鐵路橋梁工程承臺深基坑施工及安全防控

王 剛

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

大型深基坑作業(yè)是鐵路橋梁深埋承臺施工的一大難點(diǎn)，當(dāng)前對于此類工程主要是從安全角度進(jìn)行施工，思路比較單一。對此，本工程不僅充分考慮了基坑的安全性，還注意到了地下水的干擾，并且預(yù)防施工過程中可能會(huì)出現(xiàn)的變形問題。基于此，昌景黃鐵路在鐵路橋梁工程深埋承臺施工中，采用拉森鋼板樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，配合四周設(shè)置排水溝和集水井避免地下水的影響，以及對基坑變形進(jìn)行監(jiān)測，通過上述多種方式相結(jié)合最大程度保證施工質(zhì)量及安全性。

1 工程概況

昌景黃鐵路位于安徽省黃山市祁門縣和江西省景德鎮(zhèn)市浮梁縣境內(nèi)，線路起自林場中橋黃山端臺尾DK88+519.91，向西南跨越205省道、東河后行至標(biāo)段終點(diǎn)前山隧道進(jìn)口DK130+422.21，標(biāo)段全長37.025 km。其中安徽段長0.998 km，江西段長36.027 km。江西段橋梁共23座，總長14.510 km。承臺共計(jì)459個(gè)，其中基坑深度超過5 m，陸上承臺共計(jì)2個(gè)，本工程提出的施工方案正是針對其中的承臺深基坑所制定，深基坑情況見表1。

表1 鐵路橋梁深基坑承臺情況

王港東河特大橋51#承臺位于東河邊，順線路右側(cè)有一條4 m寬的施工便道，距離基坑邊8 m；基坑周圍地勢平坦，無構(gòu)筑物及重要的管線。上覆土層主要為：第四系全新統(tǒng)人工填土層種植土、雜填土、素填土；第四系全新統(tǒng)沖洪積層淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、砂礫；下伏基巖主要為印支期侵入花崗巖、元古界木坑組板巖、元古界牛屋組板巖(表2)。

表2 地質(zhì)特征表

地表水主要為東河水，接受大氣降水以及上游支流、地表水體和地下水補(bǔ)給，流量和水位變動(dòng)大，受季節(jié)或降雨影響顯著。地下水主要接受降水和地表水入滲補(bǔ)給，以蒸發(fā)排泄為主，動(dòng)態(tài)變化較大。地下水位埋深為0.7～20.0 m，隨季節(jié)而變化，變幅約1～5 m。

2 鐵路橋梁工程承臺深基坑施工

基坑工程按照以下的施工流程依次進(jìn)行(圖1)。

圖1 鐵路橋梁深埋承臺的深基坑施工流程圖

2.1 基坑開挖

結(jié)合承臺的尺寸、埋設(shè)的深度等確定基坑的尺寸，確定邊柱、標(biāo)高，做好規(guī)劃。此外，開挖還應(yīng)設(shè)置排水溝等排水設(shè)施[1]，之后根據(jù)開挖深度和尺寸要求，通過開挖設(shè)備從上至下開挖，配合人工修整[2]。按照由上至下、分層開挖的原則有序進(jìn)行，不能直接掏底。在開挖過程中，疏散非作業(yè)人員，并注意鏟斗不能直接從駕駛室上方經(jīng)過。

2.2 基坑支護(hù)施工

2.2.1 鋼板樁施工

本工程深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為拉森Ⅳ型鋼板樁，每根長度為9 m，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適度調(diào)整。拉森鋼板樁的首道圍檁設(shè)置于地平面下大約1.5 m的位置，低于第1道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)約0.3 m，圍檁為雙拼結(jié)構(gòu)HM600×300b型號的型鋼材質(zhì)，以及直徑為630 mm,厚10 mm的鋼管樁用以對撐，在首個(gè)內(nèi)支撐完工之后，接著繼續(xù)下挖3.2 m的距離，比第2道內(nèi)支撐低0.3 m的位置，設(shè)置第2道的內(nèi)支撐[3]。第2道圍檁的材質(zhì)和尺寸和第1道相同，在支撐完成后，繼續(xù)朝下開挖2.6 m的深度，平整基底之后澆筑0.5 m厚的混凝土材料封底(圖2)。等到混凝土材料達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度后，將第2道支撐先拆除，安裝承臺。此外，基坑底四周均設(shè)置有排水溝，在封底時(shí)要注意不能把所有基坑都封閉，應(yīng)在基坑底部的四角位置設(shè)置匯水坑，以及時(shí)排除基坑積水[4]。

圖2 51#墩承臺鋼板樁圍堰立面布置圖(單位：mm)

2.2.2 圍檁及支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算及安裝

鋼板樁圍堰由鋼板樁和內(nèi)支撐體系兩部分構(gòu)成。鋼板樁規(guī)格為JU400×170×15.5，S390鋼材；內(nèi)支撐體系包括圍檁和支撐鋼管。圍檁采用雙拼HM600×300b型鋼；支撐鋼管采用直徑630 mm，厚10 mm的鋼管。

根據(jù)鋼板樁圍堰施工工序，鋼板樁圍堰的計(jì)算分為4種工況(表3)。

表3 鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算工況

經(jīng)建模計(jì)算，內(nèi)支撐反力情況如表4所示。

表4 51#墩圍堰鋼板樁反力計(jì)算結(jié)果匯總 單位：kN/m

第1、2道內(nèi)支撐布置及材料均相同，根據(jù)鋼板樁計(jì)算結(jié)果，將最大反力110.5 kN/m作為荷載作用于內(nèi)支撐體系，進(jìn)行內(nèi)支撐檢算。內(nèi)支撐應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示，小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度215 MPa。變形計(jì)算結(jié)果如圖4所示，絕對最大變形9 mm，相對變形約2 mm，小于容許值5 000/400=12.5 mm。其余部位變形也滿足要求，強(qiáng)度和變形均滿足要求。

圖3 51#墩鋼板樁圍堰內(nèi)支撐應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位：kPa)

圖4 51#墩鋼板樁圍堰內(nèi)支撐變形計(jì)算結(jié)果(單位：mm)

在圍檁制作時(shí)，需要確保其支撐的性能滿足設(shè)計(jì)要求，本工程圍檁采用的是雙拼結(jié)構(gòu)HM600×300b型號的型鋼材質(zhì)，所受軸力1 072 kN，計(jì)算長度為5 m，ix為252 mm，iy為165 mm，截面積為23 616 mm2。

內(nèi)支撐鋼管為直徑為630 mm,厚10 mm的鋼管，鋼管的回轉(zhuǎn)半徑為22 cm，其截面積19 478 mm2，斜桿自身承受的軸力是994 kN，按照7 m進(jìn)行長度計(jì)算，短邊的支撐桿受到的軸力是289 kN，按照長15.6 m進(jìn)行計(jì)算。

由此可見，本工程所設(shè)計(jì)的圍檁及支撐結(jié)構(gòu)能夠滿足基坑支撐的性能需求，按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行制作，制作完成后送入施工現(xiàn)場進(jìn)行安裝。

在拉森鋼板樁插入之后，按照從上到下的原則逐層開挖，并及時(shí)安裝圍檁到設(shè)計(jì)的位置[5]。按照基坑開挖的深度，把第一道的圍檁和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置在鋼板樁頂下方大約1.5 m的位置，第二道圍檁安裝在第一道下方大約3.2 m處。在設(shè)計(jì)位置于鋼板樁的內(nèi)壁安裝托架，焊接牢固，之后將圍檁下吊到基坑中，緊貼鋼板樁安裝在托架上，并焊接牢固。達(dá)到設(shè)計(jì)高度安裝完成后，根據(jù)空間實(shí)際情況選擇安裝牛腿的長度，分段將牛腿安裝到位，并緊貼著圍護(hù)樁。對于雙拼的連接板需要在安裝前拼裝好，再整體吊入基坑進(jìn)行安裝。

雙拼型鋼為直接拼接，通過翼板、腹板以及補(bǔ)強(qiáng)板進(jìn)行固定，補(bǔ)強(qiáng)板寬度要小于翼板20 mm，小于腹板40 mm。長度是翼板以及腹板寬的1.5倍，厚度和翼板、腹板相同。

2.2.3 斜撐和橫撐的安裝

按照設(shè)計(jì)的位置進(jìn)行斜撐和橫撐的安裝，之后進(jìn)行鋼牛腿的燒焊。預(yù)先量出接觸點(diǎn)的長度信息，結(jié)合實(shí)測結(jié)果來下料制作斜撐，拼裝完成后焊接牢固[6]。斜撐及橫撐都是在地面上拼裝，等拼裝完成之后，通過吊車下放到基坑內(nèi)部進(jìn)行安裝。斜撐和圍檁的安裝都需要保證平直。為了避免圍檁或是橫撐、斜撐的掉落，在焊接的同時(shí)，還通過鋼絲繩進(jìn)行捆扎，作為防止掉落的強(qiáng)化措施。

2.3 基坑排水防護(hù)

考慮到承臺深度較大，勢必會(huì)受到地下水及地表水的影響，因此設(shè)置排水溝等地下水排水設(shè)施。首先，在基坑頂面的四周區(qū)域利用挖出的土體制成高度約30 cm的土埂圍擋，從而避免雨水等地表水流入到基坑之中。其次，在土埂圍擋基礎(chǔ)上加入若干個(gè)柵欄，每個(gè)柵欄長為2 m，高為1.5 m，每個(gè)柵欄都通過砂漿基座固定，并都設(shè)置進(jìn)出口，在進(jìn)出口位置設(shè)置警示牌。

在基坑開挖后，需要于基坑的四周設(shè)置用于及時(shí)排除地下水的排水溝以及集水井等設(shè)施。排水溝的橫截面尺寸為0.3 m×0.3 m。集水井的尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m。在集水井中設(shè)有水泵，利用水泵將基坑中的積水及時(shí)排出。如果基坑開挖到承臺基面大約20 cm的位置時(shí)，為避免過度開挖影響承臺穩(wěn)定，最后一段距離采用人工和機(jī)械設(shè)施配合的方式進(jìn)行；挖到和承臺深度設(shè)計(jì)底部位置大約5～10 cm的最后距離，通過人工進(jìn)行。

2.4 鋼板樁及圍檁等支護(hù)設(shè)施的拆除

等到澆筑的封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后，將第二道的內(nèi)支撐予以拆除，開始承臺的施工作業(yè)，待墩身的混凝土澆筑完工并經(jīng)過14 d養(yǎng)護(hù)[7]，對基坑分層回填，將第一道內(nèi)支撐全部拆除，拔出鋼板。

2.5 基坑變形監(jiān)控

深基坑在施工過程中存在很多不確定因素，為保證施工的質(zhì)量，在施工的同時(shí)需設(shè)置變形監(jiān)測點(diǎn)，及時(shí)觀察基坑質(zhì)量情況，當(dāng)有異常時(shí)及時(shí)處理，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測的目的。在基坑四周鋼圍檁的中心位置分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，用于檢測基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移情況，通過焊接鋼筋頭，在鋼筋頭頂端通過劃十字線的方法，確定測點(diǎn)位置。在基坑四周再分別做豎向位移觀測點(diǎn)，利用混凝土包裹鋼筋的方式固定測點(diǎn)(圖5)。

圖5 深基坑質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)的布置

檢測工作以所設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)作為基準(zhǔn)，利用全站儀先測量各監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)情況，作為參照，在施工過程中觀察基坑及其支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移情況。結(jié)合基坑的地質(zhì)情況、深度、工序等，確定不同位置的檢測頻率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，不同情況的檢測頻率見表5。

表5 深基坑工程項(xiàng)目的檢測頻率

觀測頻率的周期調(diào)整要依據(jù)監(jiān)測對象變形量的變化情況適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，以確保監(jiān)測結(jié)果的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。二級基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移允許值為0.01h(h為基坑深度,mm)。出現(xiàn)下列情況之一時(shí)須加強(qiáng)監(jiān)測，提高監(jiān)測頻率，并及時(shí)向上級單位報(bào)告監(jiān)測結(jié)果:1) 監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量較大或速率加快；2) 基坑及周邊大量積水、長時(shí)間連續(xù)降雨、周邊管道出現(xiàn)泄漏；3) 基坑附近地面荷載突然增加或超過設(shè)計(jì)限值；4) 支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂；5) 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)或周邊土體的位移值突然明顯增大；6) 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)過大變形、壓屈、斷裂、松弛或上浮的跡象；7) 周圍建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)部分、周邊地面出現(xiàn)較嚴(yán)重的突發(fā)裂縫或危害結(jié)構(gòu)的變形裂縫。

當(dāng)基坑出現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)異常時(shí)，需要立即通知施工方暫停施工，分析異常的成因，針對成因制定處治措施，并跟蹤改進(jìn)后的總質(zhì)量情況，直到異常解除為止[8]。本工程基礎(chǔ)在施工過程中，對周邊建筑物影響較小。經(jīng)檢測，最大值為測點(diǎn)7，累計(jì)豎向最大位移為- 9.4 mm，滿足要求，其他監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)值均未超出警戒值范圍。

3 安全防護(hù)措施

本工程基坑深度較深，為避免地下水影響工程穩(wěn)定帶來坍塌等安全事故，需要在基坑周圍安裝防護(hù)柵欄，利用開挖土體制作防水圍擋，在基坑內(nèi)部設(shè)置排水溝、集水井，從而有效將地下水及地表水所帶來的安全隱患予以解除。基坑四周距離2 m以內(nèi)，以及在基坑相距1 m的位置都不能堆放材料和施工設(shè)備，以避免對工程穩(wěn)定性造成影響。為防止出現(xiàn)極端天氣，準(zhǔn)備好防雨、防洪和防大風(fēng)的防護(hù)所需設(shè)備。如果在施工過程中，基坑周邊出現(xiàn)了裂縫，就需要通過灌漿材料及時(shí)修復(fù)，以免裂縫越來越大?；有璋匆?guī)定做好檢測，且設(shè)專人巡查，包括基坑周邊的沉降、周邊地面裂縫、支護(hù)結(jié)構(gòu)裂縫、坑內(nèi)外地下水位等，并做好記錄。發(fā)現(xiàn)異常和危險(xiǎn)情況，應(yīng)對照儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

4 結(jié) 語

鐵路橋梁深埋承臺的深基坑施工具有一定難度，為保證深基坑的施工質(zhì)量，不僅要按照設(shè)計(jì)尺寸及深度開挖基坑，而且還應(yīng)加強(qiáng)基坑支護(hù)。本工程在深基坑工程中采用拉森鋼板樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，還在基坑四周設(shè)置排水溝和集水井避免地下水及地表水的影響，配合實(shí)時(shí)的基坑變形監(jiān)測，保證深基坑施工質(zhì)量，并且在施工過程中還注意安全防護(hù)工作。結(jié)果顯示，采取上述方案施工后，不僅如期完成施工，而且施工期間也未出現(xiàn)安全事故。經(jīng)驗(yàn)收，深基坑無論是深度還是尺寸均滿足承臺的施工要求，支護(hù)拉森鋼板樁也均達(dá)到設(shè)計(jì)高程，傾斜度為0%～0.8%，滿足本工程傾斜度不超過1%的設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)收合格，取得了理想的施工效果，此施工方案值得推廣。