鋼格柵支護在臨近鐵路既有線工程中的應用

劉軍星 崔 勇

(1.河北京鐵勘測設計院有限公司,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構基坑,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,同時在作業過程中可以對地下管線隨時處理,具有較好的適應性,廣泛地應用于鐵路既有線深基坑工程中.

1 工程概況

1.1 周圍環境

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),線路長度550 km.全線管道外徑為813 mm、設計壓力8 MPa,采用L450M鋼管,設計輸量為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,兩側有埋地光電纜.

1.1.3 防護套管設計概況

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向東側頂進.防護套管頂設計標高為68.39 m,管節頂位于京廣鐵路最低軌底以下5.934 m,東側溝底以下4.10 m.防護套管采用“京橋通-5002”Φ1550T8-S管節.在鐵路西側安保區外設置頂進基坑,基坑深度7.44 m,規格為5×7 m,采用鋼格柵支護.

根據鉆孔揭露,將勘察范圍內地基巖土按巖性特征、埋藏條件等特點劃分為6個工程地質層,現分述如下:

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

第2層 粉質黏土:層厚:1.50～4.30 m,黃褐色,可塑,中壓縮性.土質較均,含黑色鐵錳氧化物,局部含砂粒.無搖震反應,稍有光澤反應,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.砂質較純,分選性一般,局部含粉土顆粒.

第4層 粉質黏土:層厚:2.80～4.10 m,黃褐色,可塑～硬塑,中壓縮性.土質較均,含黑色鐵錳氧化物,具銹斑.無搖震反應,稍有光澤反應,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.砂質較純,分選性一般.以石英、長石為主,含少量云母.

第6層 粉質黏土:層厚:1.30～1.80 m,黃褐色,可塑～硬塑,中壓縮性.土質較均,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,稍有光澤反應,干強度、韌性中等.

1.2 地下水

根據鉆探揭露情況,該場地30 m范圍內未見地下水位.

2 基坑工程參數和施工方案

2.1 基坑工程概況

根據本次勘察揭露,構成基坑邊坡的土體為填土、粉質黏土及細砂構成.有關基坑支護的設計的巖土參數可參考表1所列數值采用.管線穿越京廣鐵路,基坑位于鐵路安保區以外,基坑側壁安全等級定為二級.基坑規格為5 m×7 m,以格柵鋼架、內外雙層鋼筋網、錨噴C25混凝土共同組成聯合支護系統,豎井口設置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.工作坑內設能承受全線管道頂力的鋼后背梁、混凝土底板及60 kg/m導向軌.基坑開挖期間基坑兩側堆載不得大于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摩擦角標準值

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

開挖時應分層,分段對稱平衡開挖,每層先挖中間土后挖兩側土,每次開挖深度不超過50 cm,每循環進尺40 cm,開挖后及時架設鋼格柵及噴射混凝土支護,在完成上層作業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,要配有經驗豐富的施工人員擔當現場指揮,切實保護好坑壁及支撐系統不受碰撞,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設置.鋼格柵定點預制,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,鋼筋網牢固的綁扎在格柵主筋上,保證在噴射混凝土時不得晃動.基坑錨噴格柵結構先整體成型,待下頂管機頭前再對頂管范圍內坑壁進行破除處理,保證基坑穩定性及支護安全.

3 基坑支護和鋼格柵支護結構內力計算

3.1 計算單元結構選取

基坑計算單元選取結構底部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

結構自重:按照26 kN/m3自動計入.

土壓力:經軟件計算,井底部外側主動土壓力強度標準值為75.858 kPa.作用于0.8 m寬條帶上土壓力強度標準值為:75.858×0.8=60.68 kN/m.

3.3 鋼格柵支護結構內力計算

通過計算結果(圖6、圖7)發現,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 側墻彎矩計算結果(單位:kN·m) 圖7 側墻軸力計算結果

側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 土體物理力學參數選取受局限

目前基坑設計中采用的支護參數,大多為勘察單位在基坑原位鉆孔根據室內試驗取得的參數.一方面由于既有線頂管基坑規模較小,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,取樣的數量少,不能準確代表基坑處土樣的參數,取樣的代表性不強,造成基坑支護參數選取的不合理.另一方面,根據基坑支護技術規程的要求:對于黏性土和粉質黏土,土的抗剪強度指標一般采用三軸固結不排水或者直剪固結快剪強度指標.而勘察單位往往由于儀器設備的影響、工期進度緊張以及取土樣數量的限制,抗剪強度指標采用直剪快剪強度指標,造成抗剪強度指標取得偏小.再加上勘察單位確定參數時考慮一定的安全系數,進而造成后續基坑支護安全冗余偏高,出現基坑支護計算不滿足,但現場基坑支護施工可實施的現象.

4.1.2 軟件計算結果不完全符合技術規程

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,基坑規程中沒有相應的模型進行模擬,故參照地下連續墻的模型進行計算.由于逆作法施工的鋼格柵側墻無坑底的嵌固深度,軟件計算時也僅僅是計算側墻的土壓力,再根據土壓力運用分析軟件計算側墻的內力,進而按照混凝土結構設計原理檢算側墻的承載力.

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

4.1.3 基坑空間效應考慮不充分

鋼格柵基坑計算應該充分考慮基坑空間效應,一般鐵路既有線頂管基坑工程,規模尺寸都比較小,設計計算中往往按照平面應變問題進行設計,而忽略了基坑開挖后必然會出現的空間效應.因此造成基坑設計計算結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定性驗算,僅僅考慮平面應變進行設計時,需要很深的嵌固深度,而考慮基坑空間效應后,由于基坑尺寸的約束,嵌固深度可以有效地減少.由此基坑空間效應是深基坑支護設計中要考慮的重要因素.

4.2 基坑支護設計優化方法

4.2.1 重視地質勘察的要求

鑒于土體力學參數選取不當的現象,在基坑設計過程中,對于地質勘察要求要引起足夠的重視.在要求中應明確勘察單位按照基坑技術規程的規定,對不同種類土層采用不同的室內試驗方法,從而取得與現場實際盡量一致的土層力學參數,保證后續基坑支護計算的準確性.

4.2.2 完善基坑動態設計

在以往的基坑支護設計中,常常借助于結構荷載法進行計算.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,因此在基坑支護設計中進行動態設計顯得越來越重要.結合施工過程中基坑監測反饋數據信息,及時調整基坑計算模型,做到基坑全過程的動態設計.對于鋼格柵支護基坑,采用動態設計原則,將現在的計算理論根據施工過程進行不斷的完善和更新,達到設計模擬計算過程與施工過程的一致,保證計算的準確性.

4.2.3 加強基坑變形觀測

鐵路既有線深基坑支護設計,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.基坑失穩的征兆常常是變形觀測數據出現異常,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 論

采用鋼格柵支護方法能夠應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合進行施工.通過對實際工程的鋼格柵支護結構進行有限元軟件分析,發現角部彎矩、軸力相對較小,中間位置內力較大.本文的優化設計方法能夠更好地進行鋼格柵支護結構的設計和施工.