邻近营业线铁路桥墩深基坑支护设计方案

马文龙

(中铁上海设计院集团有限公司杭州设计院，浙江 杭州 310002)

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

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

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

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

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。

4 结 语

本文针对工程实际中邻近营业线新建铁路桥墩的特殊情况,制定三种基坑设计方案,分别进行建模计算分析。并根据主要指标进行方案比选，得到以下结论：

1) 根据方案比选结果可以看出，方案二各项指标均较适中,且对铁路营业线影响最小,推荐采用。

2) 对于采用框架式内撑结构时,在进行三维有限元计算中,需注意腰梁四个角点位置的弯矩计算结果偏大,需进行削峰处理。

3) 针对邻近营业线桥墩基坑支护结构,对常见的几种基坑形式进行详细的分析计算和主要经济技术指标的比对。所采用的计算方法及各类基坑形式的优、劣势的比较结果都具有一定的工程参考价值。

[1] 王国斌,刘卫东.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2] 齐甦,张利略,殷坤龙等.悬臂双排桩深基坑支护体系的应用[J].建筑技术开发,2008,35(8):5565．

[3] 杨生贵,杨斌.圆形截面钢筋混凝土桩正截面受弯承载力计算[J].建筑科学,2004,20(1):4350．