浅谈铁路桥梁工程流砂地带挖井基础施工技术研究

努尔麦麦提·阿卜杜拉

中国水利水电第八工程局有限公司

浅谈铁路桥梁工程流砂地带挖井基础施工技术研究

努尔麦麦提·阿卜杜拉

中国水利水电第八工程局有限公司

桥梁建筑是确保铁路运输安全生产畅通无阻的重要基础设备之一，随着机车轴重不断增加、列车速度不断提高，对桥梁建筑设计的要求也越来越高。本文通过结合铁路桥梁流砂地带挖井基础施工实例，对挖井基础施工工艺进行详细阐述，为同类工程提供参考价值。

铁路桥梁；流砂地带；挖井基础；施工技术

引言

我国铁路网日益完善，铁路桥梁的建设数量和规模都在不断扩大。在铁路桥梁基础中，挖井基础占据着重要地位，这样就需要充分运用好挖井基础施工技术，有效保障铁路桥梁工程施工的顺利进行，保证施工质量。挖井基础施工时，施工难度就在于坑壁的处理，若处理不妥，将严重影响基坑的施工质量、安全及工程进度。因此，在基础基坑，尤其是流砂地带含水丰富地区的基坑施工中必须采取合理有效的方法防止流砂并排出基坑内及周围土体中多余的水。为达到质量目标，宜采用井点降水施工法、护壁支护法，其成本较低、工艺简单，且容易进行施工操作。

1 工程实例简介及施工方案

1.1 工程简介

挖井基础是先挖好井孔再浇筑混凝土而形成的深基础，它的功能和沉井基础一样，而主要区别在施工方法。挖井基础施工，是用机械配合人工修整的方式开挖井孔，穿过软土层到达能胜任上边荷载的持力层上。这种开挖工作一般用木板、钢板做支撑或用钢筋混凝土护壁支护。

流砂是土体的一种现象，通常细颗粒、颗粒均匀、松散、饱和的非粘性土容易发生这个现象。流砂的形成是多种多样的，但它对建筑物的安全和正常使用影响极大，可以通过预防等手段制止流沙现象。

当基坑开挖到地下水位以下时，有时坑底土会进入流动状态，随地下水涌入基坑，这种现象称为流砂现象。此时，基底土完全丧失承载能力，施工条件恶化，严重时会造成边坡塌方，甚至危及邻近建筑物。

随着我国国民经济的发展，不仅要选择在地质条件好的场地上从事建设，而且有时不得不在地质条件不良的地基上进行施工；另外，随着科技的日益发展，结构荷载增大，对变形要求越来越严，因此必须要选择最恰当的地基处理方法来施工。

某特大桥共有118个桥墩(台)，桥梁基础形式有钻孔桩、明挖基础和挖井基础三种类型，其中挖井基础采用的是矩形挖井基础，结构尺寸13m×7m、12.5m×7m(长×宽)，高4m～5.5m。本区段地层岩性主要为表覆第四系全新冲积层粉质黏土、粉土、淤泥质粉质黏土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂、细圆砾土，下伏中生代燕山晚期侵入二长花岗岩及闪长岩

本文主要以该特大桥48#墩挖井基础为例，其结构尺寸为13m×7m×5m(长×宽×高)。基础施工过程中发现实际地质条件与地勘中阐述出入较大。由于施工场地处老河道地带，原地块为农业用田，而且在试挖时发现地下水相当丰富，又遇到了细砂、粉砂土层，在水压力的作用下，极易发生流砂现象。整个挖井基础开挖环境相对比较恶劣。根据现场实际情况，为确保施工作业人员安全、确保挖井基础施工成型质量，以及根据挖井基础施工规程及我公司以往施工类似工程经验，结合现场实际情况采取切实的应对方案。

1.2 施工方案

挖井基础采用钢筋混凝土护壁，必须垂直开挖，严禁采用机械放坡施工。用挖机进行垂直分层开挖，人工配合修整，每次开挖深度1～1.5m，然后立模板施做钢筋混凝土护壁；护壁采用C20混凝土，当强度满足要求后，再开挖下层土石方。开挖到设计标高，基底检验合格，并完成护壁施工后，进行挖井基础钢筋及墩身预埋钢筋绑扎安装，最后浇筑挖井基础混凝土，挖井基础混凝土施工时不立设模板。

2 施工工艺及技术

2.1 施工准备

首先，施工技术人员认真对施工设计图纸进行复核，包括基础各部位尺寸、标高进行现场核对，包括原地面标高以墩位环境。根据实际地质情况与周围环境情况，制定具体开挖方案，绘制墩位基坑开挖方案图，指定弃土位置并规划回填土堆放地点与后续工序(钢筋、模板的转运与混凝土的浇注)的工作平台，落实生产用水的来源。

其次，进行场地平整，铲除松软的土层并夯实；测量放样定出挖井基础准确位置并设置护桩，护桩采用木方桩外包混凝土形式埋设稳固，以供随时检测基础中心和标高；基坑四周挖排水沟，做好排水系统，及时排除地表水；安装提升设备；布置好出渣道路；合理堆放材料和机具，使其不增加井壁压力、影响施工。

2.2 基坑开挖及护壁施工

基础开挖采用垂直开挖、边挖边护的开挖方式。护壁厚度一般是根据土层岩性确定，然后按照基础尺寸及护壁厚度，确定基础开挖平面尺寸。护壁从设计挖井基础顶面标高处开始施工，顶面以上放坡开挖，边坡坡度根据具体土质情况取值为1：1～1：0.5，并在锁扣处预留50cm工作平台。根据现场实际情况并结合设计图纸，基坑护壁厚度设为50cm，因此开挖尺寸要比设计尺寸每边外扩50cm，以保证护壁施工。挖掘时，不必要把护壁岩层修整成光面，使岩层稍有凹凸不平，可以增加摩阻力，使护壁更加稳固。

开挖采用挖掘机开挖配合人工修整的方式。挖掘机开挖基坑中心部分，靠近井壁四周约 30cm 的范围采用人工开挖修整，可以减少超挖，同时较易控制井壁垂直度。基坑开挖与护壁连续交替作业，每节开挖深度为1.5m，开挖后立即进行护壁作业，以免基坑侧壁长时间暴露或其他情况扰动造成坍塌。开挖完成后进行测量复核，井口平面尺寸、偏差和井壁垂直度符合设计及规范要求后立即进行锁口和护壁混凝土施工。护壁采用C20混凝土，内配置钢筋网片，以增加护壁的强度和稳定性。

在上一节护壁强度达到要求后，再进行下部开挖，开挖时注意机械避免碰触施工完成的护壁。开挖时长度方向可分段开挖，每挖一段及时绑扎钢筋、立模板浇筑混凝土护壁，以防侧壁坍塌。深度开挖较深时，采用长臂挖机施工，提高工作效率。挖掘机开挖至离基底设计标高10cm～20cm时，采用人工清至设计标高。

在开挖的过程中要做好排水措施，在开挖基础的附近处，设置集水井，用吸砂泵或离心式水泵不停的向外排水，集水井的设置位置要根据基坑平面开头与大小、土质与地下水位的高度与流向、降水深度等决定，设置在地下水流的上游一侧。整个抽水过程要持续到土方和基础施工结束时为止。

2.3 护壁验算

挖井基础结构高度为4～6m，基础顶面以上表土在0.5～1m左右。井壁支护开挖到设计标高，每段的井壁都受到各自的最大水平侧压力，同时产生最大水平内力。为保证施工安全，通常取每段井壁受力最大的单位高度(即每段井壁最下部的1m)进行计算。此处计算选取最深一段底部1m进行计算。

参数选取：由于基础处于砾石、细砂土区域，故土的重度取γ=19KN/m3，内摩擦角φ=30°，粘聚力c=30Kpa，48#墩基础就够尺寸13m×7m×5m(长×宽×高)，故基坑开挖深度取H=5m，选取最大基坑尺寸13m×7m。

支护稳定性设计计算如下：

地面附加荷载土压力按下式计算：

式中：

经计算得：

图a地面附加载压力受力图

图b井壁内力受力图

1、井壁支护内力计算

1)井壁支护水平内力计算

最底部1m按受力最大的单位高度井壁计算，则q=57.98KN/m3；

式中：a——井壁短边(m)；

b——井壁长边(m)；

(2)跨中

(3)跨中

2)井壁的垂直受力计算

(1)井壁按照等截面方式计算

式中：Smax——最大拉力；

G0——井壁自重；

2、井壁支护截面验算

1)侧向压力作用下井壁支护强度验算

井壁支护在侧向压力作用下，截面上同时作用有轴向力N和弯矩M，井壁采用对称配筋。

选取长边受压截面计算，b=1000mm，h=500mm，as=as`=40mm，h0=h-as=460mm，fcm=10.0N/mm2，fy= fy`=360N/mm2，结构系数rd=1.2。

式中：b、h——井壁计算截面的单位宽度和高度度；

as、as`——受拉和受压钢筋保护层；

h0——井壁计算截面的单位宽度；

fcm——混凝土弯曲抗压强度设计值；

fy、fy`——钢筋抗拉、抗压强度设计值；

As、As`——钢筋面积c㎡；

e——轴向力作用点至受拉钢筋合力点的距离，

故

选取双向C12@150钢筋。

2)井壁支护垂直受拉钢筋计算

井壁支护在最大竖向拉力作用下需配置竖向钢筋，可按轴向受拉构件，钢筋需要截面积AS为：