既有鐵路架空保護支護樁截面優化設計研究

龔 政，王樹峰，向文秘，周 越，劉鑫章，譚鑫亮

（中建三局集團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，由于鐵路運營的需要，常常需首先對鐵路軌道進行架空保護。而支護樁正是既有鐵路架空保護的主要傳力結構，其選型和設計直接影響到施工過程中鐵路運行的安全可靠和現場施工安全，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樁截面的設計優化過程，以達到費用節省、工期縮短和安全風險降低的目的，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，其位于十堰市武當路美地天城小區旁，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，需對既有鐵路進行架空保護，原設計采用 10 根 3.5 m×2 m 的矩形截面空心樁作為鐵路架空保護的主要受力支撐，該樁采用矩形截面空心結構，由 1 m 厚底板、0.3 m 厚側壁和 1 m 厚頂板組成，即在內部形成了一個（樁長-2 m）×1.4 m×2.9 m 的空腔。由于周圍環境限制，其支護樁采用人工挖孔施工，護壁厚度 15 cm。支護樁及護壁原設計如圖 1 所示。

圖1 支護樁及護壁原設計圖（單位：cm）

同時，按照原設計，在樁頂設置有 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 萬能桿件設置圖（單位：cm）

2 原設計利弊分析

按照原設計，主要體現了兩個特點，一是截面尺寸大，二是采用了空心結構。從設計意圖出發，這兩個特點，一方面滿足了結構受力的需要，因為根據地勘情況，下穿鐵路通道附近地勘孔鉆至 61 m 深時，仍未遇中風化及高強度巖層，從而設計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構，相比同樣截面實心結構可節約實體混凝土，從而節約費用。但是，帶來的弊端更明顯。

1）需要模板及支架，措施費用高。采用空心結構，其側壁和頂板施工都需在孔內安裝模板和支架，尤其是頂板施工，其模板及支架都無法拆除，因而措施費用較高，甚至高于采用空心結構節約的混凝土費用。

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

3）混凝土分 3 次澆筑，接縫多，質量控制難。按照原設計，底板、側壁、頂板至少需分 3 次進行澆筑，接縫處理是關鍵，而且是在地下有限空間內操作，檢查與驗收也比較困難，一旦處理不好將嚴重影響樁基的完整性，進而影響結構受力和施工安全。另外，側壁混凝土的澆筑也是難點，側壁厚僅 30 cm，長度超過 10 m，在支架密集的情況下，如何保證側壁混凝土的振搗密實是關鍵，也是容易出現質量問題的重點部位。

4）按照原設計，樁頂有 4 m 高萬能桿件，受軌道枕木位置影響，無法進行整體吊裝，只能在孔內進行萬能桿件的組裝，空間十分有限，操作難度大，耗時長。

5）工序復雜，工期長。從上面幾點看，從成孔后到成樁需經歷諸多工序，每道工序都需要占用一定的持續時間，使工期延長，而下穿鐵路通道作為該項目的控制性工程，直接影響到項目的整體工期。支護樁施工時間越長，對項目的整體工期控制越不利，工期風險越大。

3 優化設計情況

通過對原設計利弊的分析，明顯弊大于利，為了安全和工期等多方面考慮，研究一種安全風險更低、費用更節省、工期更短的支護樁截面形式十分有必要。

3.1 優化設計方案

為了解決以上不足，本研究提出支護樁截面優化方案，通過計算和受力分析，最終確定將樁基截面優化為1.5 m×1.5 m 的實心方樁，上部取消萬能桿件，同時在樁底設置直徑為 2.8 m 的擴大頭，護壁增加到 20 cm。優化設計后如圖 3 所示。

圖3 支護樁優化設計圖（單位：cm）

3.2 優化設計驗算

根據本工程實際，作用在支護樁上的荷載主要有：列車活載、便梁自重、樁身自重等［1］。

查 TB 10002－2017《鐵路橋涵設計規范》［2］，簡支或連續的鋼橋跨結構動力系數計算如式（1）所示。

式中：1+μ為動力系數；L為橋梁跨度，m。

本項目箱涵結構上方采用 D20 便梁，按L=20 m計，得動力系數 1+μ=1.46。

考慮列車荷載動力系數，可求得單個樁頂列車活載為：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，單根支護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設計規范》［3］，磨擦樁單樁軸向受壓承載力特征值Ra計算如式（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，對于擴底樁，取擴底截面面積，m2；n為土的層數；li為承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度，擴孔部分及變截面以上 2 d 長度范圍內不計，m；qik為與li對應的各土層與樁側的摩阻力標準值，kPa；qr為樁端處土的承載力容許值，kPa，按式（3）計算，當持力層為砂土、碎石土時，若計算值超過下列值，宜按下列值采用：粉砂 1 000 kPa，細砂 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平均重度，kN/m3；h為樁端的埋置深度，m；m0為清底系數；λ為修正系數；k2為容許承載力隨深度的修正系數。

代入相關參數得：

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 優化前后對比分析

4.1 工程量及費用對比

相比原設計，優化后截面尺寸變小，經計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，單根樁節約費用約 14.5 萬元，則 10 根樁共節約費用約 145 萬元。工程量及費用對比如圖 4 所示。

圖4 單根支護樁工程量及費用比較

4.2 工期對比

下穿鐵路箱涵是制約本項目總工期的關鍵工程，采用實心樁后，省去了孔內萬能桿件安裝、模板支架安拆及混凝土多次澆筑的時間，可節約工期至少 14 d，項目部延誤一個月增加管理費用約 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 安全風險對比

1）護壁比較。原設計支護樁截面尺寸大，護壁薄。一是護壁施工需要增加模板及支撐投入；二是護壁長邊與鐵路軌道平行，受列車振動影響，中間彎度很大，設計厚度 15 cm 安全不夠，風險高。優化設計后支護樁截面尺寸小，護壁厚，不僅模板支撐更容易，而且護壁厚度增加到 20 cm，抗彎性能更好。護壁優化設計對比如圖 5 所示。

圖5 護壁優化設計對比圖（單位：mm）

2）模板及支架安裝施工比較。原設計需在孔內進行模板及支架安裝，作業空間十分有限，周期長；另外列車運行產生振動，風險大，且頂板模板和支架無法拆除。優化設計后無需模板及支架施工，省去了孔內長時間作業風險，也縮短了工期，節約了成本。原設計模板及支架安裝如圖 6 所示。

圖6 原設計模板及支架安裝示意圖（單位：m）

3）混凝土澆筑比較。原設計需按照底板、側壁、頂板至少分 3 次澆筑，孔內澆筑周期長，支架密集，操作難度大，風險高。優化設計后一次澆筑成型，操作方便，施工質量好，工期短，安全風險低。現場施工如圖 7 所示。

圖7 現場施工圖

5 結語

1）人工挖孔風險極高，尤其是靠近鐵路，成孔后宜早進行封閉，所以支護樁的選型和設計應以保障鐵路運行安全和現場施工安全為首要前提。

2）鐵路架空保護支護樁的設計受列車動載及地質條件影響比較大，所以樁基承載力仍是關鍵，通過樁底擴大頭的設計充分滿足了承載力的需求，保障了鐵路運行安全。

3）支護樁由空心變成實心，且取消了萬能桿件，減少了孔內長時間作業，有效地降低了現場施工安全風險。

4）采用擴底實心樁，總體節約費用約 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