某动车段边坡支护方案比选

某动车段边坡支护方案比选

1股道、铁路路堤下排放系统中国北方的一个扰动段是被动修复基地和高速铁路维修中心。在该段中，有许多连接道路和交叉口的车道。由于北侧背靠繁忙的电气化货运铁路,南侧中部某园地无法拆迁,致使动车段股道排列形式有如眼镜形。中部狭窄区域,试车线和排水沟紧邻6～7m高的既有铁路路堤,设计场坪高程低于既有铁路路肩,高差达5～6m。还有1条3.5m宽段内道路夹在试车线与既有线间狭窄条带区域内,路面高程起伏变化大,从低于既有线路基高程约10m到与其并行等高,其中还有约645m长度位于与丰双线等高的墙顶处。为满足动车段场地布置要求,JK1+900～JK2+895段紧邻既有线的试车线及道路需切挖既有铁路路基边坡,必须设挡墙收坡,并保证既有线安全运营。2支撑墙设计方案的选择2.1施工前的控制因素既有铁路为电气化铁路,是城区内重要货运疏解线,运输间隔仅为2～3min,十分繁忙,切挖路基边坡,必然引起路基变形,必须控制其变形不能引起接触网和轨道发生较大位移,以保证正常安全运营,这是设计方案选择的首要控制因素。墙型方案是影响段内平面布置能否实现的关键。设计中结合工程实际进行了如下3种方案的比较。方案一:混凝土重力式挡土墙或钢筋混凝土悬臂或扶壁式挡墙;方案二:桩板挡墙;方案三:永临结合的钻孔灌注桩排桩挡墙。2.2大悬索桩间板挡墙方案(1)方案一:由于重力式或悬臂、扶壁式挡墙墙后基础底面宽,基坑对既有线边坡挖切宽、深,临时支护桩位于路肩附近,基坑支护结构影响到接触网柱基础,支护桩施工也影响既有铁路运营,且基坑变形大必然影响运营安全,且需要断道施工,对枢纽货运组织影响较大,方案实施难度最大,造价较高。(2)方案二:虽然桩板挡墙的桩施工对既有线影响较小,但桩间板区域施工同样存在基坑开挖切挖边坡深、宽,以及须在路肩设置临时支护和需断道施工等问题,对枢纽货运组织影响大,方案实施难度大;而且锚固桩锚固长度大且截面大,影响道路布置。工程造价最高。(3)方案三:在边坡中下部采用沿线路纵向一排钻孔灌注桩排桩,在道路与既有线并行等高段,排桩施工对既有线影响较小,不需断道,只要控制好排桩变形,可以作为永久挡墙;在道路需下挖、与既有线路肩高程差较大段,需切挖既有线边坡较深段,即作为临时支护又可作为永久性挡墙,还可以减少上述基坑开挖带来的对既有线运营和安全的影响问题,而且本方案工程造价相对较低。缺点是变形控制难度大,且无设计规范可依。根据场地工程条件,吸取既有线路基边坡支护失败的经验、教训,经过以上可行性及技术经济对比分析,为不影响既有线运营,同时又保证安全,切挖既有边坡深、宽地段,根据道路高程和位置分别选用永临结合的钻孔灌注排桩挡墙方案,横断面形式分别见图1、图2。3孔和灌流设计3.1地下水泥质土自上而下分别为:地表杂填土,0～2.4m,褐黄色～黄褐色,稍密,稍湿,以细砂为主,局部呈黑色,含砖渣,云母;素填土,褐黄色,稍密～中密,局部松散,稍湿～潮湿,以粉砂、粉土为主,含植物根系及灰渣、砖渣等,地基基本承载力80kPa,局部地段小于60kPa;粉质黏土,黄褐色,硬塑,含云母,氧化铁,厚0～5.6m,地基基本承载力150kPa;粉土,褐黄色,中密,稍湿,含云母,氧化铁斑点及有机质斑点,厚0.7～3.2m,地基基本承载力150kPa;粉砂,褐黄色,中密,稍湿,成分以石英、长石为主,厚2.3～8.2m,地基基本承载力210kPa;细园砾土,灰白色,稍湿,中密,成分以砂岩为主,呈亚圆形,级配较好,一般粒径10～30mm,最大80mm,地基基本承载力400kPa。勘探期间未见地下水。地震动峰值加速度0.20g,土壤最大冻结深度0.80m。3.2基坑支护结构及墙前地面变形控制标准排桩挡土墙又可称为柱列式挡土墙,属板式支护体系,是把单个钻孔灌注桩并排连续起来形成的挡土结构。一般用于基坑临时支护工程设计。基坑开挖设计除考虑承载能力,还要考虑基坑工程变形要求。建筑和地铁等基坑支护变形控制值,根据各种基坑等级规定不同值,且当基坑深度较大时,普遍采用上部支撑结构,以控制基坑变形。本项目的永久排桩挡土墙结构设计,需要解决以下问题:第一承载能力需满足墙顶后静、动荷载应力和弯矩、抗剪强度满足要求;第二为桩顶及墙前地面变形控制标准如何选择,在施工期间成桩后桩前边坡土体切空、墙后土体回填中,以及竣工完成后汽车荷载、列车荷载作用等几种工况下,桩前、墙顶后路面或边坡的竖向、横向位移能够满足使用要求,不致危及铁路的正常运营;第三为怎样保证动车段场坪以上桩体挡墙整体性、强度均匀性和墙面美观问题;第四为既有线边坡上桩基施工是选择机械钻孔还是选用人工挖孔问题,既要施工可行,保证施工人员的自身安全,又要保证既有线运营安全。3.3桩体嵌固质量控制(1)设计荷载墙顶道路与既有线并行等高段分别为道路荷载以及铁路静、动荷载。道路下挖且位于墙前段为路堤土压力和铁路静、动荷载。需要按照实际工况进行荷载组合分析,并考虑地震荷载作用最不利工况。(2)钻孔灌注桩桩径为1.25m,采用C35钢筋混凝土浇筑,排桩挡墙长度共645m,排桩上部悬臂段高度4.5～5.6m,采用一字相切排列,间距与桩径相同。单根桩长10～13.5m。(3)排桩顶面设置C35钢筋混凝土冠梁,冠梁高0.6m,宽度为1.55m,并使桩身主筋深入冠梁顶部,以进一步减少桩顶部的变形,提高排桩挡墙整体刚度。(4)根据《建筑基坑支挡技术规程》进行桩体嵌固深度计算,结构内力及变形计算采用弹性地基梁理论,桩体配筋设计按照《混凝土设计规范》,采用同济启明星基坑支护设计软件进行整体稳定、抗倾覆稳定、结构强度、墙顶水平变形及垂直变形计算设计。(5)变形控制标准确定按照《铁路路基支挡结构设计规范》,一般挡墙不进行变形检算,但要求桩板墙桩顶位移应小于悬臂段长度的1/100,且不宜大于10cm,锚固点变形不宜大于10mm;按照《基坑支护技术规程》不同地区对不同等级的基坑水平位移及垂直沉降都有不同要求。根据本工程周边环境条件,参考《铁路路基支挡结构设计规范》中桩板墙变形控制标准,以及上海、广州、深圳等地铁基坑工程的围护结构地面沉降及水平位移控制标准,提出本工程的变形设计控制值为:墙顶地面最大沉降量≤30mm,最大水平位移≤42mm;本工程施工监控报警值为:墙顶地面最大沉降量≤0.2%H(H为悬臂段高度);排桩顶最大水平位移≤0.3%H。(6)墙前地基补强对于地表较厚松散杂、素填土,为增强桩前土体抗力,提高桩体锚固点以及地基土的模量,减少桩前地基变形以及约束上部排桩变形,桩前地基采取重型机械碾压,并打设5排旋喷桩,沿墙长方向间距1.5m,垂直挡墙方向间距1.2m,桩径0.6m。(7)排桩的整体性和外观处理由于钻孔灌注排桩作为永久结构,桩截面为圆形,墙面为排列的柱体,钢筋布置为沿着桩周均布,桩与桩之间一定范围内存在无钢筋的薄弱面,且外观不平整需要处理。为此在悬臂段灌注桩高出动车线路肩或道路的外立面部分,沿墙长每隔1.25m,沿墙高每隔1m,在桩间打孔设小锚杆外挂钢筋网,锚杆与钢筋网绑扎牢固,于桩前立模板,将桩身与模板间的空隙浇筑C35混凝土,并保证桩身处混凝土厚度不小于0.1m。采用M15水泥砂浆抹面找平,使得墙面平整美观。排桩锚杆挂网平面布置见图3。建成后挡墙分别见图4、图5。3.4桩相切、刚度等同的计算排桩挡墙受力形式与挡墙类似。将桩墙按抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的挡墙进行内力分析,计算等刚度挡墙折算厚度如下:桩径为D,桩净距为t,则单位桩应等价为长D+t的挡墙,令等价后的挡墙厚为h,按二者刚度相等的原则可得112(D+t)h3=112164πD4(1)112(D+t)h3=112164πD4(1)简化后得h=0.838D11+t/D−−−−−√3(2)h=0.838D11+t/D3(2)本工程采用一字相切,D=1.25m,t=0m,则h≈0.838D=1.05m。与同等高度的悬、扶壁挡墙厚度比较,按等价的挡墙厚为h=1.05m设计,结果偏于安全、合理。4施工中心4.1工程费用较低桩基施工可采用钻孔灌注或人工挖孔法施工。钻孔法施工速度快,且施工人员安全有保证;缺点是钻孔桩设备上路基边坡,需工作平台,有泥浆排放,工程费用较高。人工挖孔法施工,可以多工作面同时开展,没有泥浆排放,不造成对环境的污染,工程费用相对较低;缺点是既有线旁需要人员多,施工安全风险大,受列车振动影响,既有路堤填料和填筑密实程度必须查清,另外需要隔开适当距离跳开挖孔,挖孔中要及时采取可靠桩孔护壁和孔顶遮盖等措施,并采取严密的既有线防护措施,增加防护力量,确保施工人员安全,并及时下笼浇筑混凝土。经过慎重考虑,设计推荐采用钻孔灌注桩施工方案。4.2桩前桩顶控制方案设计要求挡墙及排桩基坑开挖前后应作系统变形监控。监控方案包括监控报警值、监测方法及精度要求、检测点的布置、检测周期、工序管理和记录制度以及信息反馈系统等,并备有应急方案。监控点应包括桩前地面、桩身、桩顶、桩顶后道路顶面、路肩、接触网立柱基础、轨道顶部等,监控频率应随桩身成孔、灌注混凝土、桩前土体切挖、桩后土体填筑等工序变化,列车通过前后也应观测,直至墙前和墙顶后变形逐渐稳定。设计要求控制施工速率,每道工序变形稳定后再进行下一步工序,尤其是应控制切挖墙前边坡土体以及墙后土体填筑施工速度,墙前土体应间隔、跳槽、逐层切挖,墙后填土应严格控制填层厚度和填土速率。变形接近和达到报警值必须立即停止施工。5排桩挡墙设计思路(1)本段钻孔灌注桩排桩挡墙施工中墙前后和既有线轨道变形较小,远没有达到报警值和控制值,对既有线运营干扰不大。运营4年多来,墙体平顺完整,无裂纹,挡墙变形微小,状态良好,证明设计和施工是成功的。(2)对受既有线路基空间和运营条件限制,正常设置重力式或悬臂、扶臂挡土墙有困难的地段,采用钻孔灌注桩排桩等永临结合的支挡结构形式,虽然排桩结构设计难度大,没有规范可依,强