袁正国
(中铁二十三局集团有限公司，四川成都 610072)
摘 要：在临近既有铁路线进行基坑开挖施工时土体受到车辆荷载振动干扰大，受地域限制开挖坡度小，给施工造成极大困难，尤其深基坑开挖必须选择安全、经济、可行的防护方案。以新建哈尔滨西客运站工程既有线王岗砖厂左线大桥3#墩基坑开挖防护方案设计为例，对临近既有线深基坑开挖防护方案进行研究和优化。对优化防护方案进行了抗倾覆、抗隆起和桩嵌固深度检算。实践表明：3#深基坑防护方案实施效果良好，确保了既有京哈线的行车安全。
关键词：既有线；深基坑；边坡防护；锚索
收稿日期：2014-12-15
作者简介：袁正国(1975—)，男，博士，高级工程师，主要从事结构抗震研究、土木工程施工与管理工作 250439351@qq.com
DOI：10.13219/j.gjgyat.2015.02.012
中图分类号：TU473.2
文献标识码：B
文章编号：1672-3953(2015)02-0043-04
Abstract: When excavation is performed near an existing railway,the vibration and loads of trains will have a great effect on the earth body concerned.And owing to the limitation of the clearance,the excavation gradient will be very small.As a result,construction will be made very difficult to perform.Especially with the construction for deep foundation pits,safe,economical and feasible protective schemes have to be chosen.With the design of the scheme for the excavation for the deep foundation pits for the 3rd pier of the Wanggang Brick Factory Bridge of the existing railway related to the newly-built Harbin-Xi passenger station as a practical example,the protective schemes for the excavation for deep foundation pits near existing railways are studied and optimized.The protective schemes are also deeply checked in the anti-overturning,anti-rise and pile-inserting-solidity capacity.Practice shows that the effect of the deep foundation pits for the 3rd pier is found very nice and thus the normal and safe operation of the existing Jing-Ha Railway is ensured.
新建哈尔滨西客运站工程既有线王岗砖厂左线大桥全长363.93 m，施工起讫里程为GK1239+145.12~GK1239+509.05，桥跨布置为5×24 m+7×32 m。其左侧约20～40 m为既有京哈线，大桥0#台~3#墩紧邻既有京哈线。其中0#台位于既有京哈上行线线路中心，1#、2#墩位于既有京哈上行线防护栅栏处，故0#台~2#墩需在既有京哈上行线转到改建哈大上行线后，方可进行施工；3#墩基坑边缘距既有京哈上行线较近，基坑开挖深，暴露时间长，而京哈线行车密度大，土体受列车荷载振动干扰大，并受地域限制开挖坡度小，给施工造成极大的难度。
3#墩采用门式墩，上跨联络左线，承台边缘距既有上行线线路中心14.9 m，基坑挖深20.3 m。根据钻孔设计资料，工点处出露地层主要为第四系全新统人工填土，上更新统冲积黏质黄土，粉质黏土，粉、细砂，中砂、粗砂。具体为：第①层为黏质黄土
基坑采用排桩防护，防护桩采用?1.6 m的钻孔桩，防护桩纵向间距为2.0 m，在桩顶部分张拉横向拉索，钢绞线从既有线轨道下方穿过，锚固在?1.25 m的锚桩上，桩顶锚索采用钢绞线单端张拉，并在桩顶浇筑1.6 m×1.6 m的矩形混凝土冠梁，如图1所示。
图1 3#墩基坑施工原方案位置示意图(单位：cm)
经分析，原方案中既有京哈线外侧不属于征地范围，需二次征地；锚索穿越既有京哈线安全风险高，施工难度大，方案报批困难，以上成为制约工期的关键因素。本文对支护方案进行优化研究，提出符合现场实际情况的保证基坑防护安全及既有京哈线运营安全的防护方案。
经过研究提出两套方案，方案简图分别如图2和图3所示。其中优化方案一为：基坑顶部刷坡5 m，采用排桩防护，防护桩采用?1.6 m的挖孔桩，防护桩纵向间距为2.0 m，防护桩埋深13 m。优化方案二为：基坑顶部刷坡5 m，采用排桩防护，防护桩采用?1.6 m的C30混凝土挖孔桩，防护桩纵向间距为2.0 m，防护桩埋深10 m，在桩顶部分张拉横向拉索，限制防护桩的横向位移 [1]。
图2 优化方案一示意图(单位：m)
图3 优化方案二示意图(单位：m)
经分析，方案一虽支护措施减少，工艺简单，由于地质原因防护桩埋深在12.5 m时有砂层，洛阳铲挖孔只适用于粘性土，砂层无法钻进，人工挖孔施工较为困难又存在较大的安全隐患，不宜采用此方案。本工程紧邻既有京哈线，考虑施工安全、工程造价、施工方便，为确保既有线行车安全，最后确定采用优化方案二实施，桩深10 m。
基坑顶部刷坡5 m，防护桩采用?1.6 m的挖孔桩，中心间距为2 m，埋深在承台底面以下10 m，桩顶锚索采用5-Φ s15.2 mm的钢绞线，进行单端张拉，初张力为100 kN。钢绞线锚固在既有线路基内，锚索水平间距2 m，总长度25 m，锚固段长度16 m，与水平面倾角15°。为加强防护桩之间的横向联系，在桩顶浇筑1.6 m×1.6 m的矩形混凝土冠梁 [2]。
基坑防护采用“理正深基坑6.0软件”进行计算，主要考虑列车荷载、施工荷载、土压力等。
3.2.1 列车荷载
该段既有铁路为路堑地段，线路宽度为13.7 m，考虑线路二期荷载和运行车辆，既有线路的超载值采用25 kPa。
3.2.2 施工荷载
考虑施工机械和临时施工荷载，在基坑边缘5.0 m范围内，考虑20 kPa的超载值。
3.2.3 土压力
采用朗肯土压力理论，运用经典法和弹性法土压力模型，进行主、被动土压力计算。土层的计算参数根据工程地质勘察报告确定，见表1所示。采用“增量法”进行位移内力、地表沉降、土压力计算，运用弹性法、经典法，得到内力计算值和实用值，内力设计值取为内力实用值，如表2所示。根据内力设计值进行桩身截面计算和锚杆内力计算，进而确定桩身截面配筋，见表3。
表1 土层参数
层号土类名称层厚/m重度γ/(kN·m-3)粘聚力c/kPa内摩擦角φ/°1粘性土25.6019.031.1025.102粘性土8.1018.040.0028.00
表2 防护桩内力取值
基坑内侧最大弯矩/(kN·m)基坑外侧最大弯矩/(kN·m)最大剪力/kN弹性法计算值3420.841679.781044.18经典法计算值2572.122883.80959.57内力设计值3998.101963.241435.75内力实用值3998.101963.241435.75
表3 桩基配筋参数
防护桩钢筋类型级别钢筋实配值/mm实配(计算)面积纵筋HRB33542D2520617(20562)mm2箍筋HRB335D12@1002262(1778)mm2/m加强箍筋HRB335D14@2000154mm2/m
采用理正设计计算软件对基坑支护稳定性进行了分析计算，计算结果如下所示。
3.3.1 桩排抗倾覆稳定验算
取安全系数最小的工况分析，即基坑开挖19.5 m时的工况。
(1)
式中：M p为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定，对于锚杆或锚索支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值；M a为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。经计算，K s= 1.223>1.200, 满足规范要求。
3.3.2 基坑抗隆起稳定验算
分别采用普朗德尔公式和太沙基公式进行抗隆起验算。
(1)Prandtl(普朗德尔)公式(K s>1.1～1.2)，安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》(JGJ120—2012) [3]。
(2)
式中：γ为基坑内外挖孔桩底面以上土的天然重度平均值，取值为18.61 kN/m 3；D为防护桩的嵌固深度，即基坑开挖面至桩底的距离，取为10 m；H为基坑开挖深度，取值为14.5 m；q为地面均布荷载，为92.143 kPa；c为防护桩底面以下土的黏聚力，为40 kPa。N q、N c为承载力系数，表示如下(式中：φ为内摩擦角，为28°)：
K s= 6.810>1.1, 满足规范要求。
(2)Terzaghi(太沙基)公式(K s≥1.15～1.25)，安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》(JGJ120—2012)。
式中符号含义同上，满足规范要求。
所以，最小安全系数为K s=6.81>1.1，满足相关规范要求。
3.3.3 桩嵌固深度计算
桩最小入土深度计算时，按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012) [3]单支点结构计算。
(1)按e a1k= e p1k，即主动、被动土压力平衡，确定出支护结构弯矩零点高度h c1= 0.348 m。
(2)支点力T c1经计算得：T c1= 209.169 kN。
(3)支点力和嵌固深度设计值h d按公式：h p∑E pj + T c1(h T1+h d) - βγ 0h a∑E ai≥0确定。式中：安全系数β = 1.150；荷载系数γ 0= 1.100；支点力力臂h T1= 12.900 m；被动土压力高度h p= 3.995 m；被动土压力合力∑E pj= 4 258.699 kN；主动土压力高度h a= 9.142 m；主动土压力合力∑E ai= 1 815.754 kN。得到嵌固深度值h d= 6.149 m。偏于安全，h d采用值为：10.00 m。
挖孔灌注桩采用洛阳铲成孔，隔跳法施工。桩径和深度满足要求后，吊装钢筋笼，距既有线较近采用分节吊装，钢筋安装完毕后浇筑混凝土。防护桩完成后，凿除桩头松散混凝土，绑扎冠梁钢筋，立模板浇筑混凝土，使防护桩连成整体。并在桩顶采用5-Φ s15.2 mm的钢绞线，进行单端张拉，初张力为100 kN。钢绞线锚固在既有线路基内，锚索水平间距2 m，总长度25 m，锚固段长度16 m，与水平面倾角15°。
基坑开挖前，在支护桩上方冠梁顶面间隔5 m设置一个变形观测点并编号，在基坑开挖至承台混凝土浇筑的整个施工过程中，采用全站仪和水准仪对防护桩顶位移进行定期观测，监控既有线的边坡变化。
整个实施过程中，工务人员全程对既有京哈线线路进行监控。监控结果表明，既有京哈线稳定、安全。本工程实施期间，由于采用了安全的支护方案，且在施工过程中进行了严格的安全监测，保证了深基坑施工和既有线的安全，进一步验证了挖孔防护桩方案的科学性，为今后类似工程施工积累了宝贵经验。
选用优化方案二进行基坑支护，工艺简单，先支护，后开挖，有利于基坑周边设施安全，该技术值得在桥梁工程中推广应用。值得注意的是制定方案时应保证有可靠的安全系数，方案实施过程中应重点控制桩的深度、锚索的灌浆质量等重要环节，确保结构安全可靠。
参考文献
[1]马留军.沿既有线特大桥深基坑支护施工技术[J].四川建筑，2010,36(4)：168-170
[2]韩亚兵.铁路既有线旁深基坑施工防护桩设计[J].内蒙古科技与经济，2010(16):67-68
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ120—2012 建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012
Optimization Study on Construction Schemes
for Deep Foundation Pits near Existing Railway
YuanZhengguo
(The 23rd Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Chengdu610072,China)
Key words: existing railway;deep foundation pit;protective side slope;anchoring cable
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