西宁二线跨合武铁路特大桥49\50号墩基坑防护

摘要既有线边施工基坑防护一直是施工单位必须面对的问题,一旦防护方案出现问题,就会发生重大行车安全事故。采取科学合理的防护方案才能确保既有线行车安全。

关键词西宁二线;既有线;桥梁基础;基坑;防护

中图分类号TU1文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)041-0094-03

1概况

西宁二线跨合武铁路特大桥49、50号墩,分别位于合武铁路上下行线两侧。

49号墩的承台尺寸:长6.5m×宽5.6m×高2.0m(承台与线路中心线斜交),承台(边缘)与线路中心最小距离为2.99m;考虑承台(对称)切去承台角部分0.431mm(垂直线路中线方向),承台为6边形。49号墩桩基为5根钢筋混凝土桩(直径1.0m,单根桩长29.70m)。

50号墩的承台尺寸:长6.5m×宽5.6m×高2.0m(承台与线路中心线斜交);承台(边缘)与线路中心最小距离为3.62m;考虑承台(对称)切去承台角部分0.413mm(垂直线路中线方向),承台为6边形。50号墩桩基为5根钢筋混凝土桩(直径1.0m,单根桩长26.20m)。基坑布置如下:

1)两个基坑工程采用相同的支护、开挖边坡。其中计算以49号墩基坑为例,由于49号墩、50号墩地质情况相同、承台尺寸相同、承台底部标高相同,但49号墩承台距离线路更近,因此50号墩基坑采用与49号墩基坑相同的支护、开挖边坡,可以满足要求。以下仅考虑49号墩基坑。

2)基坑支护、开挖坡度。49号墩基坑采用P50钢轨桩基坑支护、放坡开挖相结合的方法。承台四周均预留50cm作为工作空间(支立模板、基坑排水等),因此从承台向外侧50cm为边坡坡脚。

远离线路的承台两侧基坑高度较小(小于1.5m),采用放坡开挖(坡度1∶1),满足规范要求。

临近线路的承台两侧采用P50钢轨桩基坑支护(与线路中心线平行),支护紧贴承台切角面。从承台切角中心处分别向两侧支护5.189m和5.630m(共计10.818m),该处边坡坡度分别为1:1.17和1:1.39(计算不考虑该部分土体作用),边坡上边缘为原地面坡度,满足规范要求(边坡上边缘与线路中心线垂直)。

基坑平面布置图见图1、2。

2计算内容

整体稳定性、稳定性、抗渗稳定性、支护构件(钢轨桩)强度。

3计算模型

根据项目部提供的资料,图1-2中的1-1断面(从承台切角中心经过并且垂直于线路中心线)的几何关系、地质资料等,如图3所示。钢轨桩初步拟定长度6.0m,承台底面下长度3.7m,承台顶面上长度0.3m,钢轨桩高出道砟185mm。

按建筑基坑支护技术规程,基坑侧壁安全等级:一级(重要性系数γ0=1.1)。

图3基坑1-1断面图

为计算方便,作如下简化得到图4所示的计算模型(钢轨桩长度初步拟定)。

1)假定钢轨桩顶部与道砟面高度一致(钢轨桩顶部提高437mm)(不影响计算结果);假定钢轨桩顶部与道砟边坡之间(高0.622m,宽1.595m的三角形)均为碎石道砟(计算结果偏于安全)。主要考虑计算公式条件。

2)轨道及列车荷载。参照《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函[2005]285号)第4.2.7条,换算土柱高度2.6m(重度21.0kN/m3)、分布宽度3.3m(设计轴重220kN)。因此延线路长度方向的荷载为2.6×3.3×1×21.0/(2.6×1)=69.3(kN/m)或单位面积重力69.3(kPa)。

计算简图见图4。

图4计算简图

4嵌固深度、稳定性

1)水平抗力标准值

基坑内第1层土的被动土压力系数:

tan2(450+200/2)=2.04。

基坑内第2层土的被动土压力系数:

tan2(450+160/2)=1.76。

基坑内顶面的水平抗力标准值:

(0×0)×2.04+2×15×=42.85(kPa)。

基坑内顶面下0.620m(上)的水平抗力标准值:

(18.0×0.620)×2.04+2×15×=65.61(kPa)。

基坑内顶面下0.620m(下)的水平抗力标准值:

(18.0×0.620)×1.76+2×18×=67.40(kPa)。

基坑内顶面下3.700m的水平抗力标准值:

(18.0×0.620+19×3.080)/(0.620+3.080)×(0.620+30.80)×1.76+2×18×=170.40(kPa)。

根据上述计算,水平抗力标准值合力:400(kN),合力作用点与支护底部(基坑顶面向下3.7m为支护底部)距离为1.49m。

图5土压力

2)水平荷载标准值

第1层土主动土压力系数:

tan2(450-400/2)=0.22。

第2层土主动土压力系数:

tan2(450-200/2)=0.49。

第3层土主动土压力系数:

tan2(450-160/2)=0.57。

基坑外侧顶面的水平荷载标准值(自重引起):

0×0×0.22-2×0×=0。

基坑外侧顶面下1.376m(上)的水平荷载标准值(自重引起):

21.0×1.376×0.22-2×0×=6.36(kPa)。

基坑外侧顶面下1.376m(下)的水平荷载标准值(自重引起):

21.0×1.376×0.49-2×15×=-6.84

基坑外侧顶面下2.152m(上下)的水平荷载标准值(自重引起):

(21.0×1.376+18.0×0.776)×0.49-2×15×=0。

基坑外侧顶面下2.737m(上下)的水平荷载标准值(自重引起):

53.39×0.49-2×15×=5.16(kPa)。

其中:竖向应力标准值A=(21.0×1.376+18.0×1.361)/(1.376+1.361)×(1.376+1.361)=53.39(kPa)。

基坑外侧顶面下1.595～3.357m(的水平荷载标准值(均布荷载引起):

69.3×3.3/(3.3+2×1.595)×0.49=17.27(kPa)。

基坑外侧顶面下3.357m～桩底的水平荷载标准值(均布荷载引起):

69.3×3.3/(3.3+2×1.595)×0.57=20.09(kPa)。

根据上述计算,水平荷载标准值合力:117(kN),合力作用点与支护底部(基坑顶面向下3.7m为支护底部)距离为2.40m。如图5所示。

3)嵌固深度计算(JGJ120-99第4.1.1条)

400×1.49-1.2×1.1×2.4×117=225.34>0,满足要求。

4)整体稳定性计算(JGJ120-99附录A)(图6)

经过试算,图6中土体的整体稳定性的安全系数最小(共划分成22个土条),土条宽度分别为(从左至右):0.319m,12×0.612m,2×0.798m,4×0.605m,0.763m,0.118m,0.026m。

根据(JGJ120-99)附录A,土体的整体稳定性的安全系数

=1.72>1.3,满足要求。

5)基坑抗隆起稳定性(建筑地基基础设计规范GB50007-2002)

如图7,按照《基坑工程手册》(5-13)式,地基承载力模式的基坑抗隆起稳定安全系数:

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K=4.16(Prandtl)和4.79(Terzagh1)>1.6,满足要求。

图6整体稳定性计算

图7基坑抗隆起稳定性

6)地下水控制计算(抗渗透稳定性、基坑底突涌稳定性等)

根据基坑处地质条件(粉质粘土),满足要求。

5抗滑稳定性和抗倾覆稳定性

如图8所示,抗滑移安全系数(建筑地基基础设计规范GB50007-2002)

K=400/117=3.42>1.4～1.5,满足要求。

抗倾覆稳定安全系数(建筑基坑支护技术规程JGJ120-99):

K=400×1.49/(117×2.40)=2.12>1.2×1.1=1.32,满足要求。

6支护构件(钢轨桩)受弯计算

按照图8计算截面最大弯矩(剪力为零处弯矩值最大),剪力为零处位于基坑下:0.620+0.705=1.325m。计算最大弯矩21.13(kNm),弯矩设计值:

1.25×1.1×21.13=29.05(kNm)。

P50钢轨截面模量=287m3,=251m3,按照钢轨中心距0.1m计算,每米钢轨桩的截面模量:2870m3和2510m3,则截面应力

=29.05/2870=10.12(MPa)。

=29.05/2510=11.57(MPa)。

钢轨的抗弯强度设计值不小于215(MPa),因此受弯满足要求。

7控制基坑支护变形的措施

为保证列车运行,控制基坑支护变形,采取下措施:

在承台切角处左右共3.1m范围内,设置4道拉杆(φ32mm精轧螺纹钢PSB830抗拉强度1030MPa),线路垂直对面设置钢轨桩(21根P50钢轨),线路两侧钢轨桩采用6道拉杆对拉。

φ32mm精轧螺纹钢PSB830的抗拉强度为1030MPa。

根据图7,每米长度(沿线路方向)的主动土压力为117。

若按照静止土压力计算,线路侧的静止土压力为260.14,基坑侧的静止土压力为55.76,不平衡力为260.14-55.76=204.38。

单个φ32mm精轧螺纹钢PSB830最大可以受力=828.3。

考虑上述因素,单个φ32mm精轧螺纹钢PSB830的设计拉力:

100()。

如图9、10所示,其中钢轨桩(长度均为6m)布置(从左至右):

3根P50+5根P50+5根P50+5根P50+5根P50+5根P50+3根P50。

精轧螺纹钢从上述钢轨桩之间穿入。

图8抗滑稳定性和抗倾覆稳定性计算

图10根φ32mm精轧螺纹钢立面布置(两侧对称布置,图中仅示基坑一侧)

参考文献

[1]刘国彬,王卫东主编.基坑工程手册(第2版).

[2]铁建设函[2005]285号.新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定.

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