鋼格柵支護在臨近鐵路既有線工程中的應(yīng)用

劉軍星 崔 勇

(1.河北京鐵勘測設(shè)計院有限公司,河北 石家莊 050020;2.雄安高速鐵路有限公司,河北 保定 071700)

0 引 言

鐵路既有線路深基坑工程一般距離鐵路較近,對基坑的穩(wěn)定性以及周邊位移有較高的要求.故大部分既有線深基坑工程采用支擋式結(jié)構(gòu)基坑,常用的類型為鉆孔樁支護基坑、鋼板樁支護基坑.這些樁支護基坑需要采用大型機械進行施工[1-3],在施工過程中會對鐵路既有線運營及設(shè)備安全造成潛在威脅,適用條件對施工場地提出更高要求.本文采用一種鋼格柵支護方法進行臨近既有線路的基坑工程的支護[4-6].

鋼格柵支護方法一般采用逆作法施工,施工過程中不用大型機械,同時在作業(yè)過程中可以對地下管線隨時處理,具有較好的適應(yīng)性,廣泛地應(yīng)用于鐵路既有線深基坑工程中.

1 工程概況

1.1 周圍環(huán)境

1.1.1 燃氣管線概況

神木-安平煤層氣管道(山西-河北段)工程起點為康寧壓氣站,終點為河北中心站;途徑山西、河北2省17個縣(市、區(qū)),線路長度550 km.全線管道外徑為813 mm、設(shè)計壓力8 MPa,采用L450M鋼管,設(shè)計輸量為50×108 m3/a,燃氣管道在正定縣城北部與京廣鐵路相交(見圖1).

圖1 設(shè)計平面布置圖

1.1.2 既有鐵路概況

管線交叉處鐵路里程為京廣線K244+456.10,鐵路區(qū)間為新安村站至正定站.相交處京廣鐵路為P60鋼軌,直線電氣化區(qū)段,無縫線路,混凝土枕,線路允許速度為160 km/h,線間距為4.0 m.京廣上行線線路坡度為平坡,京廣下行線線路坡度為0.1‰下坡,路基段,路基高約1.3 m,兩側(cè)有埋地光電纜.

1.1.3 防護套管設(shè)計概況

工程采用頂進1-φ1.55 m防護套管對鐵路進行防護,管線與鐵路線路夾角為90°,頂進長度為148.152 m,頂進方向從鐵路西側(cè)向東側(cè)頂進.防護套管頂設(shè)計標(biāo)高為68.39 m,管節(jié)頂位于京廣鐵路最低軌底以下5.934 m,東側(cè)溝底以下4.10 m.防護套管采用“京橋通-5002”Φ1550T8-S管節(jié).在鐵路西側(cè)安保區(qū)外設(shè)置頂進基坑,基坑深度7.44 m,規(guī)格為5×7 m,采用鋼格柵支護.

根據(jù)鉆孔揭露,將勘察范圍內(nèi)地基巖土按巖性特征、埋藏條件等特點劃分為6個工程地質(zhì)層,現(xiàn)分述如下:

第1層 雜填土:層厚:1.30 m,雜色,松散,以建筑垃圾為主,粉土及粉質(zhì)粘土充填.

第2層 粉質(zhì)黏土:層厚:1.50～4.30 m,黃褐色,可塑,中壓縮性.土質(zhì)較均,含黑色鐵錳氧化物,局部含砂粒.無搖震反應(yīng),稍有光澤反應(yīng),干強度、韌性中等.

第2-1層 細砂:層厚:1.50 m,灰白色,稍濕,稍密.砂質(zhì)純凈,分選性一般,以石英、長石為主,含云母.

第3層 細砂:層厚:1.60～2.70 m,灰白色,稍濕,稍密～中密.以石英、長石為主,含云母.砂質(zhì)較純,分選性一般,局部含粉土顆粒.

第4層 粉質(zhì)黏土:層厚:2.80～4.10 m,黃褐色,可塑～硬塑,中壓縮性.土質(zhì)較均,含黑色鐵錳氧化物,具銹斑.無搖震反應(yīng),稍有光澤反應(yīng),干強度、韌性中等.

第5層 細砂:層厚:0.90～1.20 m,灰白色,稍濕,中密.砂質(zhì)較純,分選性一般.以石英、長石為主,含少量云母.

第6層 粉質(zhì)黏土:層厚:1.30～1.80 m,黃褐色,可塑～硬塑,中壓縮性.土質(zhì)較均,局部夾粉土薄層,含鐵錳黑色氧化物,具銹斑,含少量小姜石.無搖震反應(yīng),稍有光澤反應(yīng),干強度、韌性中等.

1.2 地下水

根據(jù)鉆探揭露情況,該場地30 m范圍內(nèi)未見地下水位.

2 基坑工程參數(shù)和施工方案

2.1 基坑工程概況

根據(jù)本次勘察揭露,構(gòu)成基坑邊坡的土體為填土、粉質(zhì)黏土及細砂構(gòu)成.有關(guān)基坑支護的設(shè)計的巖土參數(shù)可參考表1所列數(shù)值采用.管線穿越京廣鐵路,基坑位于鐵路安保區(qū)以外,基坑側(cè)壁安全等級定為二級.基坑規(guī)格為5 m×7 m,以格柵鋼架、內(nèi)外雙層鋼筋網(wǎng)、錨噴C25混凝土共同組成聯(lián)合支護系統(tǒng),豎井口設(shè)置0.8 m×0.4 m的C30鋼筋混凝土圈梁,豎井逐榀開挖,四角沿豎井深度方向每隔一榀鋼格柵設(shè)置一道槽鋼臨時支撐,基坑平面和立面圖可見圖2和圖3.工作坑內(nèi)設(shè)能承受全線管道頂力的鋼后背梁、混凝土底板及60 kg/m導(dǎo)向軌.基坑開挖期間基坑兩側(cè)堆載不得大于30 kPa.基坑深度為7.44 m,布置17榀鋼格柵,8組臨時支撐(角撐)[7-9].

表1 基坑支護粘聚力和內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值

圖2 基坑平面布置圖(單位:mm)

圖3 基坑立面布置圖(單位:mm)

2.2 基坑施工方案

開挖時應(yīng)分層,分段對稱平衡開挖,每層先挖中間土后挖兩側(cè)土,每次開挖深度不超過50 cm,每循環(huán)進尺40 cm,開挖后及時架設(shè)鋼格柵及噴射混凝土支護,在完成上層作業(yè)面的鋼格柵及噴射混凝土以前,不得進行下一層土方的開挖.開挖至角撐下50 cm后及時架設(shè)角撐,在角撐未達到正常使用前,不得超挖下層土方.開挖至距坑底300 mm時應(yīng)由人工開挖、找平.考慮施工誤差,坑底施工誤差按±20 mm計.在機械挖土過程中,要配有經(jīng)驗豐富的施工人員擔(dān)當(dāng)現(xiàn)場指揮,切實保護好坑壁及支撐系統(tǒng)不受碰撞,并配以一定的人工挖土.

基坑逐榀向下開挖,鋼格柵間距0.4 m設(shè)置.鋼格柵定點預(yù)制,施工時采用分段對稱安裝,安裝時要保證鋼格柵安裝精度.格柵之間采用縱向連接鋼筋相連,鋼筋網(wǎng)牢固的綁扎在格柵主筋上,保證在噴射混凝土?xí)r不得晃動.基坑錨噴格柵結(jié)構(gòu)先整體成型,待下頂管機頭前再對頂管范圍內(nèi)坑壁進行破除處理,保證基坑穩(wěn)定性及支護安全.

3 基坑支護和鋼格柵支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

3.1 計算單元結(jié)構(gòu)選取

基坑計算單元選取結(jié)構(gòu)底部0.8 m條帶作為計算對象.如圖4所示:

圖4 計算單元圖

計算采用midas civil進行建模計算,模型簡圖如圖5所示.

圖5 計算模型斜俯視圖

3.2 計算荷載

結(jié)構(gòu)自重:按照26 kN/m3自動計入.

土壓力:經(jīng)軟件計算,井底部外側(cè)主動土壓力強度標(biāo)準(zhǔn)值為75.858 kPa.作用于0.8 m寬條帶上土壓力強度標(biāo)準(zhǔn)值為:75.858×0.8=60.68 kN/m.

3.3 鋼格柵支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

通過計算結(jié)果(圖6、圖7)發(fā)現(xiàn),角部彎矩相對較小大約為70 kN·m,基坑邊中間的彎矩交大,最大為138 kN·m,且二者位置彎矩方向相反.

圖6 側(cè)墻彎矩計算結(jié)果(單位:kN·m) 圖7 側(cè)墻軸力計算結(jié)果

側(cè)墻的中間位置軸力為壓力長邊為164 kN(壓力),短邊為225 kN(壓力).角部為拉力,在10 kN左右.和概念分析的結(jié)果吻合[10].

4 存在問題分析和處理方法

4.1 存在問題

4.1.1 土體物理力學(xué)參數(shù)選取受局限

目前基坑設(shè)計中采用的支護參數(shù),大多為勘察單位在基坑原位鉆孔根據(jù)室內(nèi)試驗取得的參數(shù).一方面由于既有線頂管基坑規(guī)模較小,工程造價以及工程進度的控制,一般勘察單位只在基坑位置處鉆1～2個孔,取樣的數(shù)量少,不能準(zhǔn)確代表基坑處土樣的參數(shù),取樣的代表性不強,造成基坑支護參數(shù)選取的不合理.另一方面,根據(jù)基坑支護技術(shù)規(guī)程的要求:對于黏性土和粉質(zhì)黏土,土的抗剪強度指標(biāo)一般采用三軸固結(jié)不排水或者直剪固結(jié)快剪強度指標(biāo).而勘察單位往往由于儀器設(shè)備的影響、工期進度緊張以及取土樣數(shù)量的限制,抗剪強度指標(biāo)采用直剪快剪強度指標(biāo),造成抗剪強度指標(biāo)取得偏小.再加上勘察單位確定參數(shù)時考慮一定的安全系數(shù),進而造成后續(xù)基坑支護安全冗余偏高,出現(xiàn)基坑支護計算不滿足,但現(xiàn)場基坑支護施工可實施的現(xiàn)象.

4.1.2 軟件計算結(jié)果不完全符合技術(shù)規(guī)程

在采用理正深基坑支護軟件進行計算時,由于鋼格柵基坑采用逆作法施工,基坑規(guī)程中沒有相應(yīng)的模型進行模擬,故參照地下連續(xù)墻的模型進行計算.由于逆作法施工的鋼格柵側(cè)墻無坑底的嵌固深度,軟件計算時也僅僅是計算側(cè)墻的土壓力,再根據(jù)土壓力運用分析軟件計算側(cè)墻的內(nèi)力,進而按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理檢算側(cè)墻的承載力.

參照基坑支護技術(shù)規(guī)程的規(guī)定,支擋式結(jié)構(gòu)的嵌固深度要符合坑底抗隆起穩(wěn)定性的要求.而逆作法施工的鋼格柵支護基坑基本無嵌固深度,坑底抗隆起穩(wěn)定性也無法滿足規(guī)程要求,這是目前鋼格柵基坑檢算不滿足現(xiàn)行基坑支護技術(shù)規(guī)程很重要的一點.而鋼格柵基坑的大量運用,很少出現(xiàn)基坑坑底隆起的破壞,說明鋼格柵基坑有很強的適應(yīng)性.因此隨著施工技術(shù)和規(guī)程的不斷更新,新的基坑支護技術(shù)規(guī)程會將此部分內(nèi)容進行修改和更新.

4.1.3 基坑空間效應(yīng)考慮不充分

鋼格柵基坑計算應(yīng)該充分考慮基坑空間效應(yīng),一般鐵路既有線頂管基坑工程,規(guī)模尺寸都比較小,設(shè)計計算中往往按照平面應(yīng)變問題進行設(shè)計,而忽略了基坑開挖后必然會出現(xiàn)的空間效應(yīng).因此造成基坑設(shè)計計算結(jié)果與工程的實際情況不符合.例如嵌固深度以最下層支點為軸心的圓弧滑動穩(wěn)定性驗算,僅僅考慮平面應(yīng)變進行設(shè)計時,需要很深的嵌固深度,而考慮基坑空間效應(yīng)后,由于基坑尺寸的約束,嵌固深度可以有效地減少.由此基坑空間效應(yīng)是深基坑支護設(shè)計中要考慮的重要因素.

4.2 基坑支護設(shè)計優(yōu)化方法

4.2.1 重視地質(zhì)勘察的要求

鑒于土體力學(xué)參數(shù)選取不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象,在基坑設(shè)計過程中,對于地質(zhì)勘察要求要引起足夠的重視.在要求中應(yīng)明確勘察單位按照基坑技術(shù)規(guī)程的規(guī)定,對不同種類土層采用不同的室內(nèi)試驗方法,從而取得與現(xiàn)場實際盡量一致的土層力學(xué)參數(shù),保證后續(xù)基坑支護計算的準(zhǔn)確性.

4.2.2 完善基坑動態(tài)設(shè)計

在以往的基坑支護設(shè)計中,常常借助于結(jié)構(gòu)荷載法進行計算.但是隨著基坑的施工,作用于基坑支護上的荷載在不斷地變化,因此在基坑支護設(shè)計中進行動態(tài)設(shè)計顯得越來越重要.結(jié)合施工過程中基坑監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)信息,及時調(diào)整基坑計算模型,做到基坑全過程的動態(tài)設(shè)計.對于鋼格柵支護基坑,采用動態(tài)設(shè)計原則,將現(xiàn)在的計算理論根據(jù)施工過程進行不斷的完善和更新,達到設(shè)計模擬計算過程與施工過程的一致,保證計算的準(zhǔn)確性.

4.2.3 加強基坑變形觀測

鐵路既有線深基坑支護設(shè)計,不僅要保證基坑支護的安全,還需要對基坑周邊及鐵路線路相應(yīng)變形控制進行重點把控.因鐵路線路對變形控制嚴格,這就需要整個基坑支護體系要有足夠的剛度來抵抗變形.對于鋼格柵支護基坑來說,基坑的破壞往往是承載力不足造成坑壁變形過大,進而引起基坑的失穩(wěn).基坑失穩(wěn)的征兆常常是變形觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,因此為保證基坑施工安全,加強基坑的變形觀測尤為重要.

5 結(jié) 論

采用鋼格柵支護方法能夠應(yīng)用于安全要求較高的臨近鐵路既有線路的基坑工程.在施工環(huán)境有限制、無法采用大型施工機械時,可以采用鋼格柵支護方法和逆作法結(jié)合進行施工.通過對實際工程的鋼格柵支護結(jié)構(gòu)進行有限元軟件分析,發(fā)現(xiàn)角部彎矩、軸力相對較小,中間位置內(nèi)力較大.本文的優(yōu)化設(shè)計方法能夠更好地進行鋼格柵支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工.