工法樁在地道橋工作坑支護中的應(yīng)用探討

張麗君 劉翰林 李家穩(wěn) 董培鑫

(北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100144)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，社會對道路交通提出了較高的要求，要求其具有較高的行駛速度和較高的安全性，尤其是鐵路大提速之后，強烈要求采用封閉式的行駛環(huán)境，于是也促進了鐵路道口平交改為立交的進程［1］。在平改立工程及新建地道橋施工工藝中，頂進法施工的應(yīng)用最為廣泛，其最大優(yōu)點是盡量減少對既有線路行車的干擾，且具有施工進度快和拆裝方便的特點。頂進法施工其前期的主要工作均在工作坑中準(zhǔn)備和完成。有的工作坑需開挖至地面以下6 m，甚至更深，因此工作坑的安全支護是保障施工安全及順利進行的重要環(huán)節(jié)。

1 工程概況

該橋位于某鐵路線K23+277.8處，橋址處既有鐵路為雙線，上下行鐵路線間距4.0 m。既有鐵路為電氣化鐵路，直線，上下行鋼軌P60，新Ⅱ型鋼筋混凝土枕。鐵路兩側(cè)路肩下敷設(shè)有地下光纜。

框架橋結(jié)構(gòu)采用單孔框架結(jié)構(gòu)，凈跨為1-12 m，框架橋中心線與鐵路中心線的交角為63°。

框架橋結(jié)構(gòu)總高度為7.35 m，結(jié)構(gòu)凈高為5.5 m，頂板厚0.85 m，底板厚1.0 m，邊墻厚0.85 m，框架橋主體斜長度為14.59 m?？蚣軜蚬ぷ骺悠骄_挖深度約5.6 m。

框架橋截面形式如圖1所示。

圖1 框架橋橫斷面圖

2 周邊環(huán)境與工程地質(zhì)

擬建場地地貌屬于平原類型，淺層約15 m深度范圍內(nèi)含大量素填土淤泥質(zhì)土，地下水位較高，對基坑止水要求較高?；由婕皥龅胤秶鷥?nèi)，由于建筑物較多，不具備放坡條件，且淤泥質(zhì)粘土等軟土在開挖時易產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，應(yīng)力釋放后產(chǎn)生較大的側(cè)向壓力和變形，都給圍護結(jié)構(gòu)提出了較高的要求。場地土層主要參數(shù)見表1。

3 工作坑支護設(shè)計

圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不僅關(guān)系到工作坑周邊建筑物、構(gòu)筑物的安全，而且直接影響到土方開挖以及后期框架橋主體的澆筑及頂進準(zhǔn)備工作的完成，工作坑支護結(jié)構(gòu)是個系統(tǒng)的工程，不僅要保證基坑開挖過程的安全性，同時也要盡可能的節(jié)約造價和縮短施工工期。工作坑的失穩(wěn)對現(xiàn)場工作人員的人身安全將造成巨大的威脅，也可能帶來巨大的經(jīng)濟損失，但過于安全又符合市場的要求，最后考慮在安全、合理、經(jīng)濟的原則下，針對工作坑開挖深度、場地內(nèi)的土層地質(zhì)及周邊環(huán)境等實際情況，對此工程的工作坑的支護形式對比見表2。

表1 土層主要物理力學(xué)性能指標(biāo)表

表2 圍護結(jié)構(gòu)選型對比

3.1 本工程工法樁布置

基坑南、北兩側(cè)環(huán)境保護要求較高，且距房屋較近，采用φ700@500雙軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H500×200×10×16型鋼(見圖2)，工法樁平面布置圖如圖3所示，靠近鐵路一側(cè)考慮有放坡條件，且采用放坡便于后期的頂進施工，故采用φ700@500攪拌樁做止水帷幕并放1∶1.5坡。工作坑后背采用后背梁、止水樁與φ1.25 m挖孔樁協(xié)同支護的形式。

3.2 工法樁設(shè)計計算

1)工作坑開挖后，位移，彎矩圖如圖4所示。

由圖4我們可以看到工作坑開挖后樁頂位移在10 mm左右，從理論上，采用工法樁加錨的支護形式對水平位移控制的很好，對周邊建筑物的影響幾乎可以忽略。

圖2 圍護結(jié)構(gòu)剖面圖

圖3 工法樁平面布置圖

圖4 土壓力、位移、彎矩圖

工作坑開挖產(chǎn)生的最大彎矩為269.4 kN·m，Q235型鋼的抗彎設(shè)計值為215 N/mm2。

2)驗算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

由瑞典條分法，土條寬度取1.0 m，計算得整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.36＞1.3，整體穩(wěn)定。

3)抗傾覆驗算。

其中，Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩，對于內(nèi)支撐支點力由內(nèi)支撐抗壓力決定，對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值;MG為構(gòu)件自重對構(gòu)件前趾的抗傾覆彎矩;Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

由同濟啟明星7.1計算得:

4)工作坑基坑周邊地表沉降控制。

由于工作坑周圍建筑物較多，工作坑的開挖支護要限制地表位移的變化，以免對周圍建筑物造成危害。經(jīng)檢測與軟件分析得，本工程采用工法樁支護加可回收錨，地表位移沉降在20 mm以內(nèi)，很好的控制了地表位移，從而對周邊建筑物影響較小，其地表位移圖如圖5所示。

圖5 工作坑周邊地表位移圖（最大11.2 mm）

5)型鋼與水泥土間錯動抗剪驗算。

型鋼水泥土攪拌樁，又稱SWM工法樁，是攪拌樁與工字鋼協(xié)調(diào)作用的一種樁體，型鋼承受全部水土側(cè)向壓力及彎矩，攪拌樁作止水用。對于此工程我們驗算型鋼的抗彎，還需驗算型鋼與水泥土間錯動抗剪承載力。型鋼與水泥土間錯動抗剪承載力應(yīng)按下列公式進行計算:

通過理論及啟明星軟件計算單排水泥土攪拌樁與雙排水泥土攪拌樁抗剪承載力對比，如圖6，圖7所示。

圖6 單排攪拌樁錯動抗剪

圖7 雙排攪拌樁錯動抗剪

通過驗算，單排錯動抗剪不滿足抗剪承載力要求，故針對此工程采用雙排水泥土攪拌樁。

4 結(jié)語

針對此工程，對頂進框架橋工作坑采用工法樁加可回收錨的支護形式。此種支護形式在建筑基坑支護中應(yīng)用比較廣泛，在框架橋工作坑的支護中卻很少使用，原因有兩點:

1)一般工作坑施工場地開闊適合放坡;

2)框架橋施工工期較短工作坑支護不需要像建筑基坑那樣強的支護體系。但對于此工程周圍環(huán)境的限制，對此工作坑的開挖支護提出了更高的要求，不得已采用引入建筑基坑支護形式，但這次嘗試的成功也給以后的類似工程提供了一定的參考價值。由于施工場地淤泥質(zhì)土層較厚，水位較高，設(shè)計施工時還需結(jié)合降水和坑底加固等措施使用，此類工藝成熟且應(yīng)用廣泛，在此不作贅述。

［1］ 馮衛(wèi)星，王克麗.地道橋設(shè)計與施工［M］.石家莊:河北科技出版社，2000.

［2］ JGJ 120-99，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］ JGJ/T 199-2010，型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)規(guī)程［S］.