深基坑施工挖孔桩冠梁防护体系的设计与验算

谈小武

随着我国高速铁路网的发展,涉及跨铁路营业线施工越来越多,受连续梁跨径及线路走向的限制,新建线路桥梁的承台边缘往往距既有线路坡脚距离都很近,对承台施工带来了很大的难度。津秦铁路客运专线三标段北营陡河1号特大桥37号墩就是其中比较特殊的一个,该墩位于银联线及津山上、下行线之间,大型设备进出及移动不便,施工时安全风险较大。为理想的解决上述问题,在该墩承台施工时采用了挖孔桩冠梁结构防护体系对承台基坑进行防护,并取得了良好的效果。

1 工程概况

津秦铁路客运专线三标段北营陡河1号特大桥(DK141+986.83～DK149+779.94)全长 7.793 km,本桥于 DK143+026.10～DK143+280.53处采用 60 m+100 m+60 m后张法预应力连续梁结构形式跨越既有津山铁路唐山站东咽喉,本连续梁位于陡河1号桥35号～38号墩,线路与既有津山铁路线交角149°05′00″。37号墩基础为钻孔灌注桩群桩基础,桩基20根。承台为18.6 m×14.6 m×3.5 m+11.2 m×11.2 m×3.5 m组合承台,位于东咽喉两银联线和津山上、下行线之间。基坑开挖深度8.018 m,最大开挖尺寸为 19.6 m×15.6 m,地下水位较深,开挖范围内均为干处挖方。

2 方案比选

由于该墩位于银联线和津山上、下行线之间,若采用钢板桩或钻孔桩对基坑进行防护时需采用打桩机、旋挖钻、吊车等大型设备进行施工。受接触网净空影响大型设备进出场前必须与电务段协调并办理相应手续对接触网进行停电,且每周只有周二才有停电时间。考虑大型设备进出场的不便,以及施工时存在风险较大,上述两种方案的进度及安全难以保证。经认真研究并对几种方案比选,综合考虑工期、安全、经济及技术可行性,确定了承台基坑开挖采用人工挖孔桩加冠梁的防护体系,铁路行车安全采用施工现场及临时道口全封闭防护的一体化防护方案。

3 防护方案的设计与验算

37号墩基坑开挖尺寸为19.6 m×15.6 m,四周采用49根人工挖孔桩加冠梁防护,防护桩桩径1.0 m,桩间净距0.5 m,桩长15 m,嵌固深度6.982 m,桩顶设1.0 m×1.0 m的冠梁,防护桩及冠梁均采用C25混凝土。

3.1 挖孔桩设计参数

土体参数:粉土—粉砂—细砂—中砂,采用加权平均后,土体的粘聚力c=19 kPa,内摩擦角为30°,容重 γ=19 kN/m3。

荷载条件:基坑边缘切入路基坡脚1.6 m,津山线路基基底宽18 m,路基的容重为20 kN/m3,为安全起见,路基填高按1.5 m计,则路基填高荷载为30.0 kPa,作用宽度为18 m;列车(单线)动荷载换均布荷载60.1 kPa,作用宽度为3.0 m,距基坑边缘3.775 m。

3.2 嵌固深度验算

参考JGJ 120-99建筑基坑支护技术规程(以下简称《规范》)中排桩及地下连续墙嵌固深度的验算方法。

嵌固深度验算式:hp∑EPJ-1.2γ0ha∑Eai≥0。

取嵌固深度hd=6.982 m;

hp∑EPJ-1.2γ0ha∑Eai=375.9 kN/m＞0,嵌固深度取6.982 m,满足规范要求。

3.3 整体稳定性验算及基坑隆起量验算

3.3.1 整体稳定性验算

整体稳定性验算简图见图1。

计算方法:瑞典条分法;应力状态:有效应力法;条分法中的土条宽度:0.40 m;滑裂面数据:整体稳定安全系数Ks=2.308;圆弧半径 R=9.925 m;圆心坐标X=-2.192 m,Y=2.415 m。

3.3.2 抗倾覆稳定性验算

抗倾覆安全系数:

Ks=2.032≥1.200,满足规范要求。

3.3.3 抗隆起验算

1)采用 Prandtl(普朗德尔)公式验算(Ks≥1.1～1.2),注:安全系数取自YB 9258-97建筑基坑工程技术规范(冶金部):

2)采用Terzaghi(太沙基)公式(Ks≥1.15～1.25),注:安全系数取自YB 9258-97建筑基坑工程技术规范(冶金部):

3.3.4 隆起量的计算

按以下公式计算的隆起量,如果为负值,按0处理。

3.4 冠梁及防护桩配筋验算

3.4.1 冠梁配筋验算

由于防护设计时未考虑冠梁受力,所以冠梁采用构造配筋即可。

3.4.2 防护桩桩身配筋验算

1)桩身内力分析。

分别采用弹性法土压力模型和经典法土压力模型对桩身内力及位移进行分析,内力、位移情况如图2所示。桩身最大弯矩和剪力分别为820.15 kN◦m和275 kN。

2)桩身配筋设计。

桩体采用C25混凝土,主筋采用非对称布筋,靠基坑外侧采用16根φ 20HRB335型钢筋,靠基坑内侧布置6根φ 20HRB335型构造筋,主筋长度均为15.8 m,伸出80 cm与冠梁锚固。

螺旋箍筋采用φ 10HPB235圆钢,间距为 20 cm;加强筋采用φ 20HRB335螺纹钢,间距为2 m。

3)桩身受力验算。

根据GB 50010-2002混凝土结构设计规范中,圆截面受弯的相关规定进行验算。

弯矩验算:

剪力验算:

4 过程监测及防护效果

1)施工检测。为确保挖孔桩冠梁结构的稳定性和银联线及津山上行线的行车安全,在冠梁顶每5 m处设置一观测点,从基坑开挖至基坑回填前定期对冠梁顶各点位移及既有线路基沉降进行观测。2)防护效果。采用人工挖孔桩加冠梁防护体系后成效显著,施工进展顺利,防护结构施工只用了15 d便完成,施工中未出现任何威胁列车行车安全的事故,既有线路基亦未发生异常沉降,因而本工程采用的人工挖孔桩加冠梁防护体系是行之有效的。

5 结语

人工挖孔桩冠梁结构防护体系从设计到施工都很成功,用于深基坑施工较为安全可靠,兼具结构刚度大、桩顶位移小、干扰小、工作面多、操作简便、利于施工等特点。对于场地狭小、基坑周边建筑物沉降控制要求严格,大型设备施工不便,特别是靠近铁路和公路两侧的施工,优先考虑人工挖孔桩加冠梁的设计方案。

[1] JGJ 120-99,建筑基坑支护技术规程[S].

[2] YB 9258-97,建筑基坑工程技术规范[S].

[3] GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

[4] TB 10002.5-2005,铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

[5] 吴国表.某深基坑开挖设计[J].山西建筑,2008,34(7):149-150.