淺談鐵路橋梁工程流砂地帶挖井基礎施工技術研究

努爾麥麥提·阿卜杜拉

中國水利水電第八工程局有限公司

淺談鐵路橋梁工程流砂地帶挖井基礎施工技術研究

努爾麥麥提·阿卜杜拉

中國水利水電第八工程局有限公司

橋梁建筑是確保鐵路運輸安全生產(chǎn)暢通無阻的重要基礎設備之一，隨著機車軸重不斷增加、列車速度不斷提高，對橋梁建筑設計的要求也越來越高。本文通過結合鐵路橋梁流砂地帶挖井基礎施工實例，對挖井基礎施工工藝進行詳細闡述，為同類工程提供參考價值。

鐵路橋梁；流砂地帶；挖井基礎；施工技術

引言

我國鐵路網(wǎng)日益完善，鐵路橋梁的建設數(shù)量和規(guī)模都在不斷擴大。在鐵路橋梁基礎中，挖井基礎占據(jù)著重要地位，這樣就需要充分運用好挖井基礎施工技術，有效保障鐵路橋梁工程施工的順利進行，保證施工質量。挖井基礎施工時，施工難度就在于坑壁的處理，若處理不妥，將嚴重影響基坑的施工質量、安全及工程進度。因此，在基礎基坑，尤其是流砂地帶含水豐富地區(qū)的基坑施工中必須采取合理有效的方法防止流砂并排出基坑內(nèi)及周圍土體中多余的水。為達到質量目標，宜采用井點降水施工法、護壁支護法，其成本較低、工藝簡單，且容易進行施工操作。

1 工程實例簡介及施工方案

1.1 工程簡介

挖井基礎是先挖好井孔再澆筑混凝土而形成的深基礎，它的功能和沉井基礎一樣，而主要區(qū)別在施工方法。挖井基礎施工，是用機械配合人工修整的方式開挖井孔，穿過軟土層到達能勝任上邊荷載的持力層上。這種開挖工作一般用木板、鋼板做支撐或用鋼筋混凝土護壁支護。

流砂是土體的一種現(xiàn)象，通常細顆粒、顆粒均勻、松散、飽和的非粘性土容易發(fā)生這個現(xiàn)象。流砂的形成是多種多樣的，但它對建筑物的安全和正常使用影響極大，可以通過預防等手段制止流沙現(xiàn)象。

當基坑開挖到地下水位以下時，有時坑底土會進入流動狀態(tài)，隨地下水涌入基坑，這種現(xiàn)象稱為流砂現(xiàn)象。此時，基底土完全喪失承載能力，施工條件惡化，嚴重時會造成邊坡塌方，甚至危及鄰近建筑物。

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，不僅要選擇在地質條件好的場地上從事建設，而且有時不得不在地質條件不良的地基上進行施工；另外，隨著科技的日益發(fā)展，結構荷載增大，對變形要求越來越嚴，因此必須要選擇最恰當?shù)牡鼗幚矸椒▉硎┕ぁ?/p>

某特大橋共有118個橋墩(臺)，橋梁基礎形式有鉆孔樁、明挖基礎和挖井基礎三種類型，其中挖井基礎采用的是矩形挖井基礎，結構尺寸13m×7m、12.5m×7m(長×寬)，高4m～5.5m。本區(qū)段地層巖性主要為表覆第四系全新沖積層粉質黏土、粉土、淤泥質粉質黏土、粉砂、細砂、中砂、粗砂、礫砂、細圓礫土，下伏中生代燕山晚期侵入二長花崗巖及閃長巖

本文主要以該特大橋48#墩挖井基礎為例，其結構尺寸為13m×7m×5m(長×寬×高)?；A施工過程中發(fā)現(xiàn)實際地質條件與地勘中闡述出入較大。由于施工場地處老河道地帶，原地塊為農(nóng)業(yè)用田，而且在試挖時發(fā)現(xiàn)地下水相當豐富，又遇到了細砂、粉砂土層，在水壓力的作用下，極易發(fā)生流砂現(xiàn)象。整個挖井基礎開挖環(huán)境相對比較惡劣。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，為確保施工作業(yè)人員安全、確保挖井基礎施工成型質量，以及根據(jù)挖井基礎施工規(guī)程及我公司以往施工類似工程經(jīng)驗，結合現(xiàn)場實際情況采取切實的應對方案。

1.2 施工方案

挖井基礎采用鋼筋混凝土護壁，必須垂直開挖，嚴禁采用機械放坡施工。用挖機進行垂直分層開挖，人工配合修整，每次開挖深度1～1.5m，然后立模板施做鋼筋混凝土護壁；護壁采用C20混凝土，當強度滿足要求后，再開挖下層土石方。開挖到設計標高，基底檢驗合格，并完成護壁施工后，進行挖井基礎鋼筋及墩身預埋鋼筋綁扎安裝，最后澆筑挖井基礎混凝土，挖井基礎混凝土施工時不立設模板。

2 施工工藝及技術

2.1 施工準備

首先，施工技術人員認真對施工設計圖紙進行復核，包括基礎各部位尺寸、標高進行現(xiàn)場核對，包括原地面標高以墩位環(huán)境。根據(jù)實際地質情況與周圍環(huán)境情況，制定具體開挖方案，繪制墩位基坑開挖方案圖，指定棄土位置并規(guī)劃回填土堆放地點與后續(xù)工序(鋼筋、模板的轉運與混凝土的澆注)的工作平臺，落實生產(chǎn)用水的來源。

其次，進行場地平整，鏟除松軟的土層并夯實；測量放樣定出挖井基礎準確位置并設置護樁，護樁采用木方樁外包混凝土形式埋設穩(wěn)固，以供隨時檢測基礎中心和標高；基坑四周挖排水溝，做好排水系統(tǒng)，及時排除地表水；安裝提升設備；布置好出渣道路；合理堆放材料和機具，使其不增加井壁壓力、影響施工。

2.2 基坑開挖及護壁施工

基礎開挖采用垂直開挖、邊挖邊護的開挖方式。護壁厚度一般是根據(jù)土層巖性確定，然后按照基礎尺寸及護壁厚度，確定基礎開挖平面尺寸。護壁從設計挖井基礎頂面標高處開始施工，頂面以上放坡開挖，邊坡坡度根據(jù)具體土質情況取值為1：1～1：0.5，并在鎖扣處預留50cm工作平臺。根據(jù)現(xiàn)場實際情況并結合設計圖紙，基坑護壁厚度設為50cm，因此開挖尺寸要比設計尺寸每邊外擴50cm，以保證護壁施工。挖掘時，不必要把護壁巖層修整成光面，使巖層稍有凹凸不平，可以增加摩阻力，使護壁更加穩(wěn)固。

開挖采用挖掘機開挖配合人工修整的方式。挖掘機開挖基坑中心部分，靠近井壁四周約 30cm 的范圍采用人工開挖修整，可以減少超挖，同時較易控制井壁垂直度。基坑開挖與護壁連續(xù)交替作業(yè)，每節(jié)開挖深度為1.5m，開挖后立即進行護壁作業(yè)，以免基坑側壁長時間暴露或其他情況擾動造成坍塌。開挖完成后進行測量復核，井口平面尺寸、偏差和井壁垂直度符合設計及規(guī)范要求后立即進行鎖口和護壁混凝土施工。護壁采用C20混凝土，內(nèi)配置鋼筋網(wǎng)片，以增加護壁的強度和穩(wěn)定性。

在上一節(jié)護壁強度達到要求后，再進行下部開挖，開挖時注意機械避免碰觸施工完成的護壁。開挖時長度方向可分段開挖，每挖一段及時綁扎鋼筋、立模板澆筑混凝土護壁，以防側壁坍塌。深度開挖較深時，采用長臂挖機施工，提高工作效率。挖掘機開挖至離基底設計標高10cm～20cm時，采用人工清至設計標高。

在開挖的過程中要做好排水措施，在開挖基礎的附近處，設置集水井，用吸砂泵或離心式水泵不停的向外排水，集水井的設置位置要根據(jù)基坑平面開頭與大小、土質與地下水位的高度與流向、降水深度等決定，設置在地下水流的上游一側。整個抽水過程要持續(xù)到土方和基礎施工結束時為止。

2.3 護壁驗算

挖井基礎結構高度為4～6m，基礎頂面以上表土在0.5～1m左右。井壁支護開挖到設計標高，每段的井壁都受到各自的最大水平側壓力，同時產(chǎn)生最大水平內(nèi)力。為保證施工安全，通常取每段井壁受力最大的單位高度(即每段井壁最下部的1m)進行計算。此處計算選取最深一段底部1m進行計算。

參數(shù)選取：由于基礎處于礫石、細砂土區(qū)域，故土的重度取γ=19KN/m3，內(nèi)摩擦角φ=30°，粘聚力c=30Kpa，48#墩基礎就夠尺寸13m×7m×5m(長×寬×高)，故基坑開挖深度取H=5m，選取最大基坑尺寸13m×7m。

支護穩(wěn)定性設計計算如下：

地面附加荷載土壓力按下式計算：

式中：

經(jīng)計算得：

圖a地面附加載壓力受力圖

圖b井壁內(nèi)力受力圖

1、井壁支護內(nèi)力計算

1)井壁支護水平內(nèi)力計算

最底部1m按受力最大的單位高度井壁計算，則q=57.98KN/m3；

式中：a——井壁短邊(m)；

b——井壁長邊(m)；

(2)跨中

(3)跨中

2)井壁的垂直受力計算

(1)井壁按照等截面方式計算

式中：Smax——最大拉力；

G0——井壁自重；

2、井壁支護截面驗算

1)側向壓力作用下井壁支護強度驗算

井壁支護在側向壓力作用下，截面上同時作用有軸向力N和彎矩M，井壁采用對稱配筋。

選取長邊受壓截面計算，b=1000mm，h=500mm，as=as`=40mm，h0=h-as=460mm，fcm=10.0N/mm2，fy= fy`=360N/mm2，結構系數(shù)rd=1.2。

式中：b、h——井壁計算截面的單位寬度和高度度；

as、as`——受拉和受壓鋼筋保護層；

h0——井壁計算截面的單位寬度；

fcm——混凝土彎曲抗壓強度設計值；

fy、fy`——鋼筋抗拉、抗壓強度設計值；

As、As`——鋼筋面積c㎡；

e——軸向力作用點至受拉鋼筋合力點的距離，

故

選取雙向C12@150鋼筋。

2)井壁支護垂直受拉鋼筋計算

井壁支護在最大豎向拉力作用下需配置豎向鋼筋，可按軸向受拉構件，鋼筋需要截面積AS為：