎn),如何做好此類基坑設(shè)計(jì),指導(dǎo)施工,不緊關(guān)系到整個(gè)橋梁的經(jīng)濟(jì)性、施工期間的安全性、便捷性和進(jìn)度；還關(guān)系到鐵路干線運(yùn)營(yíng)安全!傳統(tǒng)的橋梁工程深基坑施工大多采取鋼板樁圍堰支護(hù)、鉆孔樁支護(hù)、雙排樁支護(hù)等方案,本文在以往研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合改建宣杭鐵路湖州特大橋工程復(fù)雜的地質(zhì)、航道及外界條件,對(duì)深基坑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選研究,這將對(duì)類似工程方案設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程背景

改建宣杭鐵路工程湖州特大橋全長(zhǎng)1419.62 m,其中跨長(zhǎng)湖申主航道設(shè)計(jì)為一孔96 m鋼桁梁跨越,鋼桁梁37#橋墩設(shè)計(jì)采用直徑7 m的圓形橋墩,墩高為13.85 m,承臺(tái)平面尺寸為10.4 m×10.4 m,樁基為9根1.5 m鉆孔樁。根據(jù)詳勘資料,橋址墩位基坑位置處場(chǎng)地地質(zhì)情況為素填土、粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土,其中,淤泥層厚達(dá)18.8 m。場(chǎng)地地質(zhì)情況見表1。

該橋墩基坑邊緣與宣杭鐵路中心線最近的間距為28.5 m,基坑平面處于鐵路安全保護(hù)范圍內(nèi),基坑施工過程中需對(duì)鐵路線路進(jìn)行監(jiān)測(cè),并須與既有鐵路相關(guān)管理單位溝通,通過鐵路相關(guān)部門方案安全性審核后方可實(shí)施。

圖1 37#橋墩平縱面圖

地層編號(hào)巖土名稱巖土狀態(tài)①素填土松散②粉質(zhì)黏土軟塑③-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土流塑③-2砂質(zhì)粉土中密⑤-1細(xì)砂中密⑥粉質(zhì)黏土軟塑⑦-1凝灰?guī)r全風(fēng)化⑦-2凝灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化⑦-3凝灰?guī)r弱風(fēng)化

根據(jù)航道部門提供的資料,規(guī)劃航道將于后期拓寬,考慮到規(guī)劃河道(限制性Ⅲ級(jí)航道)設(shè)計(jì),根據(jù)規(guī)劃河道斷面防沖刷計(jì)算,確定承臺(tái)埋深(圖1)。由于改建鐵路橋梁施工時(shí),河道并未拓寬,37#橋墩位于河灘上,既有河灘與規(guī)劃河道高差達(dá)到5～6 m,見圖1,承臺(tái)底設(shè)計(jì)標(biāo)高為-8.05 m,地面標(biāo)高為4.62 m,基坑設(shè)計(jì)深度為12.75 m,總共考慮了三種方案：1)鋼板樁圍堰+斜內(nèi)撐；2)鉆孔樁+斜內(nèi)撐；3)雙排樁+冠梁。

2 基坑設(shè)計(jì)方案比選

針對(duì)案例中的情況,本文制定了三種基坑方案進(jìn)行比較研究。各方案詳細(xì)情況見表2、圖2。

1)鋼板樁圍堰+斜內(nèi)撐方案

鋼板樁圍堰主要由四周鋼板樁、內(nèi)支撐體系、封底混凝土組成[1]。鋼板樁圍堰在廣泛的應(yīng)用中已經(jīng)日臻成熟，具有許多優(yōu)勢(shì)：包括高強(qiáng)度、緊密防漏水性好、利用效率高、施工便捷周期短、成本較低等[1]。鋼板樁圍堰是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)體系,而以往成熟的研究計(jì)算方法大多是平面方法,其中,平面有限元法和等值梁法最為常用,但此類平面方法計(jì)算與實(shí)際情況偏差還是比較大的[4]。本文將結(jié)合工程實(shí)例,采用空間有限元方法和模型對(duì)鋼板樁進(jìn)行分析計(jì)算。

本方案情況由于基坑頂放坡4 m,河灘側(cè)需采用9 m拉森鋼板樁+筑島圍堰以實(shí)現(xiàn)基坑頂放坡。模型計(jì)算采用理正空間有限元分析軟件,計(jì)算模型見圖3。鋼板樁采用理正連續(xù)墻鋼板樁單元模擬,內(nèi)撐采用梁?jiǎn)卧M。內(nèi)撐與鋼板樁采用剛接。

2)鉆孔樁+斜內(nèi)撐方案

鉆孔樁基坑由鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁止水帷幕、內(nèi)支撐體系、封底碎石墊層組成。具有施工工藝成熟、剛度大、穩(wěn)定性強(qiáng)、安全度高等特點(diǎn)。本方案中將采用三維空間有限元法對(duì)鉆孔樁基坑方案進(jìn)行模擬分析，見圖4。鉆孔樁采用排樁單元,內(nèi)撐采用梁?jiǎn)卧M。內(nèi)撐與鋼板樁采用剛接。

表2 方案情況表

圖2 各方案情況

圖3 方案一有限元模型

圖4 方案二有限元模型

3)雙排樁+冠梁方案

雙排樁基坑是由兩排鉆孔灌注樁通過冠梁連接,與樁間的高壓旋噴樁止水帷幕組成的懸臂基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。該方案還在雙排樁基坑頂設(shè)置了冠梁。以往對(duì)雙排樁的分析方法是將雙排樁視為剛架,采用土力學(xué)原理來進(jìn)行計(jì)算,但這種方法并未真實(shí)反映支護(hù)體系的受力機(jī)理。須采用接近實(shí)際受力狀況的簡(jiǎn)化方法對(duì)其受力機(jī)理進(jìn)行分析[2]。本文采用“樁-土”共同工作支護(hù)體系受力機(jī)理,將雙排樁、連梁、 土組成的結(jié)構(gòu)看作等代桁架進(jìn)行分析計(jì)算[2]，

見圖5。

各方案計(jì)算結(jié)果匯總見表3。從結(jié)果可以看出,由于鋼板樁、框架式鋼結(jié)構(gòu)支撐體系均采用Q345鋼,根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50017—2003)》鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為295 MPa,故鋼構(gòu)件均滿足強(qiáng)度要求,其中方案一內(nèi)撐應(yīng)力狀態(tài)最不利；方案二和方案三均采用鉆孔灌注樁,根據(jù)已有研究成果,圓形截面抗彎承載能力指標(biāo)為[M]=979 kN·m[3],因此鉆孔樁內(nèi)力也滿足要求。其中以方案三的安全度為最高。

圖5 方案三有限元模型

方案方案一:鋼板樁圍堰+斜內(nèi)撐方案二:鉆孔樁+斜內(nèi)撐方案三:雙排樁+冠梁樁承載力最大應(yīng)力130.73MPa最大彎矩944.80kN·m最大彎矩743.21kN·m最不利工況下鋼支撐最大應(yīng)力/MPa273.0267.0145.9樁頂位移/mm21.197.1415.20

4)方案比選

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)給出各方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(預(yù)估)進(jìn)行對(duì)比，見表3。

表3 各方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

對(duì)于本文提及的三種方案,將從力學(xué)性能(安全性)、成本(經(jīng)濟(jì)性)、施工工序、場(chǎng)地條件、工期等方面進(jìn)行方案比選。方案一,強(qiáng)度安全富裕較少,樁頂位移較大,對(duì)鐵路營(yíng)業(yè)線的影響相對(duì)較高；并需要在河灘增設(shè)草袋+鋼板樁圍堰,工序較復(fù)雜,但是鋼板樁具有施工便捷,成本低等優(yōu)勢(shì)；方案三,安全度較高,具有良好的安全儲(chǔ)備,但雙排樁鉆孔樁數(shù)量較多,投資較大,施工周期較長(zhǎng)；方案二各項(xiàng)指標(biāo)均適中。但內(nèi)撐數(shù)量較多,不利于橋墩下部結(jié)構(gòu)混凝土的現(xiàn)澆施工。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)工程實(shí)際中鄰近營(yíng)業(yè)線新建鐵路橋墩的特殊情況,制定三種基坑設(shè)計(jì)方案,分別進(jìn)行建模計(jì)算分析。并根據(jù)主要指標(biāo)進(jìn)行方案比選，得到以下結(jié)論：

1) 根據(jù)方案比選結(jié)果可以看出，方案二各項(xiàng)指標(biāo)均較適中,且對(duì)鐵路營(yíng)業(yè)線影響最小,推薦采用。

2) 對(duì)于采用框架式內(nèi)撐結(jié)構(gòu)時(shí),在進(jìn)行三維有限元計(jì)算中,需注意腰梁四個(gè)角點(diǎn)位置的彎矩計(jì)算結(jié)果偏大,需進(jìn)行削峰處理。

3) 針對(duì)鄰近營(yíng)業(yè)線橋墩基坑支護(hù)結(jié)構(gòu),對(duì)常見的幾種基坑形式進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算和主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的比對(duì)。所采用的計(jì)算方法及各類基坑形式的優(yōu)、劣勢(shì)的比較結(jié)果都具有一定的工程參考價(jià)值。

[1] 王國(guó)斌,劉衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

[2] 齊甦,張利略,殷坤龍等.懸臂雙排樁深基坑支護(hù)體系的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)開發(fā),2008,35(8):5565．

[3] 楊生貴,楊斌.圓形截面鋼筋混凝土樁正截面受彎承載力計(jì)算[J].建筑科學(xué),2004,20(1):4350．