既有鐵路架空保護(hù)支護(hù)樁截面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

龔 政，王樹峰，向文秘，周 越，劉鑫章，譚鑫亮

（中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 十堰 442000）

0 引言

在市政道路下穿既有鐵路通道的施工中，由于鐵路運(yùn)營的需要，常常需首先對鐵路軌道進(jìn)行架空保護(hù)。而支護(hù)樁正是既有鐵路架空保護(hù)的主要傳力結(jié)構(gòu)，其選型和設(shè)計(jì)直接影響到施工過程中鐵路運(yùn)行的安全可靠和現(xiàn)場施工安全，以及建造投資。在滿足受力的前提下，本文簡要介紹了對支護(hù)樁截面的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程，以達(dá)到費(fèi)用節(jié)省、工期縮短和安全風(fēng)險(xiǎn)降低的目的，為類似工程提供參考。

1 工程概況

十堰市林蔭大道 3 號線下穿東風(fēng)鐵路通道工程是林蔭大道 3 號線的控制性工程，其位于十堰市武當(dāng)路美地天城小區(qū)旁，建成后將是附近車輛及行人穿越鐵路的主要通道。為施工該下穿通道，需對既有鐵路進(jìn)行架空保護(hù)，原設(shè)計(jì)采用 10 根 3.5 m×2 m 的矩形截面空心樁作為鐵路架空保護(hù)的主要受力支撐，該樁采用矩形截面空心結(jié)構(gòu)，由 1 m 厚底板、0.3 m 厚側(cè)壁和 1 m 厚頂板組成，即在內(nèi)部形成了一個(gè)（樁長-2 m）×1.4 m×2.9 m 的空腔。由于周圍環(huán)境限制，其支護(hù)樁采用人工挖孔施工，護(hù)壁厚度 15 cm。支護(hù)樁及護(hù)壁原設(shè)計(jì)如圖 1 所示。

圖1 支護(hù)樁及護(hù)壁原設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

同時(shí)，按照原設(shè)計(jì)，在樁頂設(shè)置有 4 m 高萬能桿件，以作為樁基與 D 便梁的連接件，如圖 2 所示。

圖2 萬能桿件設(shè)置圖（單位：cm）

2 原設(shè)計(jì)利弊分析

按照原設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)了兩個(gè)特點(diǎn)，一是截面尺寸大，二是采用了空心結(jié)構(gòu)。從設(shè)計(jì)意圖出發(fā)，這兩個(gè)特點(diǎn)，一方面滿足了結(jié)構(gòu)受力的需要，因?yàn)楦鶕?jù)地勘情況，下穿鐵路通道附近地勘孔鉆至 61 m 深時(shí)，仍未遇中風(fēng)化及高強(qiáng)度巖層，從而設(shè)計(jì)成大截面形式可滿足地基承載力的要求，更加安全可靠；另一方面采用空心結(jié)構(gòu)，相比同樣截面實(shí)心結(jié)構(gòu)可節(jié)約實(shí)體混凝土，從而節(jié)約費(fèi)用。但是，帶來的弊端更明顯。

1）需要模板及支架，措施費(fèi)用高。采用空心結(jié)構(gòu)，其側(cè)壁和頂板施工都需在孔內(nèi)安裝模板和支架，尤其是頂板施工，其模板及支架都無法拆除，因而措施費(fèi)用較高，甚至高于采用空心結(jié)構(gòu)節(jié)約的混凝土費(fèi)用。

2）孔內(nèi)長時(shí)間作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)高。由于采用人工挖孔施工，所有鋼筋綁扎、模板及支架搭設(shè)、混凝土澆筑等都需在有限空間內(nèi)施工，而且靠近鐵路軌道，受列車振動影響大，長時(shí)間孔內(nèi)操作，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

3）混凝土分 3 次澆筑，接縫多，質(zhì)量控制難。按照原設(shè)計(jì)，底板、側(cè)壁、頂板至少需分 3 次進(jìn)行澆筑，接縫處理是關(guān)鍵，而且是在地下有限空間內(nèi)操作，檢查與驗(yàn)收也比較困難，一旦處理不好將嚴(yán)重影響樁基的完整性，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)受力和施工安全。另外，側(cè)壁混凝土的澆筑也是難點(diǎn)，側(cè)壁厚僅 30 cm，長度超過 10 m，在支架密集的情況下，如何保證側(cè)壁混凝土的振搗密實(shí)是關(guān)鍵，也是容易出現(xiàn)質(zhì)量問題的重點(diǎn)部位。

4）按照原設(shè)計(jì)，樁頂有 4 m 高萬能桿件，受軌道枕木位置影響，無法進(jìn)行整體吊裝，只能在孔內(nèi)進(jìn)行萬能桿件的組裝，空間十分有限，操作難度大，耗時(shí)長。

5）工序復(fù)雜，工期長。從上面幾點(diǎn)看，從成孔后到成樁需經(jīng)歷諸多工序，每道工序都需要占用一定的持續(xù)時(shí)間，使工期延長，而下穿鐵路通道作為該項(xiàng)目的控制性工程，直接影響到項(xiàng)目的整體工期。支護(hù)樁施工時(shí)間越長，對項(xiàng)目的整體工期控制越不利，工期風(fēng)險(xiǎn)越大。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)情況

通過對原設(shè)計(jì)利弊的分析，明顯弊大于利，為了安全和工期等多方面考慮，研究一種安全風(fēng)險(xiǎn)更低、費(fèi)用更節(jié)省、工期更短的支護(hù)樁截面形式十分有必要。

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

為了解決以上不足，本研究提出支護(hù)樁截面優(yōu)化方案，通過計(jì)算和受力分析，最終確定將樁基截面優(yōu)化為1.5 m×1.5 m 的實(shí)心方樁，上部取消萬能桿件，同時(shí)在樁底設(shè)置直徑為 2.8 m 的擴(kuò)大頭，護(hù)壁增加到 20 cm。優(yōu)化設(shè)計(jì)后如圖 3 所示。

圖3 支護(hù)樁優(yōu)化設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)算

根據(jù)本工程實(shí)際，作用在支護(hù)樁上的荷載主要有：列車活載、便梁自重、樁身自重等［1］。

查 TB 10002－2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］，簡支或連續(xù)的鋼橋跨結(jié)構(gòu)動力系數(shù)計(jì)算如式（1）所示。

式中：1+μ為動力系數(shù)；L為橋梁跨度，m。

本項(xiàng)目箱涵結(jié)構(gòu)上方采用 D20 便梁，按L=20 m計(jì)，得動力系數(shù) 1+μ=1.46。

考慮列車荷載動力系數(shù)，可求得單個(gè)樁頂列車活載為：P活=880.95 kN。

綜合便梁自重、鋼軌自重和樁身自重，并考慮施工階段 1.25 倍的抗力系數(shù)，單根支護(hù)樁底受到的最大豎向外力：P=3 499.49 kN。

按 JTG 3363－2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］，磨擦樁單樁軸向受壓承載力特征值Ra計(jì)算如式（2）所示。

式中：Ra為單樁軸向受壓承載力特征值，kN；μ為樁身周長，m；Ap為樁端截面面積，對于擴(kuò)底樁，取擴(kuò)底截面面積，m2；n為土的層數(shù)；li為承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度，擴(kuò)孔部分及變截面以上 2 d 長度范圍內(nèi)不計(jì)，m；qik為與li對應(yīng)的各土層與樁側(cè)的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qr為樁端處土的承載力容許值，kPa，按式（3）計(jì)算，當(dāng)持力層為砂土、碎石土?xí)r，若計(jì)算值超過下列值，宜按下列值采用：粉砂 1 000 kPa，細(xì)砂 1 150 kPa，中砂、粗砂、礫砂 1 450 kPa，碎石土 2 750 kPa。

式中：fa0為樁端處土的承載力特征值，kPa；γ2為樁端以上各土層的加權(quán)平均重度，kN/m3；h為樁端的埋置深度，m；m0為清底系數(shù)；λ為修正系數(shù)；k2為容許承載力隨深度的修正系數(shù)。

代入相關(guān)參數(shù)得：

Ra=0.5×4×1.5×（40×13.2+240×3.8）+0.7×0.65×（300+5×20×17×0）×3.14×1.4×1.4=5 160.07 kN

樁身豎向荷載為P=3 499.49 kN＜5 160.07 kN，故樁身承載力滿足要求。

4 優(yōu)化前后對比分析

4.1 工程量及費(fèi)用對比

相比原設(shè)計(jì)，優(yōu)化后截面尺寸變小，經(jīng)計(jì)算樁體混凝土量變化不大，但減少了樁孔土方開挖量、模板支架工程量、萬能桿件等，單根樁節(jié)約費(fèi)用約 14.5 萬元，則 10 根樁共節(jié)約費(fèi)用約 145 萬元。工程量及費(fèi)用對比如圖 4 所示。

圖4 單根支護(hù)樁工程量及費(fèi)用比較

4.2 工期對比

下穿鐵路箱涵是制約本項(xiàng)目總工期的關(guān)鍵工程，采用實(shí)心樁后，省去了孔內(nèi)萬能桿件安裝、模板支架安拆及混凝土多次澆筑的時(shí)間，可節(jié)約工期至少 14 d，項(xiàng)目部延誤一個(gè)月增加管理費(fèi)用約 33.53 萬元，則縮短工期 14 d 可減少管理成本約 15.65 萬元。工期對比如表 1 所示。

表1 工期比較

4.3 安全風(fēng)險(xiǎn)對比

1）護(hù)壁比較。原設(shè)計(jì)支護(hù)樁截面尺寸大，護(hù)壁薄。一是護(hù)壁施工需要增加模板及支撐投入；二是護(hù)壁長邊與鐵路軌道平行，受列車振動影響，中間彎度很大，設(shè)計(jì)厚度 15 cm 安全不夠，風(fēng)險(xiǎn)高。優(yōu)化設(shè)計(jì)后支護(hù)樁截面尺寸小，護(hù)壁厚，不僅模板支撐更容易，而且護(hù)壁厚度增加到 20 cm，抗彎性能更好。護(hù)壁優(yōu)化設(shè)計(jì)對比如圖 5 所示。

圖5 護(hù)壁優(yōu)化設(shè)計(jì)對比圖（單位：mm）

2）模板及支架安裝施工比較。原設(shè)計(jì)需在孔內(nèi)進(jìn)行模板及支架安裝，作業(yè)空間十分有限，周期長；另外列車運(yùn)行產(chǎn)生振動，風(fēng)險(xiǎn)大，且頂板模板和支架無法拆除。優(yōu)化設(shè)計(jì)后無需模板及支架施工，省去了孔內(nèi)長時(shí)間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，也縮短了工期，節(jié)約了成本。原設(shè)計(jì)模板及支架安裝如圖 6 所示。

圖6 原設(shè)計(jì)模板及支架安裝示意圖（單位：m）

3）混凝土澆筑比較。原設(shè)計(jì)需按照底板、側(cè)壁、頂板至少分 3 次澆筑，孔內(nèi)澆筑周期長，支架密集，操作難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。優(yōu)化設(shè)計(jì)后一次澆筑成型，操作方便，施工質(zhì)量好，工期短，安全風(fēng)險(xiǎn)低?，F(xiàn)場施工如圖 7 所示。

圖7 現(xiàn)場施工圖

5 結(jié)語

1）人工挖孔風(fēng)險(xiǎn)極高，尤其是靠近鐵路，成孔后宜早進(jìn)行封閉，所以支護(hù)樁的選型和設(shè)計(jì)應(yīng)以保障鐵路運(yùn)行安全和現(xiàn)場施工安全為首要前提。

2）鐵路架空保護(hù)支護(hù)樁的設(shè)計(jì)受列車動載及地質(zhì)條件影響比較大，所以樁基承載力仍是關(guān)鍵，通過樁底擴(kuò)大頭的設(shè)計(jì)充分滿足了承載力的需求，保障了鐵路運(yùn)行安全。

3）支護(hù)樁由空心變成實(shí)心，且取消了萬能桿件，減少了孔內(nèi)長時(shí)間作業(yè)，有效地降低了現(xiàn)場施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

4）采用擴(kuò)底實(shí)心樁，總體節(jié)約費(fèi)用約 160.65 萬元，工期縮短約 14 d，效益顯著，為類似工程提供參考。Q