鄰近京滬高鐵基坑開挖防護技術(shù)

程義強

摘要：石濟客專德平特大橋鄰近京滬高鐵施工，鐵路兩側(cè)200m范圍內(nèi)抽取地下水可能會影響京滬高鐵穩(wěn)定，本文以德平特大橋跨315省道懸灌梁主墩承臺為例，介紹了基坑采取插打拉森鋼板樁防護技術(shù)措施以及對京滬高鐵自動化監(jiān)測的方法。

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.

關(guān)鍵詞：京滬高鐵;基坑;拉森鋼板樁;止水;自動化監(jiān)測

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

中圖分類號：TV551.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0151-03

0? 引言

《鐵路安全管理條例》規(guī)定高速鐵路各200m內(nèi)禁止抽取地下水，鄰近京滬高鐵施工，水位較高，基坑開挖采取了拉森鋼板樁支護，在保證京滬高鐵安全及成本節(jié)約上取得了很好的效果。

1? 工程概況

新建石濟客專德平特大橋距京滬高鐵AF線最近16.5m，全線約60%的基坑水位高于承臺底，京滬高鐵基礎(chǔ)是摩擦樁，如果不采取支護止水措施，影響京滬高鐵的沉降，德平特大橋跨315省道現(xiàn)澆梁482#、483#墩基坑尺寸長15m、寬11m、深5.5m。

2? 施工工藝

2.1 工藝流程

工藝流程見圖1。

2.2 施工準備

平整場地，對鋼板樁外觀檢驗和材質(zhì)檢驗。

2.3 測量放樣

鋼板樁施工前，測量班要將鋼板樁插打位置放樣，沿基坑四周撒上石灰線。

2.4 安裝導(dǎo)向架

導(dǎo)梁的高度要有利于控制鋼板樁的施工高度，導(dǎo)梁不能產(chǎn)生下沉和變形，導(dǎo)梁位置應(yīng)垂直。

2.5 鋼板樁的插打

插打前鎖口內(nèi)涂油，及時測量，隨時糾偏。采用履帶式打拔機將鋼板樁插打，插打鋼板樁時應(yīng)保證其垂直度不大于1%，緊靠內(nèi)導(dǎo)框，間隙≦20mm。

2.6 基坑開挖

土方開挖縱向分段、豎向分層、層與層之間設(shè)臺階，具體分為三個階段。第一階段，開挖第一層，設(shè)第一道鋼支撐。第二階段，開挖第二層的土方，設(shè)第二道支撐。第三階段挖至距基底30cm時，改用人工開挖整平至設(shè)計標高。鋼圍檁采用兩根工字鋼（I45b型鋼），第一道設(shè)雙拼圍檁，第二道設(shè)三拼圍檁;支撐使用？準529mm、壁厚10mm鋼管。

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。封底完畢后排積水，形成“干施工”作業(yè)環(huán)境，效果較好。

2.8 基坑回填、拔鋼板樁

承臺施工完畢，回填基坑，拔樁時應(yīng)注意，拔樁起點和順序。

3? 受力檢算

3.1 結(jié)構(gòu)形式

德平482#、483#承臺尺寸10.6m×14.6m×3m，加臺尺寸為6.4m×10.6m×2m;加臺頂距地表標高為0.5m。482號墩、483號墩基坑采用12m長鋼板樁。

3.2 鋼板樁支護結(jié)構(gòu)驗算

482#、483#墩采用12m長鋼板樁支護，分別驗算鋼板樁及內(nèi)支撐強度和基坑整體穩(wěn)定性，以482號墩為例進行詳細說明。

3.3 內(nèi)支撐間距驗算

土體主要為黏土、粉土等，為簡化計算土的重度統(tǒng)一??？酌=18kN/m3，粘聚力c=10kPa，內(nèi)摩擦角？漬=30°，計算主被動土壓力。

鋼板樁內(nèi)支撐布置需滿足下式：

式中h-內(nèi)支撐最大布置間距;

f-鋼板樁的抗彎強度設(shè)計值，取160MPa;

？酌-鋼板樁墻后土的重度，取18kN/m3;

Ka-主動土壓力系數(shù)，

W-所取鋼板樁每延米板面截面模量;拉森Ⅳ型鋼板樁為2270cm3;

代入上述數(shù)據(jù)，支撐最大布置間距為7.1m>3.5m，間距符合要求。

3.4 鋼板樁入土深度計算

3.4.1 計算主、被動土壓力

計算公式如下：

主動土壓力：被動土壓力：式中：

3.4.2 用等值梁法計算處最大彎矩和支反力

用等值梁法計算鋼板樁，常用土壓力等于零點的位置來代替反彎點的位置，步驟如下：

①計算出來作用鋼板樁上的土壓力強度，繪制壓力力分布圖，計算土壓力強度時，應(yīng)考慮到板樁墻與土的摩擦，將板樁墻后被動土壓力乘修正系數(shù)，取修正系數(shù)0.47，見圖2。

②計算板樁墻上的土壓力強度等于0的點，距離基坑底x，在x處鋼板樁墻前的被動土壓力等墻后的主動土壓力，計算模型見圖3。

f點處主動土壓力為：

Pak=18*（6.5+x）*0.333-2*10

*0.577

f點處被動土壓力為：

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

根據(jù)關(guān)系式Pak=0.47Ppk，為簡化計算（偏于安全），計算時不考慮粘聚力的影響，有18*（6.5+x）*0.333=0.47*18*x*3，計算得到x=2.26m。

③按簡支梁計算等值梁af的最大彎矩Mmax，支反力Ra、Rb、Rc、Rf

等值梁af受力簡圖見圖4，彎矩圖見圖5，反力圖見圖6，經(jīng)計算等值梁af的最大彎矩Mmax為51.9kN·m，f點處支反力Rf為6.4kN。

④計算出鋼板樁最小入土深度，依據(jù)f點處支反力和墻前被動土壓力，對e點力矩相等，有關(guān)系式：Rf*y=*y（0.47Ppk-Pak）**y，代入數(shù)據(jù)6.4=y2*19.386，y等于2m。

鋼板樁最小入土深度為t=x+y=2.26+2=4.26m，鋼板樁實際入土5m，滿足要求。

3.5 鋼板樁強度驗算

鋼板樁的最大彎矩為Mmax為51.9kN·m，拉森鋼板樁每延米截面模量W為2270×10-6m3/m，最大彎矩下鋼板樁內(nèi)力為？滓=，為22.86MPa，小于容許應(yīng)力160MPa，符合強度要求。

3.6 圍檁受力驗算

驗算圍檁受力。

圍檁由雙拼或三拼工45b工字鋼焊接組成，其中第一道圍檁采用雙拼，第二道用三拼圍檁。圍檁最大跨度4.4m，其主要承受支撐處鋼板樁傳遞的土壓力。計算時簡化為承受均布力的簡支梁，第二層支撐處鋼板樁支反力最大為q=196.5kN/m。

最大彎矩M=ql2=475.53kN·m。三拼工45b工字鋼，其截面模量為4500×10-6m3，應(yīng)力為？滓==105.67MPa<160MPa，符合強度要求。

3.7 內(nèi)支撐受力驗算

內(nèi)支撐由橫撐和斜撐構(gòu)成，橫撐為？覫529mm，壁厚10mm的螺鋼管;斜撐為雙拼45b工字鋼，最不利受力為中間橫撐受力，只需驗算螺旋鋼管的受力即可。承受支撐處圍檁傳遞的鋼板樁支反力，第二層支撐處鋼板樁支反力最大為q=196.5kN/m。

計算時不考慮斜撐的作用，管樁最多需承擔其周圍4.4m的鋼板樁支反力，其值為196.5*4.4=864.6kN。即最大軸力為864.6kN，軸向應(yīng)力為？滓==55.28MPa，小于容許應(yīng)力160MPa，滿足強度要求。

3.8 基坑抗隆起穩(wěn)定分析

采用地基承載力模式的抗隆起穩(wěn)定性分析方法，K值取1.3。計算公式為：

？酌1、？酌2-分別為基坑外地表至鋼板樁底各層土天然重度的加權(quán)平均值、基坑底至鋼板樁底各層土天然重度的加權(quán)平均值，此處均為18kN/m3;

D-基坑底鋼板樁入土深度，4.348m;

h0-基坑開挖深度，7.152m;

c、？漬-基坑外土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角，分別為10kPa和30度;

q-基坑外地面荷載取100kPa;

Nq、Nc-地基土特性計算的地基承載力系數(shù)，計算公式分別為：

代入數(shù)據(jù)，計算得到Nq=18.4，Nc=30.2;

代入以上數(shù)據(jù)

=5.7，滿足安全性要求。

綜上所述，482#、483#基坑開挖，鋼板樁防護符合安全要求。

4? 既有線監(jiān)控措施

監(jiān)測以自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測為主，以人工使用電子水準儀測量為輔。

4.1 自動化監(jiān)測設(shè)備安裝

位測計安裝在橋墩位置處箱梁底板或腹板上，工控設(shè)備箱和儲液罐安裝在箱梁底板上。

4.2 監(jiān)測頻率

京滬高鐵影響范圍內(nèi)工程施工開工至鋪軌完成期間，數(shù)據(jù)采集頻率為1小時/次，人工用電子水準儀每天測量2次。

4.3 監(jiān)測指標、預(yù)警值

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》、《石濟客專并行京滬高鐵段京滬高鐵橋梁工程沉降自動監(jiān)測方案審查會專家意見》，對監(jiān)測結(jié)果按照紅、橙和黃色三級預(yù)警控制，預(yù)警值分別為4mm、3mm、2mm。

4.4 監(jiān)測資料成果分析

①監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲。

自動監(jiān)測數(shù)據(jù)通過購置的數(shù)據(jù)采集和接收軟件，自動接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)，自動采集卡發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)，核對無誤后按照規(guī)定格式存儲在遠程服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中。

②整理監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析成果。

監(jiān)測取得的數(shù)據(jù)成果，經(jīng)整理、復(fù)核、審核，形成日報，當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值，即刻向濟南鐵路局報警，及時采取相應(yīng)措施。施工期間全程自動化觀測，人工用電子水準儀監(jiān)測，各監(jiān)控點沉降位移均在±2mm范圍內(nèi)，軌面無變化，整個施工過程對高鐵無影響。

4.5 超出預(yù)警值時應(yīng)急處理措施

監(jiān)測過程中遇到緊急情況，應(yīng)按不同預(yù)警級別分別采取以下處理措施：①黃色預(yù)警處理。進行數(shù)據(jù)自查，校核監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析原因，進行深入觀察監(jiān)測，并上報施工及監(jiān)理單位。②橙色預(yù)警處理。加密監(jiān)測頻次，加強與鐵路主管部門溝通，校核軌面平順度，如軌面平順度發(fā)生異常，立即臨時停工，分析原因，由建設(shè)單位召集路局管理單位、工務(wù)段、設(shè)計、施工、監(jiān)理等召開研究會，找出超限原因。③紅色預(yù)警處理。立即停工，加密監(jiān)測，加強與鐵路主管部門溝通，對校核軌面平順度。

5? 經(jīng)濟對比

通過對Ⅳ型拉森鋼板樁與沉井或鉆孔樁支護方式的經(jīng)濟對比，Ⅳ型拉森鋼板樁防護投資至少減少30%。

6? 結(jié)論

德平特大橋482#、483#墩基坑項目，采取拉森鋼板樁支護對京滬高鐵防護是比較安全可行且經(jīng)濟實用，對既有線施工的安全進行及營運線安全運行都能提供有力保障，在以后的類似工程的施工中我們可以考慮此種防護措施。

參考文獻：

[1]鐵路安全管理條例[S].中華人民共和國國務(wù)院令第639號.

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[3]濟南鐵路局營業(yè)線施工安全管理實施細則[S].（濟鐵總發(fā)[2013]66號）.

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[6]基坑工程手冊[M].

[7]鋼板樁工程手冊[M].