铁路大桥主墩基坑支护设计施工技术范文

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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，如果在防护桩外围施工旋喷桩，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