邻近京沪高铁基坑开挖防护技术

程义强

摘要：石济客专德平特大桥邻近京沪高铁施工，铁路两侧200m范围内抽取地下水可能会影响京沪高铁稳定，本文以德平特大桥跨315省道悬灌梁主墩承台为例，介绍了基坑采取插打拉森钢板桩防护技术措施以及对京沪高铁自动化监测的方法。

Abstract： The Deping Bridge of Shijiazhuang-Ji'nan passenger dedicated line is constructed adjacent to the Beijing-Shanghai High-speed Railway. The groundwater extraction within 200m on both sides of the railway may affect the stability of the Beijing-Shanghai High-speed Railway. This article takes the main pier platform of the cantilevered beam of Deping Bridge spanning 315 provincial road as an example， introduces the protective measures of the pit Larsen steel sheet pile and the automatic monitoring method for the Beijing-Shanghai High-speed Railway.

关键词：京沪高铁;基坑;拉森钢板桩;止水;自动化监测

Key words： Beijing-Shanghai High-speed Railway;foundation pit;Larsen steel sheet pile;water stop;automatic monitoring

中图分类号：TV551.4                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）11-0151-03

0  引言

《铁路安全管理条例》规定高速铁路各200m内禁止抽取地下水，邻近京沪高铁施工，水位较高，基坑开挖采取了拉森钢板桩支护，在保证京沪高铁安全及成本节约上取得了很好的效果。

1  工程概况

新建石济客专德平特大桥距京沪高铁AF线最近16.5m，全线约60%的基坑水位高于承台底，京沪高铁基础是摩擦桩，如果不采取支护止水措施，影响京沪高铁的沉降，德平特大桥跨315省道现浇梁482#、483#墩基坑尺寸长15m、宽11m、深5.5m。

2  施工工艺

2.1 工艺流程

工艺流程见图1。

2.2 施工準备

平整场地，对钢板桩外观检验和材质检验。

2.3 测量放样

钢板桩施工前，测量班要将钢板桩插打位置放样，沿基坑四周撒上石灰线。

2.4 安装导向架

导梁的高度要有利于控制钢板桩的施工高度，导梁不能产生下沉和变形，导梁位置应垂直。

2.5 钢板桩的插打

插打前锁口内涂油，及时测量，随时纠偏。采用履带式打拔机将钢板桩插打，插打钢板桩时应保证其垂直度不大于1%，紧靠内导框，间隙≦20mm。

2.6 基坑开挖

土方开挖纵向分段、竖向分层、层与层之间设台阶，具体分为三个阶段。第一阶段，开挖第一层，设第一道钢支撑。第二阶段，开挖第二层的土方，设第二道支撑。第三阶段挖至距基底30cm时，改用人工开挖整平至设计标高。钢围檩采用两根工字钢（I45b型钢），第一道设双拼围檩，第二道设三拼围檩;支撑使用？准529mm、壁厚10mm钢管。

2.7 封底混凝土施工

采用灌注水下混凝土封底施工。482#、483#墩封底砼厚50cm，使用水下C30。封底完毕后排积水，形成“干施工”作业环境，效果较好。

2.8 基坑回填、拔钢板桩

承台施工完毕，回填基坑，拔桩时应注意，拔桩起点和顺序。

3  受力检算

3.1 结构形式

德平482#、483#承台尺寸10.6m×14.6m×3m，加台尺寸为6.4m×10.6m×2m;加台顶距地表标高为0.5m。482号墩、483号墩基坑采用12m长钢板桩。

3.2 钢板桩支护结构验算

482#、483#墩采用12m长钢板桩支护，分别验算钢板桩及内支撑强度和基坑整体稳定性，以482号墩为例进行详细说明。

3.3 内支撑间距验算

土体主要为黏土、粉土等，为简化计算土的重度统一取？酌=18kN/m3，粘聚力c=10kPa，内摩擦角？渍=30°，计算主被动土压力。

钢板桩内支撑布置需满足下式：

式中h-内支撑最大布置间距;

f-钢板桩的抗弯强度设计值，取160MPa;

？酌-钢板桩墙后土的重度，取18kN/m3;

Ka-主动土压力系数，

W-所取钢板桩每延米板面截面模量;拉森Ⅳ型钢板桩为2270cm3;

代入上述数据，支撑最大布置间距为7.1m>3.5m，间距符合要求。

3.4 钢板桩入土深度计算

3.4.1 计算主、被动土压力

计算公式如下：

主动土压力：被动土压力：式中：

3.4.2 用等值梁法计算处最大弯矩和支反力

用等值梁法计算钢板桩，常用土压力等于零点的位置来代替反弯点的位置，步骤如下：

①计算出来作用钢板桩上的土压力强度，绘制压力力分布图，计算土压力强度时，应考虑到板桩墙与土的摩擦，将板桩墙后被动土压力乘修正系数，取修正系数0.47，见图2。

②计算板桩墙上的土压力强度等于0的点，距离基坑底x，在x处钢板桩墙前的被动土压力等墙后的主动土压力，计算模型见图3。

f点处主动土压力为：

Pak=18*（6.5+x）*0.333-2*10

*0.577

f点处被动土压力为：

Ppk=18*x*3+2*10*1.732

根据关系式Pak=0.47Ppk，为简化计算（偏于安全），计算时不考虑粘聚力的影响，有18*（6.5+x）*0.333=0.47*18*x*3，计算得到x=2.26m。

③按简支梁计算等值梁af的最大弯矩Mmax，支反力Ra、Rb、Rc、Rf

等值梁af受力简图见图4，弯矩图见图5，反力图见图6，经计算等值梁af的最大弯矩Mmax为51.9kN·m，f点处支反力Rf为6.4kN。

④计算出钢板桩最小入土深度，依据f点处支反力和墙前被动土压力，对e点力矩相等，有关系式：Rf*y=*y（0.47Ppk-Pak）**y，代入数据6.4=y2*19.386，y等于2m。

钢板桩最小入土深度为t=x+y=2.26+2=4.26m，钢板桩实际入土5m，满足要求。

3.5 钢板桩强度验算

钢板桩的最大弯矩为Mmax为51.9kN·m，拉森钢板桩每延米截面模量W为2270×10-6m3/m，最大弯矩下钢板桩内力为？滓=，为22.86MPa，小于容许应力160MPa，符合强度要求。

3.6 围檩受力验算

验算围檩受力。

围檩由双拼或三拼工45b工字钢焊接组成，其中第一道围檩采用双拼，第二道用三拼围檩。围檩最大跨度4.4m，其主要承受支撑处钢板桩传递的土压力。计算时简化为承受均布力的简支梁，第二层支撑处钢板桩支反力最大为q=196.5kN/m。

最大弯矩M=ql2=475.53kN·m。三拼工45b工字钢，其截面模量为4500×10-6m3，应力为？滓==105.67MPa<160MPa，符合强度要求。

3.7 内支撑受力验算

内支撑由横撑和斜撑构成，横撑为？覫529mm，壁厚10mm的螺钢管;斜撑为双拼45b工字钢，最不利受力为中间横撑受力，只需验算螺旋钢管的受力即可。承受支撑处围檩传递的钢板桩支反力，第二层支撑处钢板桩支反力最大為q=196.5kN/m。

计算时不考虑斜撑的作用，管桩最多需承担其周围4.4m的钢板桩支反力，其值为196.5*4.4=864.6kN。即最大轴力为864.6kN，轴向应力为？滓==55.28MPa，小于容许应力160MPa，满足强度要求。

3.8 基坑抗隆起稳定分析

采用地基承载力模式的抗隆起稳定性分析方法，K值取1.3。计算公式为：

？酌1、？酌2-分别为基坑外地表至钢板桩底各层土天然重度的加权平均值、基坑底至钢板桩底各层土天然重度的加权平均值，此处均为18kN/m3;

D-基坑底钢板桩入土深度，4.348m;

h0-基坑开挖深度，7.152m;

c、？渍-基坑外土体的粘聚力和内摩擦角，分别为10kPa和30度;

q-基坑外地面荷载取100kPa;

Nq、Nc-地基土特性计算的地基承载力系数，计算公式分别为：

代入数据，计算得到Nq=18.4，Nc=30.2;

代入以上数据

=5.7，满足安全性要求。

综上所述，482#、483#基坑开挖，钢板桩防护符合安全要求。

4  既有线监控措施

监测以自动化监测系统监测为主，以人工使用电子水准仪测量为辅。

4.1 自动化监测设备安装

位测计安装在桥墩位置处箱梁底板或腹板上，工控设备箱和储液罐安装在箱梁底板上。

4.2 监测频率

京沪高铁影响范围内工程施工开工至铺轨完成期间，数据采集频率为1小时/次，人工用电子水准仪每天测量2次。

4.3 监测指标、预警值

根据《高速铁路设计规范》、《石济客专并行京沪高铁段京沪高铁桥梁工程沉降自动监测方案审查会专家意见》，对监测结果按照红、橙和黄色三级预警控制，预警值分别为4mm、3mm、2mm。

4.4 监测资料成果分析

①监测数据的存储。

自动监测数据通过购置的数据采集和接收软件，自动接收现场数据，自动采集卡发送的监测数据，核对无误后按照规定格式存储在远程服务器上的数据库中。

②整理监测数据、分析成果。

监测取得的数据成果，经整理、复核、审核，形成日报，当监测数据超过预警值，即刻向济南铁路局报警，及时采取相应措施。施工期间全程自动化观测，人工用电子水准仪监测，各监控点沉降位移均在±2mm范围内，轨面无变化，整个施工过程对高铁无影响。

4.5 超出预警值时应急处理措施

监测过程中遇到紧急情况，应按不同预警级别分别采取以下处理措施：①黄色预警处理。进行数据自查，校核监测数据，分析原因，进行深入观察监测，并上报施工及监理单位。②橙色预警处理。加密监测频次，加强与铁路主管部门沟通，校核轨面平顺度，如轨面平顺度发生异常，立即临时停工，分析原因，由建设单位召集路局管理单位、工务段、设计、施工、监理等召开研究会，找出超限原因。③红色预警处理。立即停工，加密监测，加强与铁路主管部门沟通，对校核轨面平顺度。

5  经济对比

通过对Ⅳ型拉森钢板桩与沉井或钻孔桩支护方式的经济对比，Ⅳ型拉森钢板桩防护投资至少减少30%。

6  结论

德平特大桥482#、483#墩基坑项目，采取拉森钢板桩支护对京沪高铁防护是比较安全可行且经济实用，对既有线施工的安全进行及营运线安全运行都能提供有力保障，在以后的类似工程的施工中我们可以考虑此种防护措施。

参考文献：

[1]铁路安全管理条例[S].中华人民共和国国务院令第639号.

[2]铁路营业线施工安全管理办法[S].铁运[2012]280号.

[3]济南铁路局营业线施工安全管理实施细则[S].（济铁总发[2013]66号）.

[4]高速铁路桥涵工程施工技术指南[S].铁建设[2010]241号.

[5]石济客专并行京沪高铁段京沪高铁桥梁工程沉降自动监测方案审查会专家意见.

[6]基坑工程手册[M].

[7]钢板桩工程手册[M].