邻近营业线铁路桥墩深基坑支护设计方案

GXF360 2018-04-13

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随着我国经济、社会的不断高速发展,基础设施建设也在不断完善。作为国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具,铁路的投资不断扩大,铁路等级不断提高,国内铁路建设中情况复杂、技术难度大的桥梁数量也越来越多。对于铁路桥墩深基坑而言,虽然在设计方案和施工技术等方面均已有了重大突破,解决了不少设计不合理、安全性与经济性不协调的案例。不过,对于本文所举工程案例中,邻近铁路营业线、涉河铁路桥墩深大基坑而言,考虑到铁路营业线运营安全性要求较严格、涉河基坑渗流问题较突出的特点,如何做好此类基坑设计,指导施工,不紧关系到整个桥梁的经济性、施工期间的安全性、便捷性和进度；还关系到铁路干线运营安全!传统的桥梁工程深基坑施工大多采取钢板桩围堰支护、钻孔桩支护、双排桩支护等方案,本文在以往研究的基础上,结合改建宣杭铁路湖州特大桥工程复杂的地质、航道及外界条件,对深基坑设计方案进行比选研究,这将对类似工程方案设计具有指导和借鉴意义。

1 工程背景

改建宣杭铁路工程湖州特大桥全长1419.62 m,其中跨长湖申主航道设计为一孔96 m钢桁梁跨越,钢桁梁37#桥墩设计采用直径7 m的圆形桥墩,墩高为13.85 m,承台平面尺寸为10.4 m×10.4 m,桩基为9根1.5 m钻孔桩。根据详勘资料,桥址墩位基坑位置处场地地质情况为素填土、粉质黏土和淤泥质黏土,其中,淤泥层厚达18.8 m。场地地质情况见表1。

该桥墩基坑边缘与宣杭铁路中心线最近的间距为28.5 m,基坑平面处于铁路安全保护范围内,基坑施工过程中需对铁路线路进行监测,并须与既有铁路相关管理单位沟通,通过铁路相关部门方案安全性审核后方可实施。

图1 37#桥墩平纵面图

表1 工程地质表

地层编号岩土名称岩土状态①素填土松散②粉质黏土软塑③-1淤泥质粉质黏土流塑③-2砂质粉土中密⑤-1细砂中密⑥粉质黏土软塑⑦-1凝灰岩全风化⑦-2凝灰岩强风化⑦-3凝灰岩弱风化

根据航道部门提供的资料,规划航道将于后期拓宽,考虑到规划河道(限制性Ⅲ级航道)设计,根据规划河道断面防冲刷计算,确定承台埋深(图1)。由于改建铁路桥梁施工时,河道并未拓宽,37#桥墩位于河滩上,既有河滩与规划河道高差达到5～6 m,见图1,承台底设计标高为-8.05 m,地面标高为4.62 m,基坑设计深度为12.75 m,总共考虑了三种方案：1)钢板桩围堰+斜内撑；2)钻孔桩+斜内撑；3)双排桩+冠梁。

2 基坑设计方案比选

针对案例中的情况,本文制定了三种基坑方案进行比较研究。各方案详细情况见表2、图2。

1)钢板桩围堰+斜内撑方案

钢板桩围堰主要由四周钢板桩、内支撑体系、封底混凝土组成[1]。钢板桩围堰在广泛的应用中已经日臻成熟，具有许多优势：包括高强度、紧密防漏水性好、利用效率高、施工便捷周期短、成本较低等[1]。钢板桩围堰是一个空间结构体系,而以往成熟的研究计算方法大多是平面方法,其中,平面有限元法和等值梁法最为常用,但此类平面方法计算与实际情况偏差还是比较大的[4]。本文将结合工程实例,采用空间有限元方法和模型对钢板桩进行分析计算。

本方案情况由于基坑顶放坡4 m,河滩侧需采用9 m拉森钢板桩+筑岛围堰以实现基坑顶放坡。模型计算采用理正空间有限元分析软件,计算模型见图3。钢板桩采用理正连续墙钢板桩单元模拟,内撑采用梁单元模拟。内撑与钢板桩采用刚接。

2)钻孔桩+斜内撑方案

钻孔桩基坑由钻孔灌注桩、高压旋喷桩止水帷幕、内支撑体系、封底碎石垫层组成。具有施工工艺成熟、刚度大、稳定性强、安全度高等特点。本方案中将采用三维空间有限元法对钻孔桩基坑方案进行模拟分析，见图4。钻孔桩采用排桩单元,内撑采用梁单元模拟。内撑与钢板桩采用刚接。

表2 方案情况表

方案方案一:钢板桩围堰+斜内撑方案二:钻孔桩+斜内撑方案三:双排桩+冠梁基坑平面尺寸14.4m×14.4m13.4m×13.4m18m×18m基坑深基坑顶放坡4m,基坑深8.75m基坑顶放坡2.5m,基坑深9.45m基坑顶放坡2.5m,基坑深9.45m桩型拉森Ⅳ型钢板桩Φ1.0m圆桩Φ1.0m圆桩桩长18m30.75m30.75m内撑三道框架式钢结构,竖向最小间距3m四道框架式钢结构,竖向最小间距为2.5m框架式钢结构冠梁止水帷幕—三层Φ600mm高压旋喷桩止水帷幕Φ0.8m高压旋喷桩止水帷幕封底结构1m厚混凝土200mm混凝土垫层200mm混凝土垫层

图2 各方案情况

图3 方案一有限元模型

图4 方案二有限元模型

3)双排桩+冠梁方案

双排桩基坑是由两排钻孔灌注桩通过冠梁连接,与桩间的高压旋喷桩止水帷幕组成的悬臂基坑支护结构。该方案还在双排桩基坑顶设置了冠梁。以往对双排桩的分析方法是将双排桩视为刚架,采用土力学原理来进行计算,但这种方法并未真实反映支护体系的受力机理。须采用接近实际受力状况的简化方法对其受力机理进行分析[2]。本文采用“桩-土”共同工作支护体系受力机理,将双排桩、连梁、土组成的结构看作等代桁架进行分析计算[2]，

见图5。

各方案计算结果汇总见表3。从结果可以看出,由于钢板桩、框架式钢结构支撑体系均采用Q345钢,根据《钢结构设计规范(GB 50017—2003)》钢材强度设计值为295 MPa,故钢构件均满足强度要求,其中方案一内撑应力状态最不利；方案二和方案三均采用钻孔灌注桩,根据已有研究成果,圆形截面抗弯承载能力指标为[M]=979 kN·m[3],因此钻孔桩内力也满足要求。其中以方案三的安全度为最高。

图5 方案三有限元模型

表3 各方案计算结果对比

方案方案一:钢板桩围堰+斜内撑方案二:钻孔桩+斜内撑方案三:双排桩+冠梁桩承载力最大应力130.73MPa最大弯矩944.80kN·m最大弯矩743.21kN·m最不利工况下钢支撑最大应力/MPa273.0267.0145.9桩顶位移/mm21.197.1415.20

4)方案比选

根据设计经验给出各方案经济指标(预估)进行对比，见表3。

表3 各方案经济指标对比表

项目估算/元方案一673920方案二1386800方案三2125900

对于本文提及的三种方案,将从力学性能(安全性)、成本(经济性)、施工工序、场地条件、工期等方面进行方案比选。方案一,强度安全富裕较少,桩顶位移较大,对铁路营业线的影响相对较高；并需要在河滩增设草袋+钢板桩围堰,工序较复杂,但是钢板桩具有施工便捷,成本低等优势；方案三,安全度较高,具有良好的安全储备,但双排桩钻孔桩数量较多,投资较大,施工周期较长；方案二各项指标均适中。但内撑数量较多,不利于桥墩下部结构混凝土的现浇施工。