李 偉

(中鐵一院 新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

箱形框架結(jié)構(gòu)頂進(jìn)下穿作為一種有效緩解既有道路平交道口交通滯塞問(wèn)題的重要技術(shù)手段，近些年在國(guó)內(nèi)市政交通及國(guó)鐵大線等領(lǐng)域的應(yīng)用已相當(dāng)普遍，與之相關(guān)的技術(shù)水平及理論體系亦逐漸趨于成熟[1-3]。有關(guān)研究指出，通過(guò)對(duì)框架結(jié)構(gòu)頂進(jìn)下穿工程案例的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合頂進(jìn)下穿施工工藝及生產(chǎn)組織安排，現(xiàn)階段，頂進(jìn)框架主體結(jié)構(gòu)多采用預(yù)制拼裝或基坑現(xiàn)澆等方式進(jìn)行[4]，然而，無(wú)論采用何種方式，主體框架結(jié)構(gòu)頂進(jìn)作業(yè)前，首先需對(duì)其作業(yè)范圍內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為框架主體結(jié)構(gòu)頂進(jìn)施工前重要的工程保障附屬措施，是保障主體結(jié)構(gòu)安全頂進(jìn)的前提和重點(diǎn)，其重要性不言而喻。

目前，關(guān)于框架結(jié)構(gòu)頂進(jìn)下穿施工技術(shù)的研究主要集中于施工工藝、結(jié)構(gòu)計(jì)算以及變形監(jiān)測(cè)、控制、糾偏等方面[5,6]。有學(xué)者以實(shí)際頂進(jìn)下穿工程案例為背景，通過(guò)對(duì)工程所遇問(wèn)題及工程特征的分析，對(duì)框架結(jié)構(gòu)頂進(jìn)下穿施工過(guò)程中的重點(diǎn)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討[7,8]；另有學(xué)者基于結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等理論，借助一定的數(shù)值計(jì)算軟件或程序，對(duì)下穿主體結(jié)構(gòu)的受力及變形特征進(jìn)行分析，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)主體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造及配置進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和處理[9,10]；還有學(xué)者依托具體工程項(xiàng)目，對(duì)施工過(guò)程中主體結(jié)構(gòu)的變形值及沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)結(jié)構(gòu)變形控制措施研究提供一定的理論指導(dǎo)[11,12]。上述關(guān)于頂進(jìn)下穿施工工藝、變形控制等研究，切實(shí)解決了一些實(shí)際工程問(wèn)題，對(duì)本文研究框架結(jié)構(gòu)頂進(jìn)下穿基坑合理支護(hù)參數(shù)具有一定的借鑒意義。

本文以某箱形框架結(jié)構(gòu)頂進(jìn)下穿既有鐵路工程為背景，以抗傾覆安全系數(shù)作為基坑圍護(hù)樁穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用理正深基坑軟件，對(duì)不同支護(hù)參數(shù)下基坑圍護(hù)樁的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行分析，為優(yōu)化基坑圍護(hù)樁支護(hù)參數(shù)、提高基坑圍護(hù)樁安全穩(wěn)定性提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

某工程采用箱形框架結(jié)構(gòu)頂進(jìn)下穿方式穿越一既有專用線，工程頂進(jìn)段長(zhǎng)度為60 m，框架結(jié)構(gòu)寬15 m，高10 m(頂板頂至底板底)，為保障頂進(jìn)作業(yè)進(jìn)度及工程質(zhì)量，擬建基坑共2座，既有線左右兩側(cè)各一座，沿線路起訖方向依次命名為1號(hào)和2號(hào)基坑。工程采用對(duì)頂方式進(jìn)行，兩基坑均采用放坡與圍護(hù)樁相結(jié)合的方式開(kāi)挖，基坑最大深度11.5 m，其中，放坡段坡高h(yuǎn)=3.5 m，坡率i=1∶0.75，圍護(hù)樁均采用懸臂樁，樁頂設(shè)冠梁，圍護(hù)樁樁頂(即冠梁頂)至基坑底的高度為8.0 m。工程縱斷面及1號(hào)基坑平面圖分別如圖1a)和圖1b)所示。

工程范圍內(nèi)的地層分布及各地層物理力學(xué)特性如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 計(jì)算模型建立

根據(jù)工程實(shí)際，采用理正深基坑軟件建立的懸臂樁計(jì)算模型如圖2所示。圖2中，放坡段坡高h(yuǎn)=3.5 m，坡率i=1∶0.75，圍護(hù)樁采用圓形截面，樁頂設(shè)冠梁，樁頂(即冠梁頂)至基坑底的長(zhǎng)度為8.0 m，圍護(hù)樁材料類型為鋼筋混凝土，樁身混凝土采用C30，內(nèi)力計(jì)算方法采用彈性法?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)按照一級(jí)基坑處理，支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

2.2 研究方案設(shè)計(jì)

基坑懸臂圍護(hù)樁的穩(wěn)定性受多種因素影響，通對(duì)有關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研和分析，基坑懸臂圍護(hù)樁穩(wěn)定性的主控影響因素大致可以歸納為樁徑、樁距(樁心距)、冠梁高度、嵌固深度等。根據(jù)上述圍護(hù)樁穩(wěn)定性影響因素，設(shè)計(jì)4因素4水平的正交試驗(yàn)方案，如表2所示。其中，圍護(hù)樁初始嵌固深度(l)按照0.8h(h為樁頂至基坑底高度)取值，此時(shí)l取6.5 m。

表2 研究方案

2.3 圍護(hù)樁穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了能夠?qū)Σ煌桨赶禄討冶蹏o(hù)樁的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合對(duì)比和分析，采用圍護(hù)樁抗傾覆性安全系數(shù)(K)對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)?？箖A覆性安全系數(shù)(K)可按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

其中，Mp為被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩；Ma為主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆彎矩。此處，抗傾覆安全系數(shù)K取1.25。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)表2中所列研究方案，對(duì)其中的各方案逐個(gè)進(jìn)行計(jì)算分析，以a1方案為例，計(jì)算得到的內(nèi)力包絡(luò)圖及地表沉降值變化特征分別如圖3，圖4所示。

根據(jù)表2中所列研究方案，對(duì)每個(gè)方案下抗傾覆安全系數(shù)、地表沉降值及懸臂樁每延米含鋼量三個(gè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。其中，考慮到工程實(shí)踐中常采取的地表沉降值參考依據(jù)，此處只統(tǒng)計(jì)采用拋物線法得到的計(jì)算結(jié)果。此外，由于1號(hào)和2號(hào)基坑均為一級(jí)基坑，因此，地表最大允許沉降值為11 mm[13]。

表3 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

為了能夠更加直觀的反映不同研究方案下抗傾覆安全系數(shù)與地表沉降值兩個(gè)參數(shù)的變化特征，根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制上述兩個(gè)參數(shù)的變化特征曲線如圖5所示。根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果，不同方案下每延米含鋼量變化特征如圖6所示。

對(duì)比分析圖5，圖6可知，除了a3,a6,a8,a11,a14和a166個(gè)方案同時(shí)滿足抗傾覆安全系數(shù)大于1.25且地表沉降值小于11 mm的要求之外，其他方案均不滿足。而在a3,a6,a8,a11,a14和a166個(gè)方案中，a14方案下每延米混凝土的含鋼量最低，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

綜合對(duì)比不同方案下基坑圍護(hù)樁抗傾覆安全系數(shù)、地表沉降值及每延米混凝土含鋼量三個(gè)指標(biāo)參數(shù)，a14方案為本文最優(yōu)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

以某箱形框架結(jié)構(gòu)頂進(jìn)下穿既有鐵路工程為背景，以抗傾覆安全系數(shù)作為基坑圍護(hù)樁穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用理正深基坑軟件，對(duì)不同支護(hù)參數(shù)下基坑圍護(hù)樁的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行研究，其中：

1)樁徑、樁距(樁心距)、冠梁高度、嵌固深度及樁身材料為影響基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的主控因素；

2)當(dāng)圍護(hù)樁樁徑采用1.0 m，樁心距為1.5 m，嵌固深度為8.0 m，冠梁高度為1.5 m時(shí)，基坑圍護(hù)樁抗傾覆安全系數(shù)滿足要求，同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。