顶进箱涵钻孔桩加固后背梁设计

徐　新，申　昊

(1.中交隧道工程局有限公司，北京　100102；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京　100037)



顶进箱涵钻孔桩加固后背梁设计

徐新1，申昊2

(1.中交隧道工程局有限公司，北京100102；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037)

摘要：既有铁路顶进箱涵时需要可靠稳固的后背设备。当施工空间限制或箱涵顶进力过大时，常见后背形式不能满足稳定性及结构强度要求，需要在后背设备下加设钻(挖)孔桩加固。对钻(挖)孔桩加固后背设备的计算方法进行探讨，对某实际工程进行了验算，可用于指导设计施工。

关键词：顶进法；后背；钻孔桩；加固设计

1概述

既有铁路顶进箱涵时需要可靠稳固的后背梁设备，它承担着顶进时的水平顶力，要求有足够的稳定性和刚度。常用的后背形式有桩板式后背、重力式后背、拼装式后背。重力式后背通常采用浆砌片石或钢筋混凝土，由于材料来源广泛，建造方便，应用最为广泛，但当施工空间限制或箱涵顶进力过大时，常见重力式后背不能满足稳定性及结构强度要求。桩板式后背可以承受1 000～15 000 kN/m的顶力，但桩板式后背需要占用大量钢材，并且需要打桩设备，一般情况下造价很高。实际工程实践中，当重力式后背设备限于场地条件、顶进推力不能满足箱涵顶进的要求时，往往通过在后背设备下加设钻(挖)孔桩进行加固来满足强度、刚度、稳定性要求。这种钻(挖)孔桩——后背梁结构体系在箱涵顶进施工中应用逐渐增多，但对其设计、检算方法尚缺少系统研究，多根据经验判断。本文对钻(挖)孔桩——后背梁结构体系的验算方法进行探讨，提出切实可行的验算思路，可用于指导设计施工。

2工程背景及后背概况

新建道路下穿某既有铁路站场，依据设计公路纵断面，设计顶进箱涵全长24 m，参考现场顶进设备，原设计采用分节顶进方案，全涵共划分为3个箱涵节段，采用中继间法顶进。

但实际施工中，为减小工作坑开挖、放坡对车站设备及生活用房的影响，管理方要求对原重力式后背予以改进优化，减小尺寸或采用桩板式后背。考虑现场设备及施工条件，最终决定对顶进后背采用钻孔桩加固以减小后背梁尺寸及基坑开挖面积。顶进后背下部结构采用6根10 m深直径800 mm的钢筋混凝土灌注桩作为后背基础，上部结构采用钢筋混凝土后背，尺寸为9.6×2.7×2 m。为保证分配梁抗剪，采取下部埋深1.2 m，滑板上1.5 m高的结构布置方式，分配梁与滑板整体浇筑。顶进后背布置及工作坑情况详见图1。

图1　后背梁及桩基加固布置

3结构受力分析

(1)框架最大顶力计算；

(2)后背结构整体稳定性验算；

(3)后背梁内力计算；

(4)桩基结构内力计算；

(5)桩身及后背梁强度验算。

3.1后背结构整体稳定分析

后背结构整体稳定性验算应当对两个主要施工阶段进行检算：(1)基坑开挖后尚未施加顶进力时稳定验算；(2)相对最大箱涵顶力时后背结构稳定验算。由于桩基长细比较小，通常可以采用刚性桩假定，计算简图分别如图2所示。

图2　后背整体稳定验算图示

由于后背梁仅1.5 m位于地面以上，桩身及后背梁多嵌固于地面以下，图示a)工况不控制设计，仅对b)中参数详细介绍。

(1)Pmax——最大顶力，参考《桥规》。

Pmax=K[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef2+RA]

根据本工程实际参数计算得到，Pmax=32 652 kN。

(2)Ep——后背承担被动土压力合力。

假设后背梁、桩基与填土间内摩擦角为0，依据朗肯被动土压力理论,基坑开挖6 m，桩基长度10 m时有。

后背梁被动土压力合力

EP1=B×H×0.5×(e1+e2)

桩基被动土压力合力

EP2=N×b0×L×0.5×(e1+e2)

为了保证最大顶推力时，后背结构不发生整体稳定性破坏，需要同时满足下列两个条件

Ep1+Ep2=39 750 kN>Pmax+Ea1

Ep1h1+Ep2h2=325 732 kN·m>Pmaxh3+Ea1h4

h1～h4分别为合力作用点至桩底截面距离。

3.2钻孔桩——后背梁体系传力途径

后背梁与桩基组成了空间结构，建立空间分析模型进行后背梁及桩基检算计算复杂，且计算内力对土层参数的敏感性较强，甚至偏于不安全。通常采用如下简化分析方法。

与重力式后背结构不同，由于轻型后背梁截面尺寸较小，在水平面内，后背梁可简化为弹性支撑在桩基顶部的连续深梁，将最大顶力传递至桩基顶部。

竖向平面内，桩基可以简化为群桩受力体系，此时后背梁可以简化为作为群桩系统的承台。简化后的两个验算体系如图3所示。

图3　后背梁水平面内受力简图

3.3后背梁内力计算及强度验算

由于实际施工中，顶进设备后设置刚度较大的顶铁，Pmax近似均匀传递至后背梁上，如图3。

对图4-a所示结构计算内力，得到分配梁横向弯矩M=8 946.1 kN/m。主筋N1钢筋选用φ28@100，采用容许应力法截面检算。

受拉钢筋重心处应力为

σg=281.5 MPa<[σs]=297.0 MPa

混凝土最大压应力为

σh=7.1 MPa≤[σb]=14.3 MPa

3.4桩基内力计算及强度检算

后背梁桩基检算是分配梁——钻孔桩体系计算验算中的重点，依据现有收集到的资料，此类工程多采用刚性桩体系思路进行桩基内力计算及配筋设计。随着土力学及桩基工程的发展，这种设计思路暴露出越来越多的缺陷，现行国家标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120-2012引入考虑土的弹性抗力的弹性桩计算方法进行基坑支护结构设计。本工程采用弹性桩内力计算思路进行桩基计算是必要的。

竖向平面内，上部分配梁作为桩基系统的刚性承台，将6根钻孔桩结合成为群桩，共同承担水平向的最大顶推力，内力及变形趋势如图4。

计算简图4中，单根桩基水平弹簧刚度

Kh=mhb0Δh

图4　水平顶力作用下群桩模型及变形

其中：m为地基系数的比例系数，同时考虑《铁路地基和基础设计规范》中的构件折减系数k；b0为桩基计算宽度0.9×(d+1)；h为水平地基弹簧中心距原地面点距离；Δh为上下两层弹簧中心间的高差。

同时应考虑承台侧面及承台底土弹簧产生的对承台的弹性反力的有利作用

Ph=khΔ

其中Δ为承台(分配梁)中心水平位移。并且Ph不应大于后背梁承担的最大被动土压力Ep1。

由图4所示，实虚线分别为变形前后的后背梁及桩基，仅在水平顶力作用下，桩基不仅产生顺顶力方向的桩身弯曲，基坑内侧桩基尚且产生了较大的上拔力。此时A桩不应被拔出地面，成为后背梁——钻孔桩体系整体稳定的控制条件。对于本工程，当顶推力达到最大时，即有Pmax=38 652 kN，A桩桩顶及桩身截面内力如下。

表1　顶进荷载荷载A桩身内力表

由于A号桩仅在施工短期荷载下存在上拔力，工程中常用Nmin<(1.2～1.4)[P拉]作为桩基施工阶段不被拔出的条件，本文推荐采用该标准作为后背梁——钻孔桩体系不发生整倾覆稳定破坏的条件，本工程。

1.2[P拉]=1.2×0.3U∑αifili=1 520kN>Nmin

因此后背梁不发生稳定破坏。

得到桩身内力N及M后，采用容许应力法进行截面配筋设计，由于此类结构体系产生桩身弯矩大，实际设计中普通采用2～3根钢筋组成的束筋，必要时可以采用旧钢轨插入桩身，保证桩身足够的强度，对于本工程最不利截面位于桩顶

σg=291.5 MPa<[σs]=297.0 MPa

4结论

(1)钻(挖)孔桩加固分配梁方案作为框架桥顶进时的后背设施具有施工便捷，场地开挖面积小，单位长度提供顶力大的优点，可以广泛应用于既有铁路箱涵的顶进施工。

(2)分配梁——钻孔桩后背体系需要满足两类稳定性，即：最大顶力作用不大于桩后提供足够被动土压力，基坑外侧不发生土体破坏；最大顶力作用下钻孔桩不发生抗拔破坏，后背体系不产生整体倾覆。

(3)后背梁既作为挡土墙承担被动土压力，同时作为桩基分配梁，处于双向受力状态。

(4)竖直平面内桩基系统的内力计算采用考虑土的弹性抗力的弹性桩计算方法，可以依据规范查表采用解析法完成或通过图4有限元模型直接求解。

参考文献：

[1]彭新发. 利用挖孔桩固定后背横梁顶进箱涵[J].铁道建筑,1995,(8):20-22.

[2]建筑基坑支护技术规程(JGJ 120-2012)[S].中国建筑工业出版社,2012.

[3]铁路桥涵地基和基础设计规范(TB 10002.5-2005)[S].中国铁道出版社,2005.

收稿日期：2015-09-28

作者简介：徐新(1963-)，工程师。

中图分类号：U442

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)05-0107-02