包头至西安铁路柳树店明洞边坡桩板墙加固工程设计

叶彩娟

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 工程概况

包西铁路IIDyK492+795～IIDyK492+870段,长度75 m,位于延安至延安北之间柳树店村附近,地处延河右岸黄土山梁上,既有线在此以隧道形式通过,增建二线行进于既有线右侧20～50 m处。自然山坡陡峻,坡度接近45°,局部为直立陡坎,地势左高右低,高差约100 m,工程地层上部为冲积砂质黄土、细砂,风积砂质黄土、细圆砾土,底部为三叠系上统砂岩夹页岩。线路附近地下水不发育。地震动峰值加速度为0.05g,相当于地震基本烈度6度,地震动反应谱特征周期为0.35 s。土壤最大冻结深度100 cm。

包西铁路定测阶段在IIDyK492+795～IIDyK492+870段设新柳树店隧道(区别于既有西延铁路柳树店隧道),在2005年勘测后由于地方居民取土造田,致使新柳树店隧道部分洞身外露,隧道洞身严重偏压,且新隧道距既有柳树店隧道只有27 m左右,如果新柳树店隧道强行施工,一旦产生变形,将严重影响既有隧道正常运营,因此决定改线,线路向靠河侧偏移。受前后已完工的柳树沟中桥和路基工程的制约,在尽量减少废弃工程的原则下,增建二线自山坡下部通过,采用路基方案时左侧路堑边坡高达75 m,施工过程中山体开挖过大将危及既有隧道安全,且后期运营养护维修困难、易造成行车安全隐患；采用明洞方案通过时,明洞偏压严重,需采用辅助工程解决偏压。柳树店明洞边坡横断面见图1。

图1 柳树店明洞边坡横断面

2 工程的特点与难点

(1)采用路基方案时左侧路堑边坡高达75 m,施工过程中山体开挖过大将危及既有隧道安全,且后期运营养护维修困难、易造成行车安全隐患[1]。

(2)将桩板墙结构与隧道工程结合使用方案,不仅能解决施工过程中对既有隧道的影响,又能确保新建明洞施工安全,还能解决新建明洞的偏压问题,一举三得。

(3)该段线路以明洞通过,桩顶以上边坡采用较小的边坡稳定系数1.05,小于特殊土规范规定的边坡稳定系数1.25,从而有效降低了边坡高度，减小了对山体的开挖。

(4)该桩板墙与明洞边墙间留有0.5 m间隙,间隙顶部桩顶与明洞顶设钢筋混凝土板覆盖,避免土体填充,防止因桩体位移变形而使明洞受压。

(5)本项目将桩板墙结构、明洞工程及钢筋混凝土灌注桩相结合,工程设计、实施及施工组织都非常困难。

(6)路堑桩板墙是包西铁路的一项重要支挡措施,本项目的工程实施将为其他段落土质路堑桩板墙工程提供工程实践经验和管理经验。

3 工程设计与施工

3.1 工程设计

为有效解决明洞偏压、降低明洞施工过程中临时边坡高度,于明洞左侧设桩板墙工程,桩顶以上边坡坡率采用1∶0.75,每10 m一级,两级间设置2.0 m宽平台,边坡总高度达40余m；为避免桩顶位移造成明洞受压,于桩与明洞预留0.5 m间隙、其上设钢筋混凝土板。半填半挖地段防止明洞产生不均匀沉降,地基采用钢筋混凝土灌注桩加固。右侧明洞基础外侧边坡铺设土工格栅补强。

(1)钢筋混凝土桩设计

土体物理性能指标取值为：φ=32°；C=23 kPa；γ=18.0 kN/m3。桩设计荷载为土压力,土压力附加安全系数K=1.20,荷载分项系数K=1.35[2]。土压力按库仑主动土压力公式计算,Ea=1 907 kN/m,Ex=1 814 kN/m。

桩设计采用极限状态理论,桩的内力按弹性地基梁“m”法[3-4]计算,地基抗力比例系数m=5 000 kPa/m2,桩底支撑条件：铰接。挠曲方程为

式中,P为土作用于桩上的水平反力,kN/m。

通过数学求解得到桩的位移、剪力及弯矩图[5]。

桩身C35混凝土,其轴心抗压设计强度[6]fc=16.7 MPa,弹性模量Ec=3.15×104MPa。

受拉钢筋采用HRB400钢筋,其设计强度值fy=360 MPa,弹性模量Es=2.0×105MPa。

箍筋采用HRB335钢筋,其设计强度fy=300 MPa,弹性模量Es=2.1×105MPa。

桩最大弯矩=123 377 kN·m,距离桩顶19.3 m；

桩最大剪力=14 693 kN,距离桩顶12 m,详见图2。

桩顶位移=73 mm；

锚固点处桩的位移=26 mm。

在此处的桩板墙工程竣工投产之前实测桩顶位移=58 mm。

桩露出地面部分长11 m,地面以下埋入21 m。

图2 桩的剪力、弯矩图

(2)挡土板设计

挡土板采用尺寸为0.4 m×0.5 m×3.4 m的挡土板。挡土板按以T形变截面的肋柱为支座的简支梁进行验算,其计算跨径L为挡土板两支座中心的距离,荷载取挡土板所在位置土压力的平均值,即q=Ex/(H×L),其中H为地面以上挡土板总高度。得挡土板跨中最大弯矩Mmax=qL2/8。根据挡土板的最大弯矩值进行配筋计算。

(3)设计方案

①IIDyK492+795～IIDyK492+870段明洞左侧设桩板墙工程,共设置13根,桩中心距明洞中心线5.75 m,桩截面采用2.5×3.5 m,桩长32 m,桩中心间距6 m。桩体采用C35钢筋混凝土浇筑。1号～13号桩桩顶至以下11.5 m范围内桩与桩之间设C30钢筋混凝土挡土板,板长为3.4 m,板高0.5 m,板厚 0.4 m。

②桩、板后三角坑采用二八灰土回填密实,桩顶预埋长25 cm(上露10 cm下埋15 cm)φ20 mm的连接钢筋,其上现浇145 cm宽、15 cm厚的钢筋混凝土板,用于明洞与桩之间预留缝的覆盖,现浇板沿线路方向每隔15 m设伸缩缝1道,采用沥青麻筋填塞。在现浇板悬臂端底与明洞顶间设10 cm厚的橡胶垫。

③桩顶、明洞顶采用二八灰土夯填,明洞顶灰土表层做成向外1∶10的排水坡。并于明洞顶桩顶设一层防渗土工膜,土工膜铺设坡度为向外1∶10。

④1号～13号桩自桩顶以下11.5 m范围内护壁采用C20级混凝土护壁,厚度0.3 m,以下段土层护壁采用C20钢筋混凝土,基岩内护壁采用C20级素混凝土护壁,护壁厚度采用0.3 m。地面以下0.5 m范围设0.5 m厚锁口。因安装挡土板的需要,安装挡土板之前应拆除侧翼及桩前护壁。

柳树店明洞边坡加固平面见图3。

图3 柳树店明洞边坡加固平面

3.2 施工流程及工艺

(1)施工流程

①地基处理、挖台阶,填筑路堤至承台底高程,压实密度按路堤压实标准进行,施工路堤右侧边坡防护工程。

②跳桩开挖桩孔,完成加固桩的施工,桩顶预埋钢筋。

③待桩体强度达到设计强度后开挖桩前土体,安装挡土板,采用二八灰土对桩板后三角坑进行回填,回填至桩顶高程,然后进行桩基和承台施工，IIDyK492+820～IIDyK492+830段先进行桩顶边坡的开挖及挂网喷混凝土防护,再开挖桩前土体。

④进行明洞洞身施工。

⑤桩顶现浇钢筋混凝土板、明洞顶与现浇板之间填塞橡胶垫。

⑥桩顶及明洞顶铺设防渗土工膜,采用二八灰土覆盖。

(2)桩及护壁的施工工艺

①桩采用跳桩开挖,桩孔开挖前应设置地表截、排水及防渗设施；雨季施工时孔口应搭建临时遮雨棚,做好锁口；备齐井下排水、通风、照明设施,做好施工组织；安排专职人员对左侧山体边坡进行实时监测,及时掌握边坡变形情况,如有异常变形应及时采取相应措施处理。

②开挖到一定深度后,设应急软梯,防止掉块采取相应安全措施。

③桩井开挖应分节开挖、分节设置护壁支护,护壁每节高0.5～1 m；护壁混凝土应紧贴围岩灌注,灌注前应清除孔壁上的松动石块、浮土。挡土板混凝土基础以下土层段桩井应采用C20钢筋混凝土护壁,基岩部分桩井采用素混凝土护壁；挡土板混凝土基础以上部分桩井采用C20素混凝土护壁,护壁厚度0.3 m。

④灌注桩身混凝土前,清除基坑内松土,夯实基底,检查断面净空、凿毛路肩高程以下护壁、挡土板混凝土基础上护壁上涂刷脱模剂；将钢筋笼吊入基坑内,按设计要求入位；钢筋宜预制成笼,可在桩孔内搭接,但接头不得设在土石分界高程附近；混凝土灌注必须连续进行,以防出现断桩。纵向受力钢筋的焊接接头应相互错开,钢筋焊接接头连接区的长度为35d(d为纵向受力钢筋的直径)且不小于500 mm,凡接头中点位于该连接区段长度内的焊接接头均属于同一连接段,位于同一连接区段内纵向力钢筋的焊接接头面积百分率,对纵向受拉钢筋接头不应大于50%。

⑤混凝土应通过串筒或导管注入桩孔,串筒或导管的底端与混凝土面的距离为1～3 m。

⑥在桩的施工全过程中必须对桩进行位移监测,加强预警预报工作,保证施工安全。

⑦桩井施工时应间隔两桩跳槽开挖。井下爆破宜控制药量,以免井壁过量超挖或乱石伤人。

⑧为保证桩孔开挖的施工安全和护壁质量,桩孔采取边挖边护方法施工,护壁衬砌必须及时紧跟开挖,注意避免在土石层变化处和路基面处分节。

(3)挡土板的施工工艺

①挡土板为预制钢筋混凝土矩形板,预制时两侧留有吊装孔,并应标注正(配有受力筋,靠线路侧)反面,以方便挡土板正确安装。同时吊装孔作为泄水孔,孔内壁涂抹沥青。挡土板采用直接搭接桩身的形式,桩、板连接的缝隙不用处理,若缝隙过大时可用砂浆填塞或沥青软木板衬垫。要求板面平整,外形轮廓清晰,线条顺直,各部尺寸应符合要求。

②挡土板采用平面堆放,受力面朝上(受力面按设计图纸标识),其堆积高度不宜超过5块,板块间用木块等支垫,并置于设计支点位置,运输过程要轻搬轻放。

③挡土板安装时,应竖向起吊,用手牵引,防止与桩相撞,将挡土板正确就位,同时应做好防排水设施及填筑墙被填料,挡土板顶面不齐时,可用砂浆或现浇混凝土调整[7]。

④挡土板后设0.3 m厚的砂夹卵石反滤层,安装时,应随安装、随填板后反滤层,并捣固密实,使板与桩密贴。

(4)施工工艺框图

该段工程范围内无不良地质,特殊岩土主要为湿陷性黄土,主要为路堑深挖方工程,且二线左侧约65 m处为既有西延铁路柳树店隧道,相互影响较大,工程地质条件较差,施工难度大,为了能按期保质的完成工程施工,特制定如图4所示桩板墙施工工艺框图[8]。

图4 桩板墙施工工艺框图

(5)施工注意事项

①在既有线旁施工,一定要确保铁路运营及人员机具的安全,做好安全防护措施。路基施工前应做好永久或临时排水设施,以防雨水流入基坑。

②护坡施工前应先清刷坡面浮土,填补坑凹,使坡面平整,然后由上向下放线。

③保证弃土、弃碴不导致边坡附加变形或破坏现象发生。注意先将右侧路堤填至承台底高程后,方可进行桩板墙施工。

④桩在施工时应间隔开挖,并密切注意山体变化,发现异常,及时采取措施,以确保铁路的行车安全和人员、机具的安全,必要时设置专人对左侧山体进行观测。各种材料及施工器材距井口应有一定距离,以防落入井内伤人,井上设专人指挥,桩身施工前应设置观测设施,有专人负责观测[9]。

⑤桩定位采用经纬仪放样,桩身截面尺寸、中心位置、孔底高程必须符合工程质量评定验收标准。孔内爆破、主筋焊接和混凝土灌注必须严格执行有关技术规范和操作规程。竖向主筋或其他钢材的搭接应避免设在桩顶以下11.5 m处上下2 m范围,搭接接头应错开。

⑥桩及挡土板的配筋布置,应严格按设计要求进行。桩在基坑开挖完毕后,将钢筋按设计尺寸截断,然后放入基坑内焊接成钢筋骨架。由于桩是侧向受力受弯结构,因此桩身灌注时应连续进行,不得间歇,并用振捣器捣固密实,以免形成施工缝。

⑦为保证桩孔开挖的施工安全和护壁质量,桩孔采取边挖边护方法施工,护壁衬砌必须及时紧跟开挖,注意避免在土石层变化处和路基面处分节。加固桩护壁施工过程中,在立模灌注每节钢筋混凝土前,注意清除岩壁上的浮土和松动石块,使护壁混凝土紧贴孔壁,每节开挖应在上节护壁终凝后进行,而且开挖不宜过深,以免上节护壁悬空过高。修井壁时不宜放炮,以免造成振动,桩井配备软梯,以便施工人员迅速撤离桩井[10]。

⑧施工中桩截面尺寸的施工误差只能为正,不能为负,以保证主筋的混凝土保护层厚度大于6 cm。

⑨桩身如基础有超挖,其超挖部分必须用C35混凝土与桩身一同灌注嵌补,以灌满基坑为度。桩身混凝土要振捣密实,保证材料之间结合牢固。

图5为正在施工中的柳树店桩板墙工程。

图6为已通车的柳树店明洞工程。

图5 施工中的桩板墙工程

图6 已通车的柳树店明洞

4 结 语

在传统选线中遇见高边坡挖方时采用绕避的方案,但受地形、线位条件控制时,采用常规方法不能满足线路走行需求。本工程将路堑桩板墙与明洞工程结合起来,用桩板墙工程代替明洞工程抵抗左侧山体变形而形成的偏压。较绕避方案可节约投资近1 000多万元,且减少了维修防护,为日后的行车运营提供了安全保证,其直接和间接的经济效益非常显著。通过工程初验,各参验单位一致认为明洞内侧设置桩板墙工程解决明洞偏压难题的设计安全、可靠,工务部门认为该段线路安全稳定。该工程被建设单位评为包西铁路样板工程。

参考文献：

[1] 龙国英,黄恒均.浅论桩板墙的设计与施工[J].路基工程,1996(4):19-25.

[2] 铁道第二勘察设计院.TB10025—2006 铁路路基支挡结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005.

[3] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程设计技术手册·线路[M].北京：中国铁道出版社,1994.

[4] 万军利.预应力锚索桩板墙应用研究[D].北京:铁道部科学研究院,2007:45-47.

[5] 李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50010—2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

[7] 邱晓旭,罗晓东.桩板墙施工技术浅谈[J].城市建设理论研究,2011(22):5-8.

[8] 杜文杰,鲁高群,李振存.基于力学分析的预应力锚索桩板墙施工工法研究[J].公路工程,2011(4):114-117.

[9] 莫友君.浅谈预应力锚索桩板墙施工[J].北京：科学促进发展(应用版),2010(8):28-30.

[10] 中国中铁股份有限公司.高速铁路桩板墙施工作业指导书[M].北京:中国中铁股份有限公司,2009.