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铁路大桥主墩基坑支护设计施工技术范文

时间:2022-04-01 02:05:55

铁路大桥主墩基坑支护设计施工技术

摘要:针对跨石德铁路特大桥的主墩深基坑临近既有线的工程实例,综合考虑了基坑位置的地质、水文条件,并且结合施工场地受限的实际情况,采用了钢筋混凝土防护桩作为支护主体、拉森钢板桩作为止水结构的基坑支护方案。制定了详细的施工工艺,并且对支护主体进行了理论计算。施工实践表明:基坑支护结构安全有效,并且在一定程度上节约了施工成本。

关键词:深基坑;支护设计;钢筋混凝土防护桩

1工程概况

跨石德铁路特大桥位于石家庄~济南客运专线SJZ-3标段,桥梁的里程:改DK100+485.80~改DK100+663.3。跨石德铁路特大桥位于冲积平原上,桥址处地势平缓,种植玉米、冬小麦为主的多种农作物,且有多条乡村道路穿过。根据设计院提供的地勘和水文资料,桥址区的地质参数:地层主要为第四系全新统冲积层及第四系全新统上更新统冲积层,土质由黏土、粉土细砂和中砂组成。另外,地面有人工堆积的杂填土。详细的土层参数如表1所示。桥址区的水文参数:桥址区地下水类型为第四系孔隙潜水,地下水主要由大气降水和地下水侧向径流组成,地下水水位埋深在1.40~4.00m(高程17.80~20.60m)。寒冷干燥、少雨雪。降雨量多集中在6~8月份,约占全年的70%。跨石德铁路特大桥在239#~242#墩位采用(48+80+48)m预应力混凝土连续梁结构,大桥在改DK100+566.40里程处与既有石德铁路斜交,交角为29°56′。连续梁的80m主跨需跨越石德铁路(电气化铁路)上、下行线。为了减小施工对既有线的影响,连续梁采用平行既有线现浇施工,然后转体,桥梁每个主墩位置的转体长度为78m,转体角度为29°56′,转体重量为5420t。由于连续梁的转体主墩240#(改DK100+534.55)和241#(改DK100+614.55)位于石德铁路两侧,且距离运营的石德铁路很近,因此两个主墩的承台基坑支护施工可能影响到运营线路的安全,需要进行科学设计、合理施工,保证既有线的安全。

2基坑支护方案的确定

由于连续梁240#和241#主墩位置临近营运繁忙的电气化铁路(石德铁路),主墩承台位置需要设置转体系统,因此主墩承台由两部分构成:下节段(需布置下转盘)为14m×4m×1.7m正方形结构;上节段(需布置上转盘)为八边形结构,厚度2.0m。桥梁两个主墩承台距离石德铁路均较近,其中240#墩位承台距离石德铁路最近,且底节承台外边缘紧邻石德铁路坡脚线,距离路肩的最近距离仅为3.26m,距离石德下行线中心线4.56m。240#承台与石德铁路的平面位置关系如图1所示。

2.1支护结构的选择

[1-4]由于连续梁的240#主墩承台紧邻既有线石德铁路,如果考虑到立模空间,则基坑支护结构距离石德铁路线会更近,因此基坑的开挖必然影响到铁路安全。此外,考虑到施工季节的地下水位位于地表以下约3.1m,该水位处于基坑开挖的深度范围以内,这就要求设计的支护结构必须具有一定的止水功能,防止基坑开挖过程中,因为排水量过大而导致铁路路基发生较大沉降,进而危及石德铁路的安全。根据主墩基坑开挖区域有地下水且临近既有线的实际情况,为了保证石德铁路的安全,基坑支护结构不仅要具有足够大的刚度,同时还必须具有止水的双重功能。基于此,目前常用的支护方案:采用大刚度的钻孔灌注桩作为主体支护结构,同时在灌注桩外侧施作旋喷桩形成止水帷幕,从而满足止水要求。但是结合本工程实际情况,如果在防护桩施工旋喷桩,部分旋喷桩位于路基边坡上,甚至在接触网的投影区域,施工机械容易危及电气铁路接触网的安全,同时由于场地限制,施工机械的站位布置也非常困难,因此,不宜施作旋喷桩止水帷幕。针对距离既有线最近的240#基坑,坑深5.8m,地下水位位于地表以下3.1m,距离坑底为2.7m,水头压力较小,经过权衡,最终决定采用钢筋混凝土防护桩作为支护主体,同时在防护桩内侧打设拉森钢板桩用于止水(在水头压力不大的情况下,钢板桩的止水效果能够满足要求)的支护方案。现场的土质条件(主要为粘土和砂类土)也方便钢板桩插打作业,并且钢板桩还可回收再利用,可以节约一定成本。

2.2支护详细方案与施工工艺

经过试算,最终决定采用直径为1.25m、间距1.5m的钢筋混凝土防护桩,其中距既有线最近的防护桩的桩轴线距离既有石德下行线路肩仅为1.77m。钢筋混凝土防护桩顶设置宽度1.4m、高度1.0m的冠梁层,冠梁层设置4个钢管角撑(直径400mm、壁厚6mm)。在钢筋混凝土防护桩的内侧打设长度12m拉森Ⅳ型钢板桩,钢板桩的顶面位于冠梁的下方(如图2(b)所示),拉森钢板桩的主要作用是止水、封水。拉森钢板桩长度范围内设置了两层围囹体系,采用双拼40a工字钢腰梁和钢管角撑(直径400mm、壁厚6mm)。支护结构布置如图2所示。基坑支护结构的施工具体步骤如下:①钢筋混凝土防护桩施工。为了保证石德铁路的安全,考虑到钻孔作业会影响到既有铁路路基的地基,对于石德铁路线接触网区域内的3根钢筋混凝土防护桩采用人工挖孔作业,其他防护桩采用旋挖钻钻孔施工。同时为了减小挖孔作业对已完成防护桩的影响,防护桩采用隔桩施工。②拉森钢板桩的施工。拉森钢板桩均位于接触网区域以外,在钢筋混凝土防护桩施工完毕后采用打桩机打入。③冠梁和角撑施工。施工时需要在冠梁的角撑位置布置预埋钢板,冠梁混凝土达到设计强度后,施工4个角撑钢管。④基坑开挖作业。采用排水开挖,开挖到距离冠梁中心2.3m位置,并超挖0.4m,布置第1层腰梁和4道角撑;继续开挖到距离第1层围囹中心1.9m,并超挖0.4m,布置第2层围囹体系;然后继续开挖到坑底位置,施工底节承台。基坑开挖过程中如果发现拉森钢板桩渗水,须及时堵漏。⑤基坑回填作业。底节承台施工完毕后,须及时回填夯实;待承台全部施工完毕、桥梁转体完成后,回填夯实,并逐层拆除腰梁和角撑;最后破除冠梁内边缘部分、拔出拉森钢板桩。

3支护结构计算

3.1支护结构受力分析与模拟

本支护结构中拉森钢板桩的主要作用是止水,钢筋混凝土防护桩才是主要的受力结构。虽然防护桩产生变形后会挤压拉森钢板桩,使得拉森钢板桩也承担部分荷载,显然拉森钢板桩的截面刚度远小于直径1.25m的钢筋混凝土防护桩,其受力很小,因此在计算时不计及拉森钢板桩的受力,只考虑防护桩承受外荷载。采用理正基坑软件的单元法计算,只计算受力最不利的、即距离铁路最近的单根钢筋混凝土防护桩。理正深基坑软件会根据土层参数和地下水位自动计算土(水)侧压力(坑外土层荷载从防护桩顶算起)。铁路路基和列车荷载如下取值:列车荷载在轨枕边缘按照45°扩散到路基底面,参照相关规范,列车荷载叠加上钢轨、轨枕和道砟的重量后取值60kPa,根据防护桩的位置,该荷载集度边缘(轨枕边缘向下45°扩散到路基底面的位置)距离防护桩轴线的水平距离为1.13m、距离防护桩顶1.3m,荷载作用宽度3.9m。约束方面:坑内侧土体对防护桩的作用按照约刚度结果:从图3(b)中可以看出:防护桩的最大水平位移11.62mm,参照《基坑支护技术规程》的规定:11.62mm<0.002×7100mm=14.2mm,满足设计要求。从图3(c)的包络图结果可以看出:钢筋混凝土防护桩的最大弯矩1230.93kN•m。对于直径1.25m的混凝土桩,采用混凝土等级为C30,配筋为18根HRB335Φ25钢筋,按照极限状态法计算得到防护桩的承载弯矩为1482.3kN•m,大于防护桩的弯矩值1230.93kN•m,其抗弯满足要求。实际上拉森钢板桩也承受了一部分弯矩,因此防护桩的实际束处理,即根据文可勒尔假定,按照m法简化为若干水平弹性支撑。对于围囹(包括冠梁层角撑),也将其简化为相应刚度的水平弹性支撑。

3.2支护结构计算

支护结构的计算采用理正深基坑7.0PB3版进行计算,只计算距离铁路最近的单根混凝土防护桩,该位置基坑深度为7.1m,计算按照一级基坑标准。根据基坑施工工序,基坑支护结构的计算共有以下几个主要工况。工况1:防护桩、钢板桩和冠梁施工完毕,坑内开挖至距离冠梁顶面1.0m,冠梁层角撑布置完成;工况2:继续开挖到距离冠梁中心2.7m位置,施工第1层腰梁和角撑;工况3:开挖到距离第1层围囹中心2.3m,施工第2层腰梁和角撑;工况4:继续排水开挖,直到坑底位置。理正软件最终计算得到各个工况的计算结果,因为篇幅所限,下面给出所用工况的包络图结果,如图3所示。弯矩会小于1230.93kN•m。防护桩的抗剪一般不控制设计,因此不再进行计算。此外防护桩的变形必然会引起周围地基的沉降,防护桩周围地基沉降计算结果如图4所示。从图4可以看出,防护桩引起的石德铁路下行线中线下方(距离防护桩3.08m)的最大沉降数值按照指数法计算结果最小为0.9mm,按照三角形法和抛物线法为2.5mm和8.0mm,其平均值3.83mm,满足铁路部门要求的5.0mm的沉降要求。实际上,由于拉森钢板桩也会承担一部分土压力荷载,因此,基坑周围地基的实际沉降会更小,故防护桩支护结构引起的铁路地基沉降满足要求,并且有一定的安全储备。

3.3结果分析

为了保证基坑支护结构和营运铁路的安全,在基坑施工期间对基坑的位移和地基的沉降进行了监测。监测结果(最大值)与理论计算值比较如表2所示。从表2可以看出,腰梁中点最大水平位移为8.8mm,考虑到拉森钢板桩和混凝土防护桩之间不可能严格密贴,因此混凝土防护桩的实际水平位移应小于该值。实测监测值8.8mm与理正软件计算得到的防护桩最大水平位移11.62mm基本吻合;石德铁路下行线中线位置的最大沉降实测值为0.6mm,与计算值0.9mm(指数法)也基本吻合。表明计算结果基本准确,计算方法基本能够反映支护结构的实际工作状态。

4结束语

施工实践表明:基坑防护主体安全可靠,拉森钢板桩止水效果良好,所采用基坑支护方案不仅保证了运营铁路的安全,并且拉森钢板桩可回收再利用,节约了成本,取得了很好的效果。

参考文献

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[3]李军权.深基坑支护结构的优化设计[J].中外建筑,2016(02):112-113

[4]成依容.浅谈深基坑中支护施工的问题[J].科技展望,2014(11):49

作者:孙铁 单位:中铁十九局集团第五工程有限公司

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