新建道路下穿既有鐵路的墩臺(tái)防護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算

徐文強(qiáng)

(海峽(福建)交通工程有限公司)

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路以及鐵路建設(shè)的日益發(fā)展，公鐵立交的情況越來(lái)越多，且公鐵施工時(shí)間難于統(tǒng)一，為了保障既有線的運(yùn)營(yíng)安全，新建項(xiàng)目在施工時(shí)需對(duì)既有線進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。結(jié)合福建省寧德市物流1#路(莆興路～壺公路)下穿福廈線和向莆線墩臺(tái)防護(hù)施工圖設(shè)計(jì)，對(duì)既有鐵路線橋梁的墩臺(tái)防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述和計(jì)算分析，以為后繼工程提供指導(dǎo)和參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

物流1#路(莆興路～壺公路)位于莆田市商貿(mào)物流園區(qū)，是園區(qū)區(qū)內(nèi)主干道，1#路采用設(shè)計(jì)時(shí)速50 km/h的城市I級(jí)主干道標(biāo)準(zhǔn)。莆田市物流1#路目前已完成初步設(shè)計(jì)，道路于向莆鐵路DK545+850處下穿向莆鐵路莆田特大橋(左線)、莆田特大橋(右線)和福廈鐵路黃石特大橋。因受沈海高速和物流園區(qū)道路標(biāo)高限制，在橋梁下穿處需在現(xiàn)有標(biāo)高基礎(chǔ)上下挖。為保證向莆鐵路和福廈鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，下挖后路面設(shè)計(jì)標(biāo)高以黃石特大橋53#墩承臺(tái)底標(biāo)高控制，并對(duì)向莆鐵路莆田特大橋(左線)500#、501#墩、莆田臺(tái)，福廈鐵路黃石特大橋52#、53#墩、廈門臺(tái)和向莆鐵路莆田特大橋(右線)68#、69#墩、莆田臺(tái)承臺(tái)和樁基進(jìn)行防護(hù)。

1.2 地質(zhì)概況

第四系人工填土層(Qm1)

人工填土，灰褐色，雜色，松散，稍濕，成分以碎石，混凝土及黏土。

第四系殘坡積層(Qe1+d1)

粉質(zhì)黏土，灰黃色、斑雜色，硬塑 σ0=180 kPa。

燕山晚期第三階段第一次侵入花崗巖(ηγ2(3)a5)

花崗巖，褐黃色、斑雜色，全風(fēng)化，σ0=250 kPa。

花崗巖，褐黃色、斑雜色，強(qiáng)風(fēng)化，σ0=500 kPa。

花崗巖，灰白色，弱風(fēng)化，σ0=1 200 kPa。

地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g(對(duì)應(yīng)地震基本烈度為7度)。地下水不發(fā)育，主要是孔隙潛水，埋深較大。補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水。地下水無(wú)侵蝕性。

2 防護(hù)樁設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 防護(hù)樁加固方案說(shuō)明

向莆鐵路莆田特大橋(左線)500#、501#墩、莆田臺(tái)，福廈鐵路黃石特大橋52#、53#墩、廈門臺(tái)和向莆鐵路莆田特大橋(右線)68#、69#墩、莆田臺(tái)均為樁基礎(chǔ)，采用1.0 m鉆孔樁基礎(chǔ)，其中莆田特大橋(左線)500#墩和莆田特大橋(右線)莆田臺(tái)為摩擦樁外，其它墩臺(tái)均為柱樁。分別對(duì)向莆鐵路莆田特大橋(左線)501#墩、莆田臺(tái)，福廈鐵路黃石特大橋53#墩、廈門臺(tái)和向莆鐵路莆田特大橋(右線)69#墩、莆田臺(tái)進(jìn)行加固防護(hù)。加固采用挖孔樁防護(hù)，樁間采用系梁連接。橋墩防護(hù)樁截面為1.25×1.5 m矩形截面;橋臺(tái)防護(hù)樁截面為1.5×2.0 m矩形截面。

2.2 防護(hù)樁樁長(zhǎng)計(jì)算

防護(hù)樁的作用是擋住基坑四周的土體，作用于防護(hù)樁的外力主要來(lái)自土壓力和水壓力，以及坑頂其他荷載引起的側(cè)向壓力。防護(hù)樁土壓力計(jì)算比較復(fù)雜，因?yàn)榉雷o(hù)樁柔度較大，在土壓力作用下將產(chǎn)生彎曲變形，此種變形又反過(guò)來(lái)影響土壓力的大小和分布，二者相互影響。此處采用粗略的近似計(jì)算，即不考慮防護(hù)樁的實(shí)際變形，仍采用古典土壓力理論計(jì)算作用于防護(hù)樁的土壓力，此處采用朗金理論。

由于精確確定土壓力分布圖形比較困難，一般近似的假定土壓力分布如圖所示:墻身前側(cè)是被動(dòng)土壓力，其合力Ep1，并考慮安全系數(shù)K=2;墻身后方是主動(dòng)土壓力，合力為Ea。另外在樁下端還作用有被動(dòng)土壓力Ep2，并且將其作用位置簡(jiǎn)化到樁端b。考慮實(shí)際作用位置在樁端b以上一段距離，在最后計(jì)算所得入土深度t適當(dāng)增加10% ～20%。

通過(guò)鐵路橋梁工程師軟件計(jì)算得到橋梁承臺(tái)位置最大水平推力，雙線臺(tái) 1 800 kN，單線臺(tái) 1 100 kN，單線墩800 kN。并平均分配到防護(hù)樁范圍內(nèi)。

圖1 土壓力分布圖

已知樁周土容重γ=19 kN/m3、內(nèi)摩擦角φ=30°、粘聚力c=0。

朗金主動(dòng)土壓力系數(shù):Ka=tan2(45°-30°/2)=0.333

朗金被動(dòng)土壓力系數(shù) :Kp=tan2(45°+30°/2)=3

取1延米土柱，計(jì)算樁上作用力對(duì)樁端b點(diǎn)的力矩平衡條件∑M，得

解上式可得:樁入土深度t，則樁長(zhǎng)L=h+1.2t。

表1 防護(hù)樁樁長(zhǎng)計(jì)算表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，向莆(左線)莆田特大橋501#墩、向莆(右線)莆田特大橋69#墩采用樁長(zhǎng)13 m，由于福廈線黃石特大橋53#墩承臺(tái)底控制路面標(biāo)高，偏安全取樁長(zhǎng)為13 m;向莆線(左、右線)莆田特大橋莆田臺(tái)采用樁長(zhǎng)22 m，福廈線廈門臺(tái)采用樁長(zhǎng)17 m。

2.3 樁身最大彎矩

設(shè)樁的最大彎矩在基坑底部深度t0處，該截面的剪力應(yīng)為0，即得

解上式可得:樁身最大彎矩截面距基坑底距離t0。則樁身最大彎矩為

表2 防護(hù)樁樁身彎矩計(jì)算表

2.4 樁頂位移計(jì)算

本例檢算樁頂水平位移，需滿足規(guī)范要求。計(jì)算時(shí)將所有外力等效為樁頂水平力和彎矩，根據(jù)以下公式計(jì)算

樁的計(jì)算寬度:b1=KfK0b，矩形截面Kf=1.0，K0取1+1/b，根據(jù)上式計(jì)算得各樁計(jì)算寬度總和nb1大于樁排最外緣線間距D'，則 Kfb=(D'+1)/n。

表3 防護(hù)樁樁頂位移參數(shù)表

計(jì)算結(jié)果均小于，滿足規(guī)范要求。

表4 防護(hù)樁樁頂位移計(jì)算表

3 重力式擋土墻設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 基本資料

設(shè)計(jì)采用I型擋墻和II型擋墻輔助防護(hù)。其中I型擋墻根據(jù)地形墻高由1.5～2.5 m，II型擋墻墻高3.1 m。設(shè)計(jì)中采用理正巖土計(jì)算5.6版軟件分析。擋墻細(xì)部尺寸如圖2所示。

圖2 擋墻細(xì)部尺寸圖

物理參數(shù):圬工砌體容重:23 kN/m3，圬工之間摩擦系數(shù):0.4，地基土摩擦系數(shù):0.35，墻身砌體容許壓應(yīng)力:2 100 kPa，墻身砌體容許剪應(yīng)力:110 kPa，墻身砌體容許拉應(yīng)力:150 kPa，墻身砌體容許彎曲拉應(yīng)力:280 kPa，擋土墻類型:一般擋土墻，墻后填土內(nèi)摩擦角:30°，墻后填土粘聚力:0 kPa，墻后填土容重:19 kN/m3，墻背與墻后填土摩擦角:17.5°，地基土容重:18 kN/m3，修正后地基承載力特征值:180 kPa。

地基承載力特征值提高系數(shù):墻趾值提高系數(shù):1.2，墻踵值提高系數(shù):1.3，平均值提高系數(shù):1，墻底摩擦系數(shù):0.35，地基土類型:土質(zhì)地基，地基土內(nèi)摩擦角:30°，土壓力計(jì)算方法:庫(kù)侖。

基礎(chǔ)類型:鋼筋混凝土底板基礎(chǔ)，懸挑長(zhǎng)度:1 m，根部高度:1 m，端頭高度:1 m，榫頭寬度:0 m，榫頭高度:0 m，基礎(chǔ)容重:23 kN/m3，鋼筋容許拉應(yīng)力:150 MPa，混凝土容許主拉應(yīng)力:0.53 MPa，混凝土容許剪應(yīng)力:0.8 MPa，鋼筋合力點(diǎn)到基底距離:50 mm。

3.2 土壓力計(jì)算

表5 擋墻土壓力計(jì)算表

3.3 滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

計(jì)算得滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)均大于允許值1.3，滿足規(guī)范要求。

表6 擋墻穩(wěn)定性計(jì)算表

3.4 傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

基礎(chǔ)為鋼筋混凝土底板，驗(yàn)算擋土墻繞基礎(chǔ)趾點(diǎn)傾覆穩(wěn)定性。

表7 擋墻傾覆穩(wěn)定性計(jì)算表

計(jì)算得滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)K0均大于允許值1.6，滿足規(guī)范要求。

3.5 地基應(yīng)力及偏心距驗(yàn)算

基礎(chǔ)類型為鋼筋混凝土底板，驗(yàn)算底板下偏心距及壓應(yīng)力

允許偏心距［e］=B/6

表8 擋墻地基應(yīng)力及偏心距計(jì)算表

地基應(yīng)力及偏心距滿足規(guī)范要求。

3.6 墻底截面強(qiáng)度驗(yàn)算

墻身強(qiáng)度按容許應(yīng)力法計(jì)算，對(duì)墻底截面應(yīng)力及偏心距驗(yàn)算。

表9 擋墻墻底截面強(qiáng)度計(jì)算表

合力偏心距允許值［e1］=0.3B，B為驗(yàn)算截面寬度。墻身截面強(qiáng)度及偏心距滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)福建省寧德市物流1#路(莆興路～壺公路)下穿福廈線和向莆線墩臺(tái)防護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)經(jīng)過(guò)計(jì)算以及工程實(shí)踐，通過(guò)防護(hù)樁以及擋土墻相結(jié)合的方法對(duì)既有鐵路橋梁的墩臺(tái)進(jìn)行防護(hù)是可行的，計(jì)算結(jié)果符合規(guī)范要求，經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐，證明計(jì)算成果是安全的。

(2)此次對(duì)于既有鐵路線的橋梁墩臺(tái)防護(hù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，采用的是郎肯土壓力理論，對(duì)墩臺(tái)防護(hù)樁進(jìn)行了樁長(zhǎng)以及樁身最大彎矩的計(jì)算，并對(duì)樁頂位移進(jìn)行了驗(yàn)算;計(jì)算了擋墻所承受的土壓力，并對(duì)擋墻的滑動(dòng)穩(wěn)定性、傾覆穩(wěn)定性、地基應(yīng)力、偏心距以及墻底截面強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算。在今后的工程設(shè)計(jì)中，以上這些方法以及步驟是可以進(jìn)行參考和借鑒的。

(3)目前土壓力的計(jì)算理論還不夠成熟，許多理論收到特定條件的限制，僅能在某些特定的地質(zhì)條件以及支擋結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，故難以形成計(jì)算模板。希望有更多的工程技術(shù)人員投入到該領(lǐng)域的研究當(dāng)中，完善計(jì)算理論，使得工程更加安全經(jīng)濟(jì)。

［1］鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院.鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范(TB10002.1-2005)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

［2］鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院.鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10002.5-2005)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2011.

［3］鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院.鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10002.3-2005)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社.2007.

［4］鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院.鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10025-2001)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.