论文部分内容阅读
摘 要：通过本工程墩台深基坑设计方案，阐述压杆稳定计算及被动土压力理论的应用，特殊地质条件下基坑支护的施工安全质量注意事项。
关键词：深基坑； 基坑支护；专项施工技术方案
中图分类号：TV551文献标识码： A
1工程概况及水文地质情况
1.1工程概况
新建东北东部铁路通道登沙河至庄河段改造工程（DZ2标段），设计为双线客货共线铁路，设计速度目标值200km/h，高阳跨城庄铁路特大桥上铁道线间距4.4m～5m。铺设有碴轨道无缝线路，钢轨60kg/m。轨底至梁顶计算高度为0.7m。
本桥位于高阳镇南部丘陵地带，主要为跨越三岔河（高阳河）、既有城庄线，一条沥青路及多条土路而设。在DK145+567.80跨越既有城庄铁路，第81～82号桥墩基础施工时涉及既有铁路路基安全，为一联（32+48+32）m三跨连续梁桥。桥墩为园端形桥墩、双层矩形承台。最下层承台高2及2.5m、顺桥长7.6及9.1m、橫桥向宽为10.4及12.5m；上层承台高均为1m、顺桥长4.2及4.5m、横桥向宽8.9及9.1m。高阳跨城庄铁路特大桥第80号～第83号桥墩侧面布置示意图如图1.1所示。
图1.1、高阳跨城庄铁路特大桥第80号～第83号桥墩侧面布置示意图
1.2地质水文情况
桥址区内地下水为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，第四系孔隙潜水主要含水层为砂类土层，水量较大；基岩裂隙水赋存于基岩风化裂隙及构造裂隙中，水量不大。勘测期间地下水埋深0.00～12.00m（高程为0.04～4.62 m），主要由大气降水和地下水径流所补给，地下水季节性变化幅度为2.00～3.00m。
高阳跨城庄铁路特大桥的第81号～第82号桥墩处的地址柱状结构为：表层为粉土深约2～3m，地基承载力σo=100kPa；次表层为1～1.5m深粉砂；承台底以下约2.5m深淤积粉质黏土，基本承载力σo=60kPa；再下层为约1m厚中砂，基本承载力为σo=370kPa；再以下为砾砂，基本承载力为σo=430kPa。高阳跨城庄铁路特大桥的第81号～第82号桥墩处地质柱状图如图1.1所示。
高阳跨城庄铁路特大桥的第81号～第82号桥墩处有代表性的各层岩土物理力学指标如表1.1所示。
表1.1第81号桥墩地质各土层物理力学参数表
土层 重度
(kN/m3) 粘聚力
(kPa) 摩擦角
(°) 基本承载力
（kpa） 平均埋深层厚（m）
表层：粘土 18 40 19 100 2.4
次下层：粉砂 19 0 25 1.8
下层：淤泥质粉质黏土 19 30 18 60 2
再下层：粉 砂 20 0 29 370 1
底层：砾砂 21 0 33 430 5
2、专项施工方案总体概况
根据中华人民共和国住房和城乡建设部《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》[2009]87号文的要求，针对本工程深基坑开挖支护具有较大危险性，按深基坑开挖支护分项工程编制专项施工方案。
本专项方案编制的主要内容包括基坑护壁桩、护壁桩支撑、基坑开挖等工作内容。
根据本标段地质条件情况，以及基坑支护尺寸条件，选择有代表性的高阳跨城庄铁路特大桥第81～82号桥墩基坑支护方案作为设计对象，其余桥梁基坑均参照此方案施工。
高阳跨城庄铁路特大桥第81号桥墩承台底层尺寸9.1m×12.5m，自然地面以下基坑最大埋深约4.2m。为满足基坑底明排水需要，以及模板安装工作空间需要，每侧工作边预留1.5m宽。基坑护壁桩围护尺寸为12.1m宽×15.5m长。桥墩承台基坑支护结构平面布置示意图如图2.1所示。
图2.1、承台基坑支护结构平面布置示意图
基坑护壁桩采用国产拉森Ⅳ型钢板桩，单根长度大约12m，基坑底以下打入深度不少于6.5m，外露大约1.3m。
护壁钢板桩只在上口做一道水平支撑。横支撑采用直径φ350mm、壁厚12mm钢管柱，长边、短边各布置2根支撑柱，均匀对称布置。钢板桩与支撑柱间设置腰梁（或称围檩）。腰梁采用2根I40a工字钢梁、水平并置，纵横腰梁拐角交接处采用钢板搭接焊-形成刚性焊接，拐角再使用2I28b增设三角形支撑。
3、基坑支护施工方案设计
3.1施工方案设计依据及参数
3.1.1新建东北东部铁路通道登沙河至庄河段改造工程（DZ2标段）改高阳跨城庄铁路特大桥施工设计文件；
3.1.2高阳跨城庄铁路路特大桥施工组织设计；
3.1.3《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》（TZ203-2008）；
3.1.4《铁路桥涵工程施工安全技术规程》（TB-10303-2009、J946-2009）；
3.1.5《铁路桥涵施工规范》（TB10203-2002、J162-2002）；
3.1.6《铁路路基支挡结构设计规范》（TB10025-2001、J127-2001）；
3.1.7《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－99）；
3.1.8《钢结构设计规范》（GB50017-2003）；
3.1.9《客运专线铁路桥涵工程施工技术规范》（Q/ZTG21300-2006）。
3.1.10基坑侧壁安全等级及重要性系数=1.1；参考《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－99）取值，考虑既有路基的安全。
3.1.11临时支护结构强度安全系数K=1.3。
3.2承台基坑支护结构设计
3.2.1第81号桥墩承台基坑护壁桩外侧土压力
1）基坑深度范围内各土层内摩擦角加权平均值=21.6o；
2）基坑深度范围内各土层内重度加权平均值=18.4 (kN/m3)；
3）基坑深度范围内侧向朗金主动土压力系数：
=0.462
4）基坑侧壁土压力：
考虑坑顶有挖掘机、吊车、汽车、输送泵等车辆作业，地面活荷载记取q=20kN/m2。根据本桥桥墩埋置深度及地质条件，绘制81号基坑护壁桩外侧土压力分析简图如图3.1所示。
①顶面水平侧压力：=10.2(kN/m2)；
②坑底水平侧压力：=49.4(kN/m2)，其中基坑深度h1=420cm。
图3.1、81号基坑护壁桩外侧土压力示意图
3.2.2计算81号墩基坑护壁钢板桩的上端悬臂抗弯能力
先检算钢板桩无横支撑的最大悬臂支撑能力。再根据此最大悬臂能力考虑是否设置横支撑。
基坑护壁支撑结构拟采用国产拉森Ⅳ型钢板桩，材质为Q235钢材。其物理技术规格如表3.1所示。
表3.1国产拉森钢板桩技术规格
型 号 尺 寸（mm） 截面 面积 重量 惯性矩
b ha t1 单 根（cm2） 每米宽
（cm2/m） 单 根
（kN/m） 每米宽
（kN/m） 每 根
（cm4） 每米宽
（cm4/m）
拉森Ⅳ型 400 155 15.5 94.4 236 0.75 1.90 3690 31900
拉森Ⅴ型 420 180 20.5 127.2 303 1.0 2.38 5950 55200
假设钢板桩最大抗弯位置在距离坑顶以下hi处。则最大钢板桩上端悬臂最大弯矩：；
取1m宽护壁桩，按允许应力法计算。则钢板桩的最大弯曲应力为：
；
经计算，钢板桩的最大悬臂5.0m，其最大弯矩：Mmax=322kN-m，最大弯曲应力：σmax=156MPa，刚好满足Q235钢材的允许抗弯能力需要。
关键词：深基坑； 基坑支护；专项施工技术方案
中图分类号：TV551文献标识码： A
1工程概况及水文地质情况
1.1工程概况
新建东北东部铁路通道登沙河至庄河段改造工程（DZ2标段），设计为双线客货共线铁路，设计速度目标值200km/h，高阳跨城庄铁路特大桥上铁道线间距4.4m～5m。铺设有碴轨道无缝线路，钢轨60kg/m。轨底至梁顶计算高度为0.7m。
本桥位于高阳镇南部丘陵地带，主要为跨越三岔河（高阳河）、既有城庄线，一条沥青路及多条土路而设。在DK145+567.80跨越既有城庄铁路，第81～82号桥墩基础施工时涉及既有铁路路基安全，为一联（32+48+32）m三跨连续梁桥。桥墩为园端形桥墩、双层矩形承台。最下层承台高2及2.5m、顺桥长7.6及9.1m、橫桥向宽为10.4及12.5m；上层承台高均为1m、顺桥长4.2及4.5m、横桥向宽8.9及9.1m。高阳跨城庄铁路特大桥第80号～第83号桥墩侧面布置示意图如图1.1所示。
图1.1、高阳跨城庄铁路特大桥第80号～第83号桥墩侧面布置示意图
1.2地质水文情况
桥址区内地下水为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，第四系孔隙潜水主要含水层为砂类土层，水量较大；基岩裂隙水赋存于基岩风化裂隙及构造裂隙中，水量不大。勘测期间地下水埋深0.00～12.00m（高程为0.04～4.62 m），主要由大气降水和地下水径流所补给，地下水季节性变化幅度为2.00～3.00m。
高阳跨城庄铁路特大桥的第81号～第82号桥墩处的地址柱状结构为：表层为粉土深约2～3m，地基承载力σo=100kPa；次表层为1～1.5m深粉砂；承台底以下约2.5m深淤积粉质黏土，基本承载力σo=60kPa；再下层为约1m厚中砂，基本承载力为σo=370kPa；再以下为砾砂，基本承载力为σo=430kPa。高阳跨城庄铁路特大桥的第81号～第82号桥墩处地质柱状图如图1.1所示。
高阳跨城庄铁路特大桥的第81号～第82号桥墩处有代表性的各层岩土物理力学指标如表1.1所示。
表1.1第81号桥墩地质各土层物理力学参数表
土层 重度
(kN/m3) 粘聚力
(kPa) 摩擦角
(°) 基本承载力
（kpa） 平均埋深层厚（m）
表层：粘土 18 40 19 100 2.4
次下层：粉砂 19 0 25 1.8
下层：淤泥质粉质黏土 19 30 18 60 2
再下层：粉 砂 20 0 29 370 1
底层：砾砂 21 0 33 430 5
2、专项施工方案总体概况
根据中华人民共和国住房和城乡建设部《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》[2009]87号文的要求，针对本工程深基坑开挖支护具有较大危险性，按深基坑开挖支护分项工程编制专项施工方案。
本专项方案编制的主要内容包括基坑护壁桩、护壁桩支撑、基坑开挖等工作内容。
根据本标段地质条件情况，以及基坑支护尺寸条件，选择有代表性的高阳跨城庄铁路特大桥第81～82号桥墩基坑支护方案作为设计对象，其余桥梁基坑均参照此方案施工。
高阳跨城庄铁路特大桥第81号桥墩承台底层尺寸9.1m×12.5m，自然地面以下基坑最大埋深约4.2m。为满足基坑底明排水需要，以及模板安装工作空间需要，每侧工作边预留1.5m宽。基坑护壁桩围护尺寸为12.1m宽×15.5m长。桥墩承台基坑支护结构平面布置示意图如图2.1所示。
图2.1、承台基坑支护结构平面布置示意图
基坑护壁桩采用国产拉森Ⅳ型钢板桩，单根长度大约12m，基坑底以下打入深度不少于6.5m，外露大约1.3m。
护壁钢板桩只在上口做一道水平支撑。横支撑采用直径φ350mm、壁厚12mm钢管柱，长边、短边各布置2根支撑柱，均匀对称布置。钢板桩与支撑柱间设置腰梁（或称围檩）。腰梁采用2根I40a工字钢梁、水平并置，纵横腰梁拐角交接处采用钢板搭接焊-形成刚性焊接，拐角再使用2I28b增设三角形支撑。
3、基坑支护施工方案设计
3.1施工方案设计依据及参数
3.1.1新建东北东部铁路通道登沙河至庄河段改造工程（DZ2标段）改高阳跨城庄铁路特大桥施工设计文件；
3.1.2高阳跨城庄铁路路特大桥施工组织设计；
3.1.3《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》（TZ203-2008）；
3.1.4《铁路桥涵工程施工安全技术规程》（TB-10303-2009、J946-2009）；
3.1.5《铁路桥涵施工规范》（TB10203-2002、J162-2002）；
3.1.6《铁路路基支挡结构设计规范》（TB10025-2001、J127-2001）；
3.1.7《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－99）；
3.1.8《钢结构设计规范》（GB50017-2003）；
3.1.9《客运专线铁路桥涵工程施工技术规范》（Q/ZTG21300-2006）。
3.1.10基坑侧壁安全等级及重要性系数=1.1；参考《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－99）取值，考虑既有路基的安全。
3.1.11临时支护结构强度安全系数K=1.3。
3.2承台基坑支护结构设计
3.2.1第81号桥墩承台基坑护壁桩外侧土压力
1）基坑深度范围内各土层内摩擦角加权平均值=21.6o；
2）基坑深度范围内各土层内重度加权平均值=18.4 (kN/m3)；
3）基坑深度范围内侧向朗金主动土压力系数：
=0.462
4）基坑侧壁土压力：
考虑坑顶有挖掘机、吊车、汽车、输送泵等车辆作业，地面活荷载记取q=20kN/m2。根据本桥桥墩埋置深度及地质条件，绘制81号基坑护壁桩外侧土压力分析简图如图3.1所示。
①顶面水平侧压力：=10.2(kN/m2)；
②坑底水平侧压力：=49.4(kN/m2)，其中基坑深度h1=420cm。
图3.1、81号基坑护壁桩外侧土压力示意图
3.2.2计算81号墩基坑护壁钢板桩的上端悬臂抗弯能力
先检算钢板桩无横支撑的最大悬臂支撑能力。再根据此最大悬臂能力考虑是否设置横支撑。
基坑护壁支撑结构拟采用国产拉森Ⅳ型钢板桩，材质为Q235钢材。其物理技术规格如表3.1所示。
表3.1国产拉森钢板桩技术规格
型 号 尺 寸（mm） 截面 面积 重量 惯性矩
b ha t1 单 根（cm2） 每米宽
（cm2/m） 单 根
（kN/m） 每米宽
（kN/m） 每 根
（cm4） 每米宽
（cm4/m）
拉森Ⅳ型 400 155 15.5 94.4 236 0.75 1.90 3690 31900
拉森Ⅴ型 420 180 20.5 127.2 303 1.0 2.38 5950 55200
假设钢板桩最大抗弯位置在距离坑顶以下hi处。则最大钢板桩上端悬臂最大弯矩：；
取1m宽护壁桩，按允许应力法计算。则钢板桩的最大弯曲应力为：
；
经计算，钢板桩的最大悬臂5.0m，其最大弯矩：Mmax=322kN-m，最大弯曲应力：σmax=156MPa，刚好满足Q235钢材的允许抗弯能力需要。