浅谈深基坑开挖范围内重要构筑物的防护

唐炳根

摘要：深基坑开挖范围内重要构筑物的防护在铁路施工过程中常有发生，确保重要构筑物及深基坑的施工安全是施工过程中的关键。本文将详细介绍厦深铁路东铺路下穿通道框架桥工程施工中，邻近既有线深基坑开挖范围内车站接触网软横跨立柱防护措施。

关键词：框架桥 深基坑 构筑物 防护

1、工程概况

东浦路框架桥下穿规划的324国道、厦深东孚编组站、厦深线后，上跨厦门北引暗渠，在东浦村东北侧连接厦门规划路网。一期工程已完成框架桥15-24节的施工并开通上跨东孚编组站Ⅳ场1-7道；二期工程第一阶段将完成框架桥12-14节的施工，该段框架桥拟采用明挖法施工，基坑开挖深度为11.0～11.5m，东孚编组站Ⅳ场3043、3045#接触网软横跨立柱基础位于该段框架桥第13节两侧3.8～5.5m处。

2、接触网软横跨立柱基础加固

2.1加固措施的选择

根据现场测定的3043#，3045#接触网与框架位置关系，根据基坑开挖放坡坡度1：1，计算得出3043#，3045#接触网软横跨立柱基础顶面距坡面最大距离为11.02米，而3043#，3045#接触网软横跨立柱基础深4米，基坑开挖必然影响3043#，3045#软横跨立柱基础。考虑到3043#，3045#接触网软横跨已经启用，为了防止软横跨立柱基础位移及沉降，基坑开挖支护只能采用桩板墙或者围护桩加冠梁，但桩板墙工程造价过高，故采用围护桩加冠梁的方法对3043#，3045#接触网横跨立柱进行保护。

⑴：沿接触网基础四周布置桩径为1.25米桩长为20m（锚固长度9m）的围护支撑桩。

⑵：在围护桩顶设置与接触网基础相连的冠梁平台（5.0*5.0*1.25m），冠梁与接触网基础之间进行植筋，接触面凿毛，C35混凝土浇筑。

⑶：开挖过程中对露出的土体进行喷浆挂网支护

2.2围护支撑桩的安全检算

2.2.1、将最大悬臂与最大土侧压力的两个最不利因素结果，建立计算简图如下：

2.2.2、计算参数

内力计算方法 增量法

規范与规程 《建筑基坑支护技术规程》 JGJ 120-99

基坑等级 一级

基坑侧壁重要性系数γ0 1.10

基坑深度H（m） 11.000

嵌固深度（m） 9.000

桩顶标高（m） 0.000

桩截面类型 矩形

├桩高（m） 1.250

└桩宽（m） 1.250

桩间距（m） 1.650

混凝土强度等级 C30

有无冠梁 有

├冠梁宽度（m） 1.250

├冠梁高度（m） 1.250

└水平侧向刚度（MN/m） 274.722

放坡级数 1

超载个数 0

支护结构上的水平集中力 0

2.2.3、放坡信息

坡号 台宽（m） 坡高（m） 坡度系数

1 2.000 6.000 1.000

2.2.4、土层信息

土层数 3 坑内加固土 否

内侧降水最终深度（m） 12.000 外侧水位深度（m） 12.000

弹性计算方法按土层指定 无 弹性法计算方法 m法

2.2.5、土层参数

层号 土类名称 层厚 重度 浮重度 粘聚力 内摩擦角

（m） （kN/m3） （kN/m3） （kPa） （度）

1 杂填土 3.00 17.0 --- 35.00 16.00

2 杂填土 5.00 19.0 --- 28.00 0.00

3 杂填土 20.00 21.5 9.3 30.00 32.50

2.2.6、土压力模型及系数调整

弹性法土压力模型： 经典法土压力模型：

2.2.7、水平荷载

a、主动土压力系数：

Ka1=tan2（45°- φ1/2）= tan2（45-16/2）=0.568；

Ka2=tan2（45°- φ2/2）= tan2（45-28/2）=0.361；

Ka3=tan2（45°- φ3/2）= tan2（45-28/2）=0.361；

Ka4=tan2（45°- φ4/2）= tan2（45-32.5/2）=0.301；

b、土压力、地下水以及地面附加荷载产生的水平荷载：

第1层土：0 ～ 3米；

σa1上 = -2C1Ka10.5 = -2×35×0.5680.5 = -52.749kN/m2；

σa1下 = γ1h1Ka1-2C1Ka10.5 = 17×3×0.568-2×35×0.5680.5 = -23.789kN/m2；

第2层土：3 ～ 6米；

H2' = ∑γihi/γ2 = 51/19 = 2.684；

σa2上 = γ2H2'×Ka2-2C2Ka20.5 = 19×2.684×0.361-2×0×0.3610.5 = 18.413kN/m2；

σa2下 = γ2（H2'+h2）×Ka2-2C2Ka20.5 = 19×（2.684+3）×0.361-2×0×0.3610.5 = 38.992kN/m2；

第3层土：6 ～ 8米；

H3' = ∑γihi/γ3 = 108/19 = 5.684；

σa3上 = γ3H3'×Ka3-2C3Ka30.5 = 19×5.684×0.361-2×0×0.3610.5 = 38.992kN/m2；

σa3下 = γ3H3'×Ka3-2C3Ka30.5+γ'h3Ka3+0.5γwh32 = 19×5.684×0.361-2×0×0.3610.5+20×2×0.361+0.5×10×22 = 73.433kN/m2；

第4层土：8 ～ 14米；

H4' = H3' = 5.684；

σa4上 = γ4H4'×Ka4-2C4Ka40.5+γ'h4Ka4+0.5γwh42 = 21.5×5.684×0.301-2×30×0.3010.5+20×2×0.301+0.5×10×22 = 35.905kN/m2；

σa4下 = γ4H4'×Ka4-2C4Ka40.5+γ'h4Ka4+0.5γwh42 = 21.5×5.684×0.301-2×30×0.3010.5+20×8×0.301+0.5×10×82 = 372.023kN/m2；

c、水平荷载：

第1层土：

Ea1=h1×（σa1上+σa1下）/2=3×（-52.749+-23.789）/2=-114.806kN/m；

作用位置：ha1=h1（2σa1上+σa1下）/（3σa1上+3σa1下）+∑hi=3×（2×-52.749+-23.789）/（3×-52.749+3×-23.789）+11=12.689m；

第2層土：

Ea2=h2×（σa2上+σa2下）/2=3×（18.413+38.992）/2=86.106kN/m；

作用位置：ha2=h2（2σa2上+σa2下）/（3σa2上+3σa2下）+∑hi=3×（2×18.413+38.992）/（3×18.413+3×38.992）+8=9.321m；

第3层土：

Ea3=h3×（σa3上+σa3下）/2=2×（38.992+73.433）/2=112.425kN/m；

作用位置：ha3=h3（2σa3上+σa3下）/（3σa3上+3σa3下）+∑hi=2×（2×38.992+73.433）/（3×38.992+3×73.433）+6=6.898m；

第4层土：

Ea4=h4×（σa4上+σa4下）/2=6×（35.905+372.023）/2=1223.786kN/m；

作用位置：ha4=h4（2σa4上+σa4下）/（3σa4上+3σa4下）+∑hi=6×（2×35.905+372.023）/（3×35.905+3×372.023）+0=2.176m；

土压力合力：Ea= ΣEai= -114.806+86.106+112.425+1223.786=1307.511kN/m；

合力作用点：ha= ΣhiEai/Ea= （-114.806×12.689+86.106×9.321+112.425×6.898+1223.786×2.176）/1307.511=2.129m；

2.2.8、水平抗力计算

a、被动土压力系数：

Kp1=tan2（45°+ φ1/2）= tan2（45+28/2）=2.77；

Kp2=tan2（45°+ φ2/2）= tan2（45+32.5/2）=3.322；

b、土压力、地下水产生的水平荷载：

第1层土：5 ～ 10米；

σp1上 = 2C1Kp10.5 = 2×0×2.770.5 = 0kN/m；

σp1下 = γ1h1Kp1+2C1Kp10.5 = 19×5×2.77+2×0×2.770.5 = 263.133kN/m；

第2层土：10 ～ 16米；

c、水平荷载：

第1层土：

Ep1=h1×（σp1上+σp1下）/2=5×（0+263.133）/2=657.834kN/m；

作用位置：hp1=h1（2σp1上+σp1下）/（3σp1上+3σp1下）+∑hi=5×（2×0+263.133）/（3×0+3×263.133）+6=7.667m；

第2层土：

Ep2=h2×（σp2上+σp2下）/2=6×（0+263.133）/2=789.4kN/m；

作用位置：hp2=h2（2σp2上+σp2下）/（3σp2上+3σp2下）+∑hi=6×（2×0+263.133）/（3×0+3×263.133）+0=2m；

土压力合力：Ep= ΣEpi= 657.834+789.4=1447.234kN/m；

合力作用点：hp= ΣhiEpi/Ep= （657.834×7.667+789.4×2）/1447.234=4.576m；

2.2.9、弯距图

2.2.10、内力位移包络图：

2.2.11、整体稳定验算

计算方法：瑞典条分法

应力状态：总应力法

条分法中的土条宽度： 0.40m

滑裂面数据

整体稳定安全系数 Ks = 3.210

圆弧半径（m） R = 20.378

圆心坐标X（m） X = -0.125

圆心坐标Y（m） Y = 11.331

2.2.12、抗倾覆稳定性验算、

抗倾覆安全系数：

Mp——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。

Ma——主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

注意：锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。

工况1：

2.2.13、 嵌固深度计算

嵌固深度计算参数：

嵌固深度系数 1.200

抗渗嵌固系数 1.200

嵌固深度计算过程：

按《建筑基坑支护技术规程》 JGJ 120-99悬臂式支护结构计算嵌固深度hd值，规范公式如下

hp∑Epj - βγ0ha∑Eai>=0

β = 1.200 ， γ0 = 1.100

hp = 0.238m，∑Epj = 63.612 kPa

ha = 0.644m，∑Eai = 17.120 kPa

得到hd = 0.500m，hd采用值为：9.000m

当前嵌固深度为：0.500m。

依据《建筑基坑支护技术规程》 JGJ 120-99，

悬臂式及单点支护结构嵌固深度设計值小于0.3h时，宜取hd = 0.3h。

嵌固深度取为：3.300m<9m。

3、围护支撑桩施工

根据现场施工条件围护支撑桩采用人工挖孔桩。

3.1场地平整

平整场地、清除杂物、夯打密实。桩位处地面应高出原地面50厘米左右，场地四周开挖排水沟，防止地表水流入孔内。

3.2测量放样

根据设计图纸定出孔位，经检查无误后，由施工班组埋设十字护桩，十字护桩必须用砂浆或混凝土进行加固保护，以备开挖过程中对桩位进行检验。

3.3桩孔开挖

采用从上到下逐层用镐、锹进行开挖，遇坚硬土或大块孤石采用锤、钎及风镐等工具破碎，挖土顺序为先挖中间后挖周边，按设计桩径加40厘米控制截面大小。孔内挖出的土装入吊桶，采用带有制动刹车的提升设备将渣土垂直运输到地面，堆积到指定地点，防止污染环境。注意挖孔过程中，不必将孔壁修成光面，要使孔壁稍有凹凸不平，以增加桩的摩擦力。

3.4护壁施工

挖孔桩桩口上部2m范围为锁口，其下每2m一节为护壁，桩开挖2m后应立即施工锁口，每挖2m应及时施工护壁（若遇易坍塌的土质应缩短进尺），以确保安全。

3.5、钢筋的制作与安装

钢筋笼采用预制场加工，现场安装成型，钢筋笼定位时使钢筋笼中心与桩位中心重合。

3.6灌注砼

灌注采用孔内拼装导管进行浇筑。确保导管底口距浇筑面高度不超过2米以不发生离析。在向孔内倾入砼时，孔内作业人员应撤离到孔外。

4、冠梁施工

待围护桩达到设计强度75%后，施工围护桩顶与接触网基础相连的冠梁平台，冠梁与接触网基础之间进行植筋，接触面凿毛，C35混凝土浇筑。

5、锚杆挂网喷砼支护

根据地质条件及防护作用要求，本处基坑边坡支护采用锚杆挂网喷砼支护。锚杆采用φ22mm钢筋，每根锚杆长3.0m，水平及竖向间距1.5m；钢筋网采用Φ8@150×150cm钢筋网；喷砼采用C20砼，厚度8cm。

6、深基坑开挖

6.1基坑分层

围护挖孔桩段：根据土质情况确定分层开挖厚度，逐层开挖，每层开挖后立即施作桩间锚杆挂网喷浆支护，待砼终凝后再开挖下一层。

放坡开挖段：每层开挖垂直高度控制在2～3m左右，开挖后立即进行锚杆挂网喷浆支护，逐层开挖，逐层支护。

6.2每层分块

每层分段分块开挖，或左右侧交错开挖，以保证基坑无支撑暴露长度控制在一定的范围内，同时可以保证基坑能够连续施工，不至于由于等待砼支撑养护而延搁工期。

12～14节施工平面图

防护桩部分开挖断面图

7、沉降及变形观测

7.1基坑边坡稳定性变形观测

由于基坑开挖深度较深，为及时掌握边坡稳定与否，是否影响附近结构物或既有线行车安全，在基坑坡顶外50cm处设位移观测桩，既有线侧每5m设一观测桩，其它侧边坡每10m设一观测桩。观测桩采用直径20mm钢筋砼包桩，钢筋头顶设“十”字线，方便测量。位移桩前一周每天测量一次，以后测量1-3次/周，做好测量对照记录表，及时掌握边坡动态情况。如发现累计位移量大于20mm或日位移量大于5mm及裂纹产生，应及时分析原因，及时加固边坡处理，保证既有线边坡稳定。

7.2既有线轨面沉降观测

在基坑边坡对应处既有线内侧轨面设沉降观测点，在基坑中心对应点及两端各设一点，间距约5m，用红油漆在钢轨侧边标注。沉降观测点前一周每天测量一次，以后测量1-3次/周，并做好对照记录表。同时，对该段线路几何形态进行检查，如发现偏差过大，超过允许值，应及时采取措施进行线路维护，确保线路状态良好，保证行车安全。

7.3围护桩沉降及位移观测

在围护桩顶设观测桩，采用带“十”字线钢筋头预埋桩顶，作为测量用。桩顶沉降观测基坑开挖期1次/日，结构施工期1-3次/周；桩顶水平位移观测基坑开挖期1-2次/日，结构施工期1-3次/周。当监测数据接近报警值时，立即启动应急预案采取措施保证围护结构的稳定。

8、12-14节框架桥施工及回填

按框架桥施工方案进行钢筋、模板、混凝土浇筑施工，达到强度后对基坑进行回填处理。

9、结束语

在邻近既有线进行深基坑开挖作业时，灵活应用围护桩对邻近既有线重要构造物进行加固围护，能够在保证既有线路营运安全及施工安全的同时，大大减少生产成本的支出。