工法桩在地道桥工作坑支护中的应用探讨

张丽君 刘翰林 李家稳 董培鑫

(北方工业大学建筑工程学院，北京 100144)

随着国民经济的发展，社会对道路交通提出了较高的要求，要求其具有较高的行驶速度和较高的安全性，尤其是铁路大提速之后，强烈要求采用封闭式的行驶环境，于是也促进了铁路道口平交改为立交的进程［1］。在平改立工程及新建地道桥施工工艺中，顶进法施工的应用最为广泛，其最大优点是尽量减少对既有线路行车的干扰，且具有施工进度快和拆装方便的特点。顶进法施工其前期的主要工作均在工作坑中准备和完成。有的工作坑需开挖至地面以下6 m，甚至更深，因此工作坑的安全支护是保障施工安全及顺利进行的重要环节。

1 工程概况

该桥位于某铁路线K23+277.8处，桥址处既有铁路为双线，上下行铁路线间距4.0 m。既有铁路为电气化铁路，直线，上下行钢轨P60，新Ⅱ型钢筋混凝土枕。铁路两侧路肩下敷设有地下光缆。

框架桥结构采用单孔框架结构，净跨为1-12 m，框架桥中心线与铁路中心线的交角为63°。

框架桥结构总高度为7.35 m，结构净高为5.5 m，顶板厚0.85 m，底板厚1.0 m，边墙厚0.85 m，框架桥主体斜长度为14.59 m。框架桥工作坑平均开挖深度约5.6 m。

框架桥截面形式如图1所示。

图1 框架桥横断面图

2 周边环境与工程地质

拟建场地地貌属于平原类型，浅层约15 m深度范围内含大量素填土淤泥质土，地下水位较高，对基坑止水要求较高。基坑涉及场地范围内，由于建筑物较多，不具备放坡条件，且淤泥质粘土等软土在开挖时易产生蠕变现象，应力释放后产生较大的侧向压力和变形，都给围护结构提出了较高的要求。场地土层主要参数见表1。

3 工作坑支护设计

围护结构的设计，不仅关系到工作坑周边建筑物、构筑物的安全，而且直接影响到土方开挖以及后期框架桥主体的浇筑及顶进准备工作的完成，工作坑支护结构是个系统的工程，不仅要保证基坑开挖过程的安全性，同时也要尽可能的节约造价和缩短施工工期。工作坑的失稳对现场工作人员的人身安全将造成巨大的威胁，也可能带来巨大的经济损失，但过于安全又符合市场的要求，最后考虑在安全、合理、经济的原则下，针对工作坑开挖深度、场地内的土层地质及周边环境等实际情况，对此工程的工作坑的支护形式对比见表2。

表1 土层主要物理力学性能指标表

表2 围护结构选型对比

3.1 本工程工法桩布置

基坑南、北两侧环境保护要求较高，且距房屋较近，采用φ700@500双轴水泥土搅拌桩内插H500×200×10×16型钢(见图2)，工法桩平面布置图如图3所示，靠近铁路一侧考虑有放坡条件，且采用放坡便于后期的顶进施工，故采用φ700@500搅拌桩做止水帷幕并放1∶1.5坡。工作坑后背采用后背梁、止水桩与φ1.25 m挖孔桩协同支护的形式。

3.2 工法桩设计计算

1)工作坑开挖后，位移，弯矩图如图4所示。

由图4我们可以看到工作坑开挖后桩顶位移在10 mm左右，从理论上，采用工法桩加锚的支护形式对水平位移控制的很好，对周边建筑物的影响几乎可以忽略。

图2 围护结构剖面图

图3 工法桩平面布置图

图4 土压力、位移、弯矩图

工作坑开挖产生的最大弯矩为269.4 kN·m，Q235型钢的抗弯设计值为215 N/mm2。

2)验算土坡稳定安全系数。

由瑞典条分法，土条宽度取1.0 m，计算得整体稳定安全系数Ks=1.36＞1.3，整体稳定。

3)抗倾覆验算。

其中，Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定，对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值;MG为构件自重对构件前趾的抗倾覆弯矩;Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

由同济启明星7.1计算得:

4)工作坑基坑周边地表沉降控制。

由于工作坑周围建筑物较多，工作坑的开挖支护要限制地表位移的变化，以免对周围建筑物造成危害。经检测与软件分析得，本工程采用工法桩支护加可回收锚，地表位移沉降在20 mm以内，很好的控制了地表位移，从而对周边建筑物影响较小，其地表位移图如图5所示。

图5 工作坑周边地表位移图（最大11.2 mm）

5)型钢与水泥土间错动抗剪验算。

型钢水泥土搅拌桩，又称SWM工法桩，是搅拌桩与工字钢协调作用的一种桩体，型钢承受全部水土侧向压力及弯矩，搅拌桩作止水用。对于此工程我们验算型钢的抗弯，还需验算型钢与水泥土间错动抗剪承载力。型钢与水泥土间错动抗剪承载力应按下列公式进行计算:

通过理论及启明星软件计算单排水泥土搅拌桩与双排水泥土搅拌桩抗剪承载力对比，如图6，图7所示。

图6 单排搅拌桩错动抗剪

图7 双排搅拌桩错动抗剪

通过验算，单排错动抗剪不满足抗剪承载力要求，故针对此工程采用双排水泥土搅拌桩。

4 结语

针对此工程，对顶进框架桥工作坑采用工法桩加可回收锚的支护形式。此种支护形式在建筑基坑支护中应用比较广泛，在框架桥工作坑的支护中却很少使用，原因有两点:

1)一般工作坑施工场地开阔适合放坡;

2)框架桥施工工期较短工作坑支护不需要像建筑基坑那样强的支护体系。但对于此工程周围环境的限制，对此工作坑的开挖支护提出了更高的要求，不得已采用引入建筑基坑支护形式，但这次尝试的成功也给以后的类似工程提供了一定的参考价值。由于施工场地淤泥质土层较厚，水位较高，设计施工时还需结合降水和坑底加固等措施使用，此类工艺成熟且应用广泛，在此不作赘述。

［1］ 冯卫星，王克丽.地道桥设计与施工［M］.石家庄:河北科技出版社，2000.

［2］ JGJ 120-99，建筑基坑支护技术规程［S］.

［3］ JGJ/T 199-2010，型钢水泥土搅拌墙技术规程［S］.