U形槽及锚索排桩结构在下穿铁路工程中的应用

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

随着城市建设的发展，市区内既有建、构筑物愈发密集，铁路工程引进市区面临着用地紧张、空间受限等问题。在空间受限及邻近既有建、构筑物的情况下，若动车走行线、疏解线等配套线路能够采用小角度下穿客专正线的方案，对减少工程投资、节约城市用地有着重要的意义。某铁路客运专线工程采用U形槽[1-3]及锚索、排桩结构解决了受限空间条件下，其它铁路以小角度下穿客专正线的问题，可为以后类似工程提供一定的参考。

1 工程概况

某铁路枢纽工程新建多线并行地段(包括动车左线、客专正线、动车右线及疏解线)位于城市市区，线路附近既有建、构筑物密集，留给铁路的建设用地十分紧张。其中动车左线及疏解线位于既有铁路与新建客专正线之间，受既有线及用地边界限制，走行线左线及疏解线需以约14°的小角度下穿客专正线。线路平面如图1所示。

工程所在区域为冲洪积平原，地形较平坦，地势起伏不大，多为城市用地。沿线房屋、道路较多，左侧为既有铁路。地下水类型为第四系孔隙潜水，含水层主要为粉土和砂类土。勘测期间地下水位埋深为2.80～4.90 m，水位随季节变化幅度为2～4 m。地震动峰值加速度为0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。地层情况如表1所示。

2 工程设计方案

2.1 设计方案概述

动车左线与疏解线以小角度下穿京沈正线的挖方路基，其设计难点为：①路基位于既有铁路与新建客专正线之间，路堑无法采用放坡设计，需设置支挡结构收坡。②地下水位较高，线路为“V”字形纵坡设计，采用渗水盲沟排水困难。③临近既有运营铁路，施工过程中不能采取降、排水措施，以免引起既有线沉降变形。

U形槽结构具有两侧支挡的功能及优良的封闭止水特点，可以较好地解决空间受限及排水困难等问题。采用动车左线与疏解线两线分槽的方案，可避免设置抗浮桩，减少施工工序，降低工程费用。

本段路基左侧为既有运营铁路，U形槽基坑左侧采用锚索排桩方案围护，既能保证既有线正常运营，又可避免设置内支撑影响坑内施工。右侧为新建客专正线，U形槽基坑采用放坡挂网喷浆方案，后期回填级配碎石后，再进行客专正线路基施工。

图1 工程平面示意(单位：m)

表1 地层及计算参数

U形槽采用C40防水钢筋混凝土浇筑，边墙顶宽0.3 m，边墙外侧坡率为1∶0.15，内侧垂直。结构底板以下设置0.15 m厚C20混凝土及0.5 m厚碎石垫层。

基坑左侧边坡采用C30钢筋混凝土排桩支护，钻孔桩直径为1.2 m，间距为1.5 m，桩长8.0～18.0 m。桩顶设置C30钢筋混凝土冠梁，冠梁宽1.2 m，高1.0 m。基坑挖深大于5.5 m时，距桩顶以下3.5 m处设置C30钢筋混凝土腰梁，腰梁宽0.5 m，高0.6 m。冠梁及腰梁上设置可拆卸预应力锚索，锚索横向间距为1.5 m，竖向间距为3.0 m。锚索直径为0.3 m，锚索长18.0～24.0 m。排桩后设置旋喷桩止水帷幕，旋喷桩桩径0.6 m，间距0.4 m，咬合0.2 m，桩端进入不透水层。U形槽及锚索排桩结构如图2所示。

图2 U形槽及锚索排桩结构示意(单位：m)

2.2 锚索排桩结构设计计算

一般包括结构内力、变形计算及稳定性验算两大部分内容。锚索排桩结构一般可采用平面杆系结构弹性支点法进行分析[4]，计算过程中需考虑各阶段施工工况，并按最不利工况进行结构设计。锚索排桩稳定性验算包括整体滑动稳定性验算及抗倾覆验算等。整体稳定性可采用瑞典条分法计算。采用的抗倾覆安全系数公式为

(1)

式中，Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

结构分析及稳定性验算可按照《建筑基坑支护技术规程》[4]中的相关要求执行。为防止施工排水引起的地面沉降，于既有线侧设置旋喷桩止水帷幕。计算参数如表1所示，锚索排桩计算模型如图3所示。

图3 锚索排桩弹性支点法计算模型

锚索排桩结构内力及变形计算结果如表2所示。

表2 锚索排桩内力及变形计算

2.3 U形槽结构设计

U形封闭结构一般将边墙简化为悬臂结构，底板则按照弹性地基梁考虑[5]。U形槽主要荷载有结构自重、土压力、水压力、列车荷载、基底反力等，水压力可按静水压力计算。设计中应考虑水位变化情况，按最不利工况计算水压力及浮力。U形槽基底分布有松软土时，应对地基承载力及沉降进行验算，不满足条件时应采取地基加固措施。U形槽基底承载力验算及沉降值计算可参照《建筑地基基础设计规范》[6]中的规定执行，工后沉降应满足《铁路路基设计规范》[7]中的相关要求。

U形槽应进行抗浮稳定性验算。目前，有多部国家标准涉及到结构抗浮验算的内容，且不同规范对抗浮验算的规定不尽相同[8]。《地铁设计规范》中规定：当不计地层侧摩阻力时不应小于1.05，当计入地层侧摩阻力时，可采用1.10～1.15的抗浮安全系数[9]。当建筑物位于粉土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基时，按设防水位的100%计算浮力；当建筑物位于节理裂隙不发育的岩石地基时，按设防水位的50%计算浮力；当建筑物位于黏性土地基时，其浮力难以确定，应结合地区的实际情况综合考虑[10]。抗浮力一般有结构及轨道恒载自重、结构上覆土自重、以及结构侧壁摩阻力，其它抗浮措施附加力等。

U形封闭结构抗浮计算如下

(2)

式中，G为U形槽结构及地板悬挑以上土体自重；f为U形槽侧壁摩阻力；Gf为其它抗浮措施附加力；η为浮力折减系数。

U形槽防水等级一般为二级，不允许漏水，可有少量湿渍，结构主体一般采用防水混凝土浇筑，抗渗等级一般为P6或P8。外包防水层一般采用高分子防水卷材，施工缝可采用钢边橡胶止水带止水，变形缝一般采用钢边橡胶止水带及外贴式止水带止水。U形槽结构计算模型如图4所示。

图4 U形槽结构计算模型

U形封闭结构内力及变形计算结果如表3所示。

表3 U形槽结构内力及变形计算

3 结束语

U形槽结构具有刚度大、变形小、稳定性好、收坡防水效果优良等特点，特别适用于地下水丰富、放坡条件受到限制的挖方路基地段[11]。U形槽结构受力较为复杂，主要有水土压力、列车荷载、自重荷载、浮力、基底反力等。计算时需要考虑地下水位的变化、列车通过情况、施工及运营等多种工况。

锚索、排桩结构控制变形效果较好，施工机械体积较小，适合在空间受限的既有线附近作业。计算时应注意施工、临时荷载，施工工序等对结构受力的影响。

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[6] 中华人民共和国住房与城乡建设部.GB 50007—2011 建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011

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