粉土地区框架桥设计要点

杨 玫

（杭州铁路设计院有限责任公司，浙江 杭州 310006）

0 引言

粉土是介于砂性土和粘性土之间的一种过渡型土，其工程性质既与砂性土不同又与粘性土有较大区别，至今人们对粉土工程性状的研究尚不成熟。杭州地区粉土具有时代新、埋藏浅、地下水位高、透水性强等特性，透水层承压水多与河湖连通。

框架桥基底一旦位于粉土层，在设计阶段若没有考虑有效的技术措施，在施工及运营阶段往往会产生一些问题，轻则影响结构的正常使用，重则需拆除重建，本文将对其进行分析。

1 施工中存在的问题

1.1 基坑开挖

由于框架桥通常采用顶进法施工，为此需先进行基坑开挖。如止水或降水不当，则易引发坑内流砂、管涌，甚至导致附近建（构）筑沉降过大等事故。

1.2 地下水及地表水

下穿铁路框架桥工程的顺接道路通常大部分位于地下水位以下，这段道路应采取截水措施，将地下水堵截在道路范围以外。另外，引道路面标高较低，地表水（一般为雨水）收集后，无法自流排放，故除阻隔地下水外，下穿段的地表水也应及时排除。

1.3 结构接缝

在框架和U型槽的接缝以及U型槽和U型槽之间接缝处的沉降缝是粉土地区下穿框架桥工程的薄弱环节。如果处理不好，极易发生道路或结构边墙渗漏水和泥沙外冒的病害。

2 运营中存在的问题

2.1 路桥过渡段

由于顶进框架桥是在既有线路下施工，顶进就位后列车振动对路基土的扰动，容易引起路基土层的应力发散和土体松弛，加大了桥侧路基和桥体刚度的差异，不利于行车。同时在地表水的作用下，路基和桥体的接触面被冲刷，引起水土流失，容易导致路基空洞，危害铁路行车安全。

2.2 箱身地基

粉砂土地区若接缝或排水系统遭到破坏后，经常积水的框架桥底水土流失严重，导致箱底大量空洞，使结构不均匀受力，影响结构使用安全。

3 设计中可采取的措施

针对以上粉土地区的特点及易发生的问题，在设计时应充分考虑相关对策，将粉土的透水性影响减小到最低。因此，粉土地区顶进框架桥的技术关键就是对地下及地表水降排的处理。然而，在既有铁路路基地段，新建顶进框架桥工程和改扩建既有框架桥的处理侧重点亦有所不同，下文将分别详述。

3.1 新建框架桥设计要点

3.1.1 基坑降水

基坑开挖是顶进框架桥工程的关键环节，大部分安全事故发生于基坑开挖阶段。因而在基坑开挖阶段，必须采取有效的措施，将基坑内部的水降至底板1m以下为宜。在市区及周边环境要求较高时，坑外应严禁降水，否则可能引起地面沉降，从而导致周围建筑物变形。因此对于粉土地区的基坑工程，应在坑外设置止水帷幕，坑内采用合理的降水设备进行降水。

以杭州市南白路公铁立交工程为例，地点位于城区内，基坑边建筑房屋及地下管网密集，且紧邻既有河道。框架桥基坑规模为23.6m×28.6m，开挖深度为7.5m。

涌水量按下式计算：

式中：Q为基坑涌水量（m3/d）；k为渗透系数（m/d）；H为潜水含水层厚度（m）；s为基坑水位降深（m）；R为降水影响半径（m）； r0为基坑等效半径（m）。

设计采用孔径为300mm的管井井点降水，每根管井的出水能力按以下式（2）计算：

式中：q0为每根管井的出水能力；ls为过滤器浸没长度（m）；d为过滤器外径（m）；a为与含水量渗透系数有关的经验系数，本工程取1.3。

所需要的井数n为：

由于开挖深度较深，基坑大部分位于砂质粉土层，透水系数大，本工程根据计算结果最终选用8孔管井井点进行坑内降水，即四个角点各布置1孔，四边的中点各布置1孔，同时坑外设置两排搭接20cm的Φ60水泥搅拌桩止水帷幕。经施工实践检验，降水效果良好，且周边建（构）筑物受降水影响较小，周边地面沉降在可控范围内。

3.1.2 地下水截水

经过大量工程实践，目前最有效的方法是在地下水以下的道路设置钢筋混凝土U形槽结构。U型槽结构的形式为底板相连的悬臂式挡墙，这种结构刚度大、变形小、稳定性好、收坡支挡防水效果优良，一方面可以起到挡土墙作用，另一方面可以较好地阻挡地下水渗入道路范围，比起常规的挡墙结构，更适用于地下水丰富、地下水位较高的挖方地段。

3.1.3 地表水排水

除需阻隔地下水外，下穿段的地表水也应及时排除。由于下穿铁路，引道路面标高较低，地下水和雨水收集后，管道排放口位于河道常水位以下，无法自流排放，故需设置雨水泵站，经排水系统收集、水泵提升后排放。

泵站的主要任务是及时排除暴雨时的地面径流，泵站的位置一般设置在道路最低点和靠近排放河流一侧。设计参数的取值要考虑下穿式道路地势的特殊性，对于积水时间t、汇水面积F、径流系数ψ以及重现期P的取值应考虑最不利条件的影响。设计雨水量计算公式为：

式中：ψ为径流系数，沥青混凝土路面0.95；F为汇水面积（m2）；q为杭州市暴雨公式（l/sha），q＝3360.04(1 +0.639lgT)/(t +11.945)0.825；T为设计重现期，按5年计；t=t1+mt2，设计降雨历时，t1为10min，m为明沟，取1.2。

由于下穿通道排水不畅会引起城市内涝，且目前极端天气概率增加，故在泵站设计中宜适当提高标准，并用短历时降雨强度的极值进行校核。同时，泵站提升后的排水通道也是极为重要的问题，应尽量避免将出水排入市政管网而增加市政管网负担，能排至附近河道为最优。

3.1.4 结构接缝处理

目前常用的沉降缝是由钢剪销、止水带等组成。钢剪销一般由Φ28的钢筋及内径为30mm的铁套管组成。止水带通常采用中埋式的橡胶止水带或钢边止水带，其布置见图1。

在沉降缝的施工中，常因材料选择、施工方法不当造成沉降缝渗漏现象。而立交桥使用期较长，止水带所处的部位又难以维修，因此在设计中要提高工程安全度。施工中要给予高度重视，以保证工程质量。顶进期间要求对预埋的止水带用型钢等加以保护。

3.1.5 路基过渡段处理

粉砂土地区框架桥顶进就位后，对于铁路路基过渡段的处理亦要加强重视。目前铁路路基和框架桥过渡段处通常采用素混凝土回填，同时在路基两侧增设高压旋喷桩止水帷幕，这在加固铁路路基和防止路基塌陷效果良好。

3.2 改建项目设计要点

改建项目有两个特点：（1）既有交通拥堵，需要道路拓宽；（2）由于地下水处理不到位，既有框架内雨季积水严重，交通时常中断，除道路拓宽外还需对道路的排水系统进行重新改造。在粉土地区的此类改建项目除和新建项目关键点一致外，还要注意以下几个问题。

3.2.1 新旧结构物接缝处理

新建结构的止水带可以预埋，但既有框架桥无预埋止水带，如果对既有框架桥结构开槽埋置止水带，则对受力钢筋造成破坏，影响结构受力性能，故在杭州市东信大道铁路立交改扩建工程中采用了不对既有结构产生破坏且止水效果良好的丁基钢板止水带。沉降缝内设置丁基钢板止水带一条，遇水膨胀橡胶止水带一条，同时预埋了注浆管，并在施工完成后进行注浆封闭，如图2、图3所示。该止水处理较好地解决了新旧结构接缝问题，经过建成通车若干年和暴雨的检验，止水效果良好。

图1 沉降缝布置示意图

图2 止水带安装示意图（单位：mm）

图3 底板防水大样图（单位：mm）

3.2.2 既有框架桥下病害处理

粉砂土地区经常积水的框架桥底水土流失严重，在本工程中，对既有框架桥箱身基底亦采用倾斜压密注浆的后处理方式加固，并在两端设置高压旋喷桩止水帷幕，主要作用为填补箱底水土流失产生的空洞，防止框架桥不均匀沉降，同时防止水土再次流失，如图4所示。

图4 既有框架地基处理示意图

由于铁路钢轨变形控制较严格，铁路下方注浆压力建议在0.1～0.3MPa之间，具体应现场试验，施工期间要严格观测铁路轨道及路基变化，及时对注浆参数进行调整。

4 结语

通过以上两个工程实例，并结合杭州地区粉土的特性可以看出，顶进框架桥遇到该类地质情况时，无论是新建项目还是改建项目，工程设计中都应重视地下水的降排处理。在基坑支护、地下水降排、结构接缝处理、既有框架病害整治等时，应针对不同情况选取有效的止水避水措施。上述工程，经受了几次强台风的考验，没有因为框架桥地势低而造成道路积水或中断通行，取得了较好的社会效益与经济效益。

[1] 郭栋良.浅议城市铁路地道桥的选择与设计[J].交通科技，2008，（4）：43-45.

[2] 铁道部专业设计院标准设计管理处.框架式地道桥[M].北京：中国铁道出版社，1979.

[3] 杨慧林.地道桥方案设计中应着重考虑的若干问题[J].铁道标准设计，2004，（10）：81-83.

[4] 张建新.下穿式道路立交雨水泵站排水设计参数探讨[J].给水排水，2012，（1）：30-35.