框架涵顶进线路架空挖孔桩的设计与施工

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  摘要:本文通过广州花都区狮岭框架涵工程线路架空挖孔桩的设计与施工实践,阐述线路架空挖孔桩设计要点及施工注意事项,为同类工程实施提供参考。
  关键词:框架涵;挖孔桩;设计;施工
  Abstract: Through the Guangzhou Huadu District Shiling frame culvert engineering line overhead hole digging pile design and construction practice, this article expounds line overhead hole digging pile design essentials and matters needing attention in construction to provide reference for similar engineering implementation.
  Key words: frame culvert; bored pile; construction design;
  
  中图分类号:TB482.2 文献标识码:A 文章编号:
  1.工程概况
  杨赤线与既有京广铁路相交里程为K2227+612.13。杨赤线下穿既有京广线处为京广铁路左右正线及一条到发线(属于电气化铁路)。
  广州花都区狮岭框架涵工程是在既有涵靠北京方向2.5m处侧新增1-15.5m框架桥。新增框架涵全长33.5m,采用中继间法顶进施工。
  采用D型施工便梁对三条线路进行架空,D型号施工便梁分别采用3套D24型+D16型。D型施工便梁在8根人工挖孔桩上,该8根人工挖孔桩为线路架空挖孔桩。线路架空挖孔桩的特殊性是其属于位于铁路线路间或临近的结构物,其设计和施工方案必须确保铁路运输畅通及安全。
  2挖孔桩设计
  2.1本框架桥线路架空挖孔桩采用1.8m×1.8m挖孔桩8根。
  2.2挖孔桩深度主要考虑基底地质情况且桩底必须嵌入框架涵底标高2m以上,本设计采用3.0m。
  2.3桩身配筋主要考虑抗剪力。
  2.4设计采用HPB235Ф16钢筋28根作为抗拉钢筋。
  2.5挖孔桩支墩检算资料
  2.5.1计算资料
  挖孔桩开挖位置为人工填土路堤,硬塑黏土。φ=20°,土的粘性系数c=10KN/m2土地容重γ=18KN/m3,极限摩阻力τp=80KPa,桩尖土极限承载力[σ]=150KPa,安全系数取k=1.5。
  检算时,取最不利挖孔桩(左线与到发线中架空挖孔樁)进行计算,挖孔桩单根长12.2m,基础埋深3.0m;截面尺寸为1.8m×1.8m,四周各扩孔0.5m;护壁采用C25钢筋混凝土,厚20~30cm,,fc=16.7MPa,D=1.8m;桩身采用C25混凝土。
  2.5.2地基承载力检算
  取1根桩进行计算
  (1)列车荷载计算
  按中-活载,两趟机车车头中部行驶到桩顶时为最不利情况,
  动力系数1+μ=1+28/(40+16)=1.5
  列车荷载P=(1.5×1488/2)=1116KN
  (2)桩体自重计算
  G=2.6×10×12.2×1.8×1.8=1028KN
  (3)施工便梁及线路自重
  D20型施工便梁总重36.663t,D16施工便梁总重24.549t;
  累计线路长37m,所以自重G1=(36.663+24.549+26.024)/2
  =43.618t=436.18KN;
  挖孔桩支墩垂直受力P1=P+G+G1=1116+1028+437=2581KN
  (4)单桩垂直容许承载力计算
  P=mAmhAR1+Ufl=1.3×1.15×1.8×1.8×680+4×1.8×50×4=4733.28KN>1.5P1=1.5×2581=3870KN。满足要求。
  2.5.3护壁厚度检算
  最深段总压力p=γHtg2(45°-φ/2)
  =18×12.2×tg2(450-200/2)
  =107.7KN/m2
  计算最小护壁厚度t=kpD/(2 fc)
  =1.5×107.7×1.8/(2×16.7)
  =8.8cm<20cm,故挖孔桩护壁满足要求。
  为保证施工安全,再在护壁中增加横向φ10圆钢,间距20cm;竖向φ10圆钢,间距40cm,上下层搭接不小于20cm。
  2.5.4抗倾覆检算
  挖孔桩受土压力受力分析状况如下图:
  
  检算时,为确保安全,按顶进开挖后基底以上部分挖孔桩完全暴露,主动土压力按照1:1坡度线计。实际施工时桩底扩孔视为安全储备。
  假定桩身倾覆时,绕底部角点转动,桩底除角点外,其余离开土体,N受力点向左偏移至角点。此时的极限平衡状态为对角点的力矩之和为0。即:
  ∑M=∑My+∑Mo=0
  主动土压力Ea=γ×Ha2Ka/2-2c×Ha√Ka+2c2/γ
   =18×6.392×0.49/2-2×10×6.39√0.49+2×102/18
  =101.73KN/m
  被动土压力Ep=γ×Hp2Kp/2+2c×Hp√Kp
   =18×42×2.04/2+2×10×4×√2.04
  =408.03KN/m
  主动土压力系数Ka=tg2(450-φ/2)=tg2(450-20/2)=0.49
  被动土压力系数Kp=tg2(450+φ/2)=tg2(450+20/2)=2.04
  挖孔桩自重G=N=2.6×12.2×1.8×1.8×10=1027.8KN
  La=(Ha-h0)/3
  =[6.39-2c/(γ√Ka)]/3
  =[6.39-2×10/(18×√0.49)]/3
  =1.6m
  Lp=[(Hp×√Kp+6c)/(Hp×√Kp+4c)]×Hp/3
  =[(4×√2.04+6×10)/(4×√2.04+4×10)]×4/3
  =1.92m
  取1m宽度进行计算,L为挖孔桩宽度,B为挖孔桩厚度
  ∑My=Ep×Lp+G/L×B/2
  =408.03×1.92+1027.8/1.8×1.8/2
  =1297.318KN•m
  ∑Mo=Ea×ha =101.73×1.6=162.768KN•m
  ∑My/∑Mo=1166.348/195.33=7.97>k=1.5,则挖孔桩抗倾覆满足要求。
  2.5.5桩身配筋检算
  2.5.5.1最大弯矩计算
  最大弯矩为剪力为零处,即Ea=Ep处
  假设在H处,Ea=Ep,此时
  主动土压力Ea=γ×Ha2Ka/2-2c×Ha√Ka+2c2/γ
  =18×H2×0.49/2-2×10×H√0.49+2×102/18
  =4.41H2+14.00H+11.11 KN/m
  被动土压力Ep=γ×Hp2Kp/2+2c×Hp√Kp
  =18×(H-8.2)2×2.04/2+2×10×(H-8.2)×√2.04
  =18.36H2-272.54H+1000.29 KN/m
  Ea=Ep,即4.41H2+14.00H+11.11=18.36H2-272.54H+1000.29解得,
  H=16.15m(舍去)
  H=4.39m
  此时,
  Ea=4.41H2+14.00H+11.11
  =4.41×4.392+14.00×4.39+11.11
  =157.56KN/m
  Ep=18.36H2-272.54H+1000.29
  =18.36×4.392-272.54×4.39+1000.29
  =157.56KN/m
  La=(Ha-h0)/3
  =[4.39-2c/(γ√Ka)]/3
  =[4.39-2×10/(18×√0.49)]/3
  =0.934m
  Lp=[(Hp×√Kp+6c)/(Hp×√Kp+4c)]×Hp/3
  =((4.39-8.2)×√2.04+6×10)/[(4.39-8.2)×√2.04+4×10)×(13.14-6.66)/3
  =2m
  Ma=Ea×La=157.56×0.934=147.16KN•m
  Mp=Ep×Lp=157.56×2=315.12KN•m
  Mmax= Ma-Mp=315.12-147.16=167.96KN•m
  2.5.5.2配筋计算
  挖孔桩矩形截面b×h=1800mm×1800mm,受拉钢筋按一层HPB235Ф16钢筋布置,其中γs=1.25,γc=1.25,Ra=11MPa,Rb=340MPa,ξjg=0.55,混凝土保护层厚度C=50mm,HPB235Ф16钢筋外径为16mm,故a=50+16/2=58mm,有效高度h0=h-a=1800-58=1742mm,则
  受压区高度x为
  Mmax=1/γc Ra bx(h0-x/2)
  167.96×106=1/1.25×11×1800x×(1742-x/2)
  解得x=6955.8mm(舍去)
  x=12.20mm<ξjg h0=0.55×1435=788.7mm
  所需钢筋截面为
  Ag= Rabx/Rb =11×1800×12.20/340=710.5mm2
  设计采用HPB235Ф16钢筋28根作为抗拉钢筋,HPB235Ф16钢筋截面积为200.96mm2,其钢筋面积为
  Ag’=200.96×28=5626.88mm >1.2Ag=1.2×710.5=852.6mm2,
  u=Ag’/S=5626.88/(1800×1800)=0.17%> umin=0.1%
  钢筋配筋满足要求。为防止挖孔桩向任何一侧偏心,则四周均布置钢筋。
  3 挖孔桩施工
  3.1施工前准备
  3.1.1根据现场地形情况进行桩位的放样,经过复核无误后,在四周定出四个不易受到破坏的保护桩,用混凝土将护桩包好,并经常检查校核。
  3.1.2根据挖孔桩位置,将场地大致平整。桩周围设高80cm 左右的防护栏,吊架脚应安装在桩周围大于桩径40cm 以外的坚实地面处,井口周围2m范围内不准堆放杂物、余泥,并禁止车辆通行,挖出的余泥要及时清运。孔口四周挖排水沟,做好排水系统;及时排出地表水,搭好孔口雨棚。
  3.1.3安装起吊设备,布置好出渣道路;合理堆放材料和機具,使其不增加孔壁压力、不影响施工。
  3.1.4孔内设软梯上落,并设置与孔壁锚固的半圆形网作遮拦,上落吊桶时工人只允许在网下操作。每次下井施工前均进行抽水、通风和有害气体检测工作。
  3.1.5在桩孔边围栏外设立安全标志牌,注明“前方危险,请勿靠近”等提示语。
  3.1.6在既有线旁施工挖孔桩需先对既有线边坡防护,在慢行点内将线路边坡开口,利用枕木做挡碴板,D50钢管桩做支撑防护既有线边坡道碴。
  3.2挖孔桩施工
  3.2.1在施工前要打好护桩,在施工时不得任意移动,作为校核桩孔垂直度和桩中心是否偏位的依据。垂直度允许偏差0.5%,桩径不得小于设计值。
  3.2.2对桩进行定位后,以桩心为基点,以设计桩长、宽+20cm向四侧开挖桩孔,挖至50~100cm深后,修整孔壁,校正桩心,随后安装护壁模板和护壁钢筋。护壁平均厚度为10cm(上端15cm,下端为5cm),首节护壁混凝土,护壁要高出孔口原地面30cm,井圈厚度为30cm,以防地面水流入孔内。
  3.2.3首节护壁当混凝土护壁强度达到设计强度的85%以上后,方可拆除模板,并将临时水准点引至井圈上作为控制桩底标高的依据。再安装好提升机具,进行下节桩孔开挖并施工护壁,如此循环进行,直至挖到设计标高。挖孔时,对于桩孔中土质地层采用人工直接开挖;对于砂砾层使用锹、风镐开挖。当遇到坚硬砾石层或特殊地质时要第一时间上报工程部,以便确定施工方案。
  3.2.4挖孔过程中,随时观察护壁有无裂缝、变形现象,如有异常及时采取加固措施避免塌方。挖孔人员必须戴安全帽、安全绳,注意施工安全。
  3.2.5施工现场设置临时土方堆放场地,弃土装入吊桶内,用手摇辘轳提出地面后运至弃土场,桩孔周围不得堆土。
  3.2.6在挖孔作业过程中断时,必须对孔口进行覆盖,以防落入杂物。
  3.2.7每次挖孔作业前必须对孔内进行气体检测,预防毒气中毒。
  3.2.8成孔后,对孔底浮碴进行清理。
  3.3桩身砼施工
  3.3.1桩身砼采用C30钢筋混凝土,灌注混凝土前必须确保桩底干净无积水,以免砼离析,影响砼整体强度。采用导管灌注混凝土,导管应对准孔中心,混凝土在导管中自由坠落。开始灌注混凝土时,灌注速度应尽可能加快,使混凝土对孔壁的侧压力大于渗水压力,以防水渗入孔内。
  3.3.2混凝土采用插入式振动棒捣固,混凝土的震捣要充分,应保证混凝土的密实度,否则易有空间影响孔桩的受力。主跨挖孔桩预埋φ28定位钢筋,纵梁就位后与定位钢筋联结牢固。
  3.3.3每个桩的桩身砼必须一次连续浇捣完毕,不留设施工缝。
  3.3.4桩身混凝土浇筑时采用每天的天窗点进行浇筑,采用商品混凝土,汽泵输送。
  3.4技术要求
  3.4.1挖孔过程中要经常检查桩身净空尺寸、平面位置及垂直度。
  3.4.2挖孔桩挖至桩底标高时,保证桩底平整、无松碴、泥污等软层,否则必须清除干净。
  3.4.3灌注混凝土前必须检查桩底是否发生塌坍、积水等,若发生塌坍要及时上报工程技术部做好紧急加固措施。
  3.5挖孔桩施工注意事项
  3.5.1遇到流动性淤泥或流砂时,孔内护壁的施工可按下列方法进行处理:
  3.5.1.1 对塌方施工段应即挖、即验收、即灌注护壁混凝土。
  3.5.1.2 开挖时流砂严重的桩孔,应先将附近无流砂的桩孔挖深,使其起集水井作用。集水井应先在地下水流的上方。
  3.5.1.3 当抽水影响邻近原有建(构)筑物基础及地面下沉时,应即在原有建(构)筑物附近设立灌水管,或利用已开挖但未完成的桩孔进行灌水,以保持水压平衡与土体稳定。
  3.5.2当挖孔至设计持力层岩(土)面时,应及时进行扩底端施工。
  3.5.3加劲箍宜设在主筋外侧,主筋一般不设弯钩,根据施工工艺要求所设弯钩不得向内圆伸露,以免妨碍导管工作。
  3.5.4受电气化铁路接触网影响,搬运和安装钢筋笼利用天窗时间分节进行,应防止变形,安放要对准孔位,避免碰撞孔壁,就位后应立即固定。
  3.5.5混凝土浇筑时候利用天窗时间浇筑。
  3.5.6制定应急预案,备好道砟等材料,加强线路观测,如发现铁路线路变化,及时采取措施,确保铁路畅通及运输安全。
  4.结束语
  实践证明,广州花都狮岭框架涵工程线路架空挖孔桩的设计与施工是可行的,挖孔桩的顺利实施为线路架空及框架涵顶进打下了坚实的基础。作为工程临时结构,线路架空挖孔桩设计和施工往往被忽视。但线路架空挖孔桩不仅是线路架空及框架涵顶进的前提和基础,又是保证既有线安全的重要环节,还往往是框架涵顶进工程的难点,在铁路既有线安全管理日益严格的今天,线路架空挖孔桩设计和施工绝不能等闲视之。
  
  参考文献:
  1铁路桥梁设计规范北京 2005
  2铁路桥梁施工规范北京 2005
  
  注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
  
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