钢格栅支护在临近铁路既有线工程中的应用

刘军星 崔 勇

(1.河北京铁勘测设计院有限公司,河北 石家庄 050020;2.雄安高速铁路有限公司,河北 保定 071700)

0 引 言

铁路既有线路深基坑工程一般距离铁路较近,对基坑的稳定性以及周边位移有较高的要求.故大部分既有线深基坑工程采用支挡式结构基坑,常用的类型为钻孔桩支护基坑、钢板桩支护基坑.这些桩支护基坑需要采用大型机械进行施工[1-3],在施工过程中会对铁路既有线运营及设备安全造成潜在威胁,适用条件对施工场地提出更高要求.本文采用一种钢格栅支护方法进行临近既有线路的基坑工程的支护[4-6].

钢格栅支护方法一般采用逆作法施工,施工过程中不用大型机械,同时在作业过程中可以对地下管线随时处理,具有较好的适应性,广泛地应用于铁路既有线深基坑工程中.

1 工程概况

1.1 周围环境

1.1.1 燃气管线概况

神木-安平煤层气管道(山西-河北段)工程起点为康宁压气站,终点为河北中心站;途径山西、河北2省17个县(市、区),线路长度550 km.全线管道外径为813 mm、设计压力8 MPa,采用L450M钢管,设计输量为50×108 m3/a,燃气管道在正定县城北部与京广铁路相交(见图1).

图1 设计平面布置图

1.1.2 既有铁路概况

管线交叉处铁路里程为京广线K244+456.10,铁路区间为新安村站至正定站.相交处京广铁路为P60钢轨,直线电气化区段,无缝线路,混凝土枕,线路允许速度为160 km/h,线间距为4.0 m.京广上行线线路坡度为平坡,京广下行线线路坡度为0.1‰下坡,路基段,路基高约1.3 m,两侧有埋地光电缆.

1.1.3 防护套管设计概况

工程采用顶进1-φ1.55 m防护套管对铁路进行防护,管线与铁路线路夹角为90°,顶进长度为148.152 m,顶进方向从铁路西侧向东侧顶进.防护套管顶设计标高为68.39 m,管节顶位于京广铁路最低轨底以下5.934 m,东侧沟底以下4.10 m.防护套管采用“京桥通-5002”Φ1550T8-S管节.在铁路西侧安保区外设置顶进基坑,基坑深度7.44 m,规格为5×7 m,采用钢格栅支护.

根据钻孔揭露,将勘察范围内地基岩土按岩性特征、埋藏条件等特点划分为6个工程地质层,现分述如下:

第1层 杂填土:层厚:1.30 m,杂色,松散,以建筑垃圾为主,粉土及粉质粘土充填.

第2层 粉质黏土:层厚:1.50～4.30 m,黄褐色,可塑,中压缩性.土质较均,含黑色铁锰氧化物,局部含砂粒.无摇震反应,稍有光泽反应,干强度、韧性中等.

第2-1层 细砂:层厚:1.50 m,灰白色,稍湿,稍密.砂质纯净,分选性一般,以石英、长石为主,含云母.

第3层 细砂:层厚:1.60～2.70 m,灰白色,稍湿,稍密～中密.以石英、长石为主,含云母.砂质较纯,分选性一般,局部含粉土颗粒.

第4层 粉质黏土:层厚:2.80～4.10 m,黄褐色,可塑～硬塑,中压缩性.土质较均,含黑色铁锰氧化物,具锈斑.无摇震反应,稍有光泽反应,干强度、韧性中等.

第5层 细砂:层厚:0.90～1.20 m,灰白色,稍湿,中密.砂质较纯,分选性一般.以石英、长石为主,含少量云母.

第6层 粉质黏土:层厚:1.30～1.80 m,黄褐色,可塑～硬塑,中压缩性.土质较均,局部夹粉土薄层,含铁锰黑色氧化物,具锈斑,含少量小姜石.无摇震反应,稍有光泽反应,干强度、韧性中等.

1.2 地下水

根据钻探揭露情况,该场地30 m范围内未见地下水位.

2 基坑工程参数和施工方案

2.1 基坑工程概况

根据本次勘察揭露,构成基坑边坡的土体为填土、粉质黏土及细砂构成.有关基坑支护的设计的岩土参数可参考表1所列数值采用.管线穿越京广铁路,基坑位于铁路安保区以外,基坑侧壁安全等级定为二级.基坑规格为5 m×7 m,以格栅钢架、内外双层钢筋网、锚喷C25混凝土共同组成联合支护系统,竖井口设置0.8 m×0.4 m的C30钢筋混凝土圈梁,竖井逐榀开挖,四角沿竖井深度方向每隔一榀钢格栅设置一道槽钢临时支撑,基坑平面和立面图可见图2和图3.工作坑内设能承受全线管道顶力的钢后背梁、混凝土底板及60 kg/m导向轨.基坑开挖期间基坑两侧堆载不得大于30 kPa.基坑深度为7.44 m,布置17榀钢格栅,8组临时支撑(角撑)[7-9].

表1 基坑支护粘聚力和内摩擦角标准值

图2 基坑平面布置图(单位:mm)

图3 基坑立面布置图(单位:mm)

2.2 基坑施工方案

开挖时应分层,分段对称平衡开挖,每层先挖中间土后挖两侧土,每次开挖深度不超过50 cm,每循环进尺40 cm,开挖后及时架设钢格栅及喷射混凝土支护,在完成上层作业面的钢格栅及喷射混凝土以前,不得进行下一层土方的开挖.开挖至角撑下50 cm后及时架设角撑,在角撑未达到正常使用前,不得超挖下层土方.开挖至距坑底300 mm时应由人工开挖、找平.考虑施工误差,坑底施工误差按±20 mm计.在机械挖土过程中,要配有经验丰富的施工人员担当现场指挥,切实保护好坑壁及支撑系统不受碰撞,并配以一定的人工挖土.

基坑逐榀向下开挖,钢格栅间距0.4 m设置.钢格栅定点预制,施工时采用分段对称安装,安装时要保证钢格栅安装精度.格栅之间采用纵向连接钢筋相连,钢筋网牢固的绑扎在格栅主筋上,保证在喷射混凝土时不得晃动.基坑锚喷格栅结构先整体成型,待下顶管机头前再对顶管范围内坑壁进行破除处理,保证基坑稳定性及支护安全.

3 基坑支护和钢格栅支护结构内力计算

3.1 计算单元结构选取

基坑计算单元选取结构底部0.8 m条带作为计算对象.如图4所示:

图4 计算单元图

计算采用midas civil进行建模计算,模型简图如图5所示.

图5 计算模型斜俯视图

3.2 计算荷载

结构自重:按照26 kN/m3自动计入.

土压力:经软件计算,井底部外侧主动土压力强度标准值为75.858 kPa.作用于0.8 m宽条带上土压力强度标准值为:75.858×0.8=60.68 kN/m.

3.3 钢格栅支护结构内力计算

通过计算结果(图6、图7)发现,角部弯矩相对较小大约为70 kN·m,基坑边中间的弯矩交大,最大为138 kN·m,且二者位置弯矩方向相反.

图6 侧墙弯矩计算结果(单位:kN·m) 图7 侧墙轴力计算结果

侧墙的中间位置轴力为压力长边为164 kN(压力),短边为225 kN(压力).角部为拉力,在10 kN左右.和概念分析的结果吻合[10].

4 存在问题分析和处理方法

4.1 存在问题

4.1.1 土体物理力学参数选取受局限

目前基坑设计中采用的支护参数,大多为勘察单位在基坑原位钻孔根据室内试验取得的参数.一方面由于既有线顶管基坑规模较小,工程造价以及工程进度的控制,一般勘察单位只在基坑位置处钻1～2个孔,取样的数量少,不能准确代表基坑处土样的参数,取样的代表性不强,造成基坑支护参数选取的不合理.另一方面,根据基坑支护技术规程的要求:对于黏性土和粉质黏土,土的抗剪强度指标一般采用三轴固结不排水或者直剪固结快剪强度指标.而勘察单位往往由于仪器设备的影响、工期进度紧张以及取土样数量的限制,抗剪强度指标采用直剪快剪强度指标,造成抗剪强度指标取得偏小.再加上勘察单位确定参数时考虑一定的安全系数,进而造成后续基坑支护安全冗余偏高,出现基坑支护计算不满足,但现场基坑支护施工可实施的现象.

4.1.2 软件计算结果不完全符合技术规程

在采用理正深基坑支护软件进行计算时,由于钢格栅基坑采用逆作法施工,基坑规程中没有相应的模型进行模拟,故参照地下连续墙的模型进行计算.由于逆作法施工的钢格栅侧墙无坑底的嵌固深度,软件计算时也仅仅是计算侧墙的土压力,再根据土压力运用分析软件计算侧墙的内力,进而按照混凝土结构设计原理检算侧墙的承载力.

参照基坑支护技术规程的规定,支挡式结构的嵌固深度要符合坑底抗隆起稳定性的要求.而逆作法施工的钢格栅支护基坑基本无嵌固深度,坑底抗隆起稳定性也无法满足规程要求,这是目前钢格栅基坑检算不满足现行基坑支护技术规程很重要的一点.而钢格栅基坑的大量运用,很少出现基坑坑底隆起的破坏,说明钢格栅基坑有很强的适应性.因此随着施工技术和规程的不断更新,新的基坑支护技术规程会将此部分内容进行修改和更新.

4.1.3 基坑空间效应考虑不充分

钢格栅基坑计算应该充分考虑基坑空间效应,一般铁路既有线顶管基坑工程,规模尺寸都比较小,设计计算中往往按照平面应变问题进行设计,而忽略了基坑开挖后必然会出现的空间效应.因此造成基坑设计计算结果与工程的实际情况不符合.例如嵌固深度以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性验算,仅仅考虑平面应变进行设计时,需要很深的嵌固深度,而考虑基坑空间效应后,由于基坑尺寸的约束,嵌固深度可以有效地减少.由此基坑空间效应是深基坑支护设计中要考虑的重要因素.

4.2 基坑支护设计优化方法

4.2.1 重视地质勘察的要求

鉴于土体力学参数选取不当的现象,在基坑设计过程中,对于地质勘察要求要引起足够的重视.在要求中应明确勘察单位按照基坑技术规程的规定,对不同种类土层采用不同的室内试验方法,从而取得与现场实际尽量一致的土层力学参数,保证后续基坑支护计算的准确性.

4.2.2 完善基坑动态设计

在以往的基坑支护设计中,常常借助于结构荷载法进行计算.但是随着基坑的施工,作用于基坑支护上的荷载在不断地变化,因此在基坑支护设计中进行动态设计显得越来越重要.结合施工过程中基坑监测反馈数据信息,及时调整基坑计算模型,做到基坑全过程的动态设计.对于钢格栅支护基坑,采用动态设计原则,将现在的计算理论根据施工过程进行不断的完善和更新,达到设计模拟计算过程与施工过程的一致,保证计算的准确性.

4.2.3 加强基坑变形观测

铁路既有线深基坑支护设计,不仅要保证基坑支护的安全,还需要对基坑周边及铁路线路相应变形控制进行重点把控.因铁路线路对变形控制严格,这就需要整个基坑支护体系要有足够的刚度来抵抗变形.对于钢格栅支护基坑来说,基坑的破坏往往是承载力不足造成坑壁变形过大,进而引起基坑的失稳.基坑失稳的征兆常常是变形观测数据出现异常,因此为保证基坑施工安全,加强基坑的变形观测尤为重要.

5 结 论

采用钢格栅支护方法能够应用于安全要求较高的临近铁路既有线路的基坑工程.在施工环境有限制、无法采用大型施工机械时,可以采用钢格栅支护方法和逆作法结合进行施工.通过对实际工程的钢格栅支护结构进行有限元软件分析,发现角部弯矩、轴力相对较小,中间位置内力较大.本文的优化设计方法能够更好地进行钢格栅支护结构的设计和施工.