粉土地區(qū)框架橋設計要點

楊 玫

（杭州鐵路設計院有限責任公司，浙江 杭州 310006）

0 引言

粉土是介于砂性土和粘性土之間的一種過渡型土，其工程性質(zhì)既與砂性土不同又與粘性土有較大區(qū)別，至今人們對粉土工程性狀的研究尚不成熟。杭州地區(qū)粉土具有時代新、埋藏淺、地下水位高、透水性強等特性，透水層承壓水多與河湖連通。

框架橋基底一旦位于粉土層，在設計階段若沒有考慮有效的技術措施，在施工及運營階段往往會產(chǎn)生一些問題，輕則影響結構的正常使用，重則需拆除重建，本文將對其進行分析。

1 施工中存在的問題

1.1 基坑開挖

由于框架橋通常采用頂進法施工，為此需先進行基坑開挖。如止水或降水不當，則易引發(fā)坑內(nèi)流砂、管涌，甚至導致附近建（構）筑沉降過大等事故。

1.2 地下水及地表水

下穿鐵路框架橋工程的順接道路通常大部分位于地下水位以下，這段道路應采取截水措施，將地下水堵截在道路范圍以外。另外，引道路面標高較低，地表水（一般為雨水）收集后，無法自流排放，故除阻隔地下水外，下穿段的地表水也應及時排除。

1.3 結構接縫

在框架和U型槽的接縫以及U型槽和U型槽之間接縫處的沉降縫是粉土地區(qū)下穿框架橋工程的薄弱環(huán)節(jié)。如果處理不好，極易發(fā)生道路或結構邊墻滲漏水和泥沙外冒的病害。

2 運營中存在的問題

2.1 路橋過渡段

由于頂進框架橋是在既有線路下施工，頂進就位后列車振動對路基土的擾動，容易引起路基土層的應力發(fā)散和土體松弛，加大了橋側路基和橋體剛度的差異，不利于行車。同時在地表水的作用下，路基和橋體的接觸面被沖刷，引起水土流失，容易導致路基空洞，危害鐵路行車安全。

2.2 箱身地基

粉砂土地區(qū)若接縫或排水系統(tǒng)遭到破壞后，經(jīng)常積水的框架橋底水土流失嚴重，導致箱底大量空洞，使結構不均勻受力，影響結構使用安全。

3 設計中可采取的措施

針對以上粉土地區(qū)的特點及易發(fā)生的問題，在設計時應充分考慮相關對策，將粉土的透水性影響減小到最低。因此，粉土地區(qū)頂進框架橋的技術關鍵就是對地下及地表水降排的處理。然而，在既有鐵路路基地段，新建頂進框架橋工程和改擴建既有框架橋的處理側重點亦有所不同，下文將分別詳述。

3.1 新建框架橋設計要點

3.1.1 基坑降水

基坑開挖是頂進框架橋工程的關鍵環(huán)節(jié)，大部分安全事故發(fā)生于基坑開挖階段。因而在基坑開挖階段，必須采取有效的措施，將基坑內(nèi)部的水降至底板1m以下為宜。在市區(qū)及周邊環(huán)境要求較高時，坑外應嚴禁降水，否則可能引起地面沉降，從而導致周圍建筑物變形。因此對于粉土地區(qū)的基坑工程，應在坑外設置止水帷幕，坑內(nèi)采用合理的降水設備進行降水。

以杭州市南白路公鐵立交工程為例，地點位于城區(qū)內(nèi)，基坑邊建筑房屋及地下管網(wǎng)密集，且緊鄰既有河道。框架橋基坑規(guī)模為23.6m×28.6m，開挖深度為7.5m。

涌水量按下式計算：

式中：Q為基坑涌水量（m3/d）；k為滲透系數(shù)（m/d）；H為潛水含水層厚度（m）；s為基坑水位降深（m）；R為降水影響半徑（m）； r0為基坑等效半徑（m）。

設計采用孔徑為300mm的管井井點降水，每根管井的出水能力按以下式（2）計算：

式中：q0為每根管井的出水能力；ls為過濾器浸沒長度（m）；d為過濾器外徑（m）；a為與含水量滲透系數(shù)有關的經(jīng)驗系數(shù)，本工程取1.3。

所需要的井數(shù)n為：

由于開挖深度較深，基坑大部分位于砂質(zhì)粉土層，透水系數(shù)大，本工程根據(jù)計算結果最終選用8孔管井井點進行坑內(nèi)降水，即四個角點各布置1孔，四邊的中點各布置1孔，同時坑外設置兩排搭接20cm的Φ60水泥攪拌樁止水帷幕。經(jīng)施工實踐檢驗，降水效果良好，且周邊建（構）筑物受降水影響較小，周邊地面沉降在可控范圍內(nèi)。

3.1.2 地下水截水

經(jīng)過大量工程實踐，目前最有效的方法是在地下水以下的道路設置鋼筋混凝土U形槽結構。U型槽結構的形式為底板相連的懸臂式擋墻，這種結構剛度大、變形小、穩(wěn)定性好、收坡支擋防水效果優(yōu)良，一方面可以起到擋土墻作用，另一方面可以較好地阻擋地下水滲入道路范圍，比起常規(guī)的擋墻結構，更適用于地下水豐富、地下水位較高的挖方地段。

3.1.3 地表水排水

除需阻隔地下水外，下穿段的地表水也應及時排除。由于下穿鐵路，引道路面標高較低，地下水和雨水收集后，管道排放口位于河道常水位以下，無法自流排放，故需設置雨水泵站，經(jīng)排水系統(tǒng)收集、水泵提升后排放。

泵站的主要任務是及時排除暴雨時的地面徑流，泵站的位置一般設置在道路最低點和靠近排放河流一側。設計參數(shù)的取值要考慮下穿式道路地勢的特殊性，對于積水時間t、匯水面積F、徑流系數(shù)ψ以及重現(xiàn)期P的取值應考慮最不利條件的影響。設計雨水量計算公式為：

式中：ψ為徑流系數(shù)，瀝青混凝土路面0.95；F為匯水面積（m2）；q為杭州市暴雨公式（l/sha），q＝3360.04(1 +0.639lgT)/(t +11.945)0.825；T為設計重現(xiàn)期，按5年計；t=t1+mt2，設計降雨歷時，t1為10min，m為明溝，取1.2。

由于下穿通道排水不暢會引起城市內(nèi)澇，且目前極端天氣概率增加，故在泵站設計中宜適當提高標準，并用短歷時降雨強度的極值進行校核。同時，泵站提升后的排水通道也是極為重要的問題，應盡量避免將出水排入市政管網(wǎng)而增加市政管網(wǎng)負擔，能排至附近河道為最優(yōu)。

3.1.4 結構接縫處理

目前常用的沉降縫是由鋼剪銷、止水帶等組成。鋼剪銷一般由Φ28的鋼筋及內(nèi)徑為30mm的鐵套管組成。止水帶通常采用中埋式的橡膠止水帶或鋼邊止水帶，其布置見圖1。

在沉降縫的施工中，常因材料選擇、施工方法不當造成沉降縫滲漏現(xiàn)象。而立交橋使用期較長，止水帶所處的部位又難以維修，因此在設計中要提高工程安全度。施工中要給予高度重視，以保證工程質(zhì)量。頂進期間要求對預埋的止水帶用型鋼等加以保護。

3.1.5 路基過渡段處理

粉砂土地區(qū)框架橋頂進就位后，對于鐵路路基過渡段的處理亦要加強重視。目前鐵路路基和框架橋過渡段處通常采用素混凝土回填，同時在路基兩側增設高壓旋噴樁止水帷幕，這在加固鐵路路基和防止路基塌陷效果良好。

3.2 改建項目設計要點

改建項目有兩個特點：（1）既有交通擁堵，需要道路拓寬；（2）由于地下水處理不到位，既有框架內(nèi)雨季積水嚴重，交通時常中斷，除道路拓寬外還需對道路的排水系統(tǒng)進行重新改造。在粉土地區(qū)的此類改建項目除和新建項目關鍵點一致外，還要注意以下幾個問題。

3.2.1 新舊結構物接縫處理

新建結構的止水帶可以預埋，但既有框架橋無預埋止水帶，如果對既有框架橋結構開槽埋置止水帶，則對受力鋼筋造成破壞，影響結構受力性能，故在杭州市東信大道鐵路立交改擴建工程中采用了不對既有結構產(chǎn)生破壞且止水效果良好的丁基鋼板止水帶。沉降縫內(nèi)設置丁基鋼板止水帶一條，遇水膨脹橡膠止水帶一條，同時預埋了注漿管，并在施工完成后進行注漿封閉，如圖2、圖3所示。該止水處理較好地解決了新舊結構接縫問題，經(jīng)過建成通車若干年和暴雨的檢驗，止水效果良好。

圖1 沉降縫布置示意圖

圖2 止水帶安裝示意圖（單位：mm）

圖3 底板防水大樣圖（單位：mm）

3.2.2 既有框架橋下病害處理

粉砂土地區(qū)經(jīng)常積水的框架橋底水土流失嚴重，在本工程中，對既有框架橋箱身基底亦采用傾斜壓密注漿的后處理方式加固，并在兩端設置高壓旋噴樁止水帷幕，主要作用為填補箱底水土流失產(chǎn)生的空洞，防止框架橋不均勻沉降，同時防止水土再次流失，如圖4所示。

圖4 既有框架地基處理示意圖

由于鐵路鋼軌變形控制較嚴格，鐵路下方注漿壓力建議在0.1～0.3MPa之間，具體應現(xiàn)場試驗，施工期間要嚴格觀測鐵路軌道及路基變化，及時對注漿參數(shù)進行調(diào)整。

4 結語

通過以上兩個工程實例，并結合杭州地區(qū)粉土的特性可以看出，頂進框架橋遇到該類地質(zhì)情況時，無論是新建項目還是改建項目，工程設計中都應重視地下水的降排處理。在基坑支護、地下水降排、結構接縫處理、既有框架病害整治等時，應針對不同情況選取有效的止水避水措施。上述工程，經(jīng)受了幾次強臺風的考驗，沒有因為框架橋地勢低而造成道路積水或中斷通行，取得了較好的社會效益與經(jīng)濟效益。

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[3] 楊慧林.地道橋方案設計中應著重考慮的若干問題[J].鐵道標準設計，2004，（10）：81-83.

[4] 張建新.下穿式道路立交雨水泵站排水設計參數(shù)探討[J].給水排水，2012，（1）：30-35.