高地下水位流砂地层顶进框架桥设计

李颖

摘 要：结合北海市内涝整治（二期）工程——铁路北侧排水明渠西段II标下穿铁路框架桥的设计方案、施工中出现的一些问题及处理方案、施工运营效果，介绍了高地下水位流砂地层顶进框架桥所采用的基坑支护结构及止水帷幕设计方案、铁路加固人工挖孔桩施工期止水措施、顶进就位后铁路路堤回填恢复方案及基坑止水帷幕渗水应急处理措施，可供以后相似工程借鉴。

关键词：顶进 框架桥 流砂 高地下水

中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（c）-0086-03

1 工程概況

北海市内涝整治（二期）工程——铁路北侧排水明渠西段II标下穿进港线铁路框架桥位于北海市西藏路铁路平交道口处，与铁路交角为90°，交叉处铁路里程为K2+010。框架桥长20m，宽18m，采用2～8×4.5m双孔连体箱式结构，结构顶、底板及中墙壁厚均采用0.7m，顶板与边墙间设1.5m×0.5m倒角，底板与边墙间设0.3m×0.5m倒角。北海进港线铁路为地方I级单线电气化普速铁路，有砟轨道，轨底距框架桥顶板覆土厚4.1m。因铁路北侧为花鸟市场及商品房，距铁路较近，铁路东南侧为单层厂房，厂房围墙距渠道中线14.71m，西南侧立有一根墩海线高压塔，其上设置两条220kV同杆同塔输电线路，距渠道中线21.3m，故将顶进工作坑设置于铁路南侧，两侧基坑对高压塔及厂房设置支护。

2 地质概况

钻探揭示桥位及工作坑处地层从下至下依次分布为：素填土（约0.5m厚）、上层粉质黏土（约4m厚）、砾砂（约5m厚）、下层粉质粘土（约2m厚）、粗砂层。场地内地下水为孔隙水，局部具有承压性，承压水头约0.5～1m，属中等富水，水量较丰富，水位埋深约3.5～5.0m，水位位于砾砂层。框架桥及工作坑基底位于下层粉质粘土层上，但工作坑开挖需穿越富水砾砂层，施工需采取降水或止水措施。

3 铁路加固方案

3.1 设计方案

为保障铁路正常运行，框架桥施工期间采用12m+24m+12m三孔D便梁进行加固，并对铁路限速45km/h。因便梁基础距离铁路中心线距离仅2.3m，上方为铁路接触网，无法采用钻机机械施工，故D便梁基础采用D=1.5m人工挖孔桩基础，其中中跨挖孔桩桩长19m，边跨挖孔桩桩长12m。人工挖孔桩设置15cm厚钢筋混凝土护壁，桥址范围地下水位较高，护壁按0.3～0.5m一节短进尺开挖。

3.2 施工效果

当挖孔桩开挖到地面下4m左右时，出现严重流砂情况，估计流砂量每分钟达到0.1m3，每开挖一段还没等护壁浇筑好流砂就涌入桩孔内，导致施工无法按原计划进行。因便梁支墩只能采用人工挖孔，而场地处铁路、建筑、管线较密集，若采用大规模降水措施容易导致铁路或其他建筑物沉降，故经研究将流砂层内挖孔桩护壁改为打入钢护筒形式，于铁路行车间隙打入，有效解决了孔壁塌孔问题。

4 基坑支护方案

4.1 基坑支护方案

受渠道标高控制，工作坑需于原地面下挖10m，其东西两侧分别为厂房及110kV高压塔基础，在预制框架结构边缘预留1m宽施工操作空间及1m宽排水沟空间后，工作坑内侧与厂房围墙边缘净距仅为3.1m，与高压塔基础中心距离仅为10.6m，已无放坡开挖条件，必须按要求设置支挡结构。因工作坑附近的高压塔为整个北海市电力供应的主线路之一，若基坑支护结构失效导致输电杆倾斜超限，将严重影响北海市居民正常的生产生活。故支护结构必须按安全等级一级设计，根据《建筑基坑技术规程》（JGJ-2012）的相关要求，本基坑采用排桩+内支撑结构支护（见图1）。

排桩采用φ1.0mC30钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩间距1.2m，桩顶设置C30钢筋混凝土冠梁，冠梁内侧设置φ609mm钢管支撑，壁厚12mm，支撑间距3m，钻孔桩平均桩长20m。

4.2 基坑止水方案

工作坑范围内地下水位较高，砂层含水呈饱和状，在人工开挖基坑深度超过地下水标高进入砂层后，砂层里的孔隙水从基坑壁向基坑内流出，同时带走细颗粒的粉细砂，易形成流砂影响砂层基坑壁的稳定。而场地处建筑物、铁路及管线密集，无法采用大面积降水将场地地下水降至基坑底面以下。为保证施工期基坑安全，工程采用高压旋喷桩与灌注桩咬合作为基坑止水方案。

灌注桩间设φ0.6m旋喷桩，与灌注桩共同组成止水帷幕，旋喷桩桩间距1.2m，灌注桩范围外由旋喷桩单独为防止顶进过程中流砂严重造成路基坍塌，止水帷幕范围应延至铁路对侧，包住顶进就位后框架桥范围，旋喷桩应伸入下层黏土层不小于3m。因地下水位位于地下4m左右，故铁路道床范围内旋喷桩机难以施工部分，先于铁路路基边坡上按1.5m间距梅花状布设注浆孔对富水砂层土体注水泥浆固结，再待D便梁加固铁路后，开挖至砂层顶面，采用小型旋喷桩基于D便梁下方施作旋喷桩，将铁路两侧止水帷幕连为一体。

4.3 设计预计位移

根据上述设计方案及地层特性采用理正岩土软件对工作坑基坑稳定进行检算，预计工作坑最大水平位移为18.29mm，位于地表以下3.82m处，最大沉降采用抛物线法计算结果为20mm，发生于基坑边缘7m处，如图2所示。

4.4 施工问题

在开挖期间，西侧支护桩距地面8m左右出现了2处渗水点，东侧支护桩距地面8m左右出现了4处渗水点，渗水点均位于灌注桩间的旋喷桩位置。开挖至底部时，东侧支护桩靠近基坑底部位置突发喷射性涌砂，导致靠厂房角地面出现一个直径约3m，深度约3m的土坑，基坑东侧的支护桩发生位移，位移40mm，远超设计位移限值。赶赴现场后发现，施工单位在打设灌注桩及旋喷桩后，未施工冠梁及钢支撑就已开挖至基坑底部。

4.5 病害原因分析

4.5.1 旋喷桩止水帷幕漏水的原因

（1）框架桥所处地层为第四系宾海沉积层，地质复杂，砂层、黏土层的层次、层深、厚度变化大，对旋喷桩施工质量有影响。

（2）旋喷桩较长，地质复杂，使施工中有时难以控制旋喷桩垂直度等因素，造成旋喷桩与混凝土灌注桩未能充分咬合，导致止水帷幕漏水。

（3）施工单位为赶工期未按设计图纸施作内支撑便开始开挖至基坑底，缺少内支撑的约束作用后，导致基坑围护桩在土压力作用下水平位移大为超过设计允许位移，加之各桩缺少桩顶冠梁的整体约束作用，水平位移不一，相互错动，造成旋喷桩与灌注桩间出现间隙，导致止水帷幕漏水。

4.5.2 地面沉陷的原因

场地地下水位较高，砂层厚度大，含水饱和。地下水在止水帷幕缝隙或裂隙处渗漏或流出，形成流水通道携带泥砂涌出，致使土层中形成空隙或空洞，导致地面塌陷。

4.6 施工补救措施

（1）马上回填基坑至桩顶冠梁高程，防止基坑水平位移进一步扩大。

（2）及时施工桩间支撑并施加预加轴力，旋喷桩需待支撑施做完毕并施加图纸中预加轴力后方可施工，东侧基坑需待旋喷桩施工完毕后方可注浆。

（3）东侧基坑外侧于已施工的旋喷桩止水帷幕外侧再增设一排高压旋喷桩加强止水，桩间及桩与已施工的止水帷幕结构间相互咬合。

（4）东侧基坑于增设的旋喷桩外侧已塌陷及已开裂部分土体采用水泥-水玻璃双液注浆固结，注浆孔按间距1.5m梅花状布置。

（5）西侧基坑于渗漏点附近采用水泥-水玻璃雙液注浆固结土体，以堵住渗漏点，注浆孔按间距1.5m梅花状布置。

5 铁路路基恢复方案

5.1 路基恢复方案

框架桥顶进完毕后两侧超挖段铁路路堤因钢轨下方机械无法进入碾压，采用常规填料难以碾压密实，为防止因填料不密实而出现铁路沉降等问题，对超挖或施工扰动部分的铁路路堤需采用注浆加固。预制框架时，应于边墙及顶板预留注浆孔，注浆孔直径为50mm，如注浆孔与框架钢筋相碰，可适当移动注浆孔的位置，注浆结束后用M10微膨胀水泥砂浆封堵。注浆压力在0.3～0.5MPa之间，浆液采用纯水泥浆，水灰比为1∶1。

5.2 施工效果

采用注浆方案恢复铁路路堤，施工简便，使用效果较好。本项目于2015年年底竣工，至今3年来，未见桥位附近铁路线路出现沉降病害问题。

6 结语

随着我国城市化建设的发展，道路、排水及其他市政设施穿越铁路工程也愈加常见，其中大部分市政工程下穿铁路所采用的均为顶进框架桥（涵）结构。本文介绍了滨海地区常见的高地下水位流砂地层顶进框架桥所采用的基坑支护、铁路加固方案及工程施工中出现的一些问题，可供以后相似工程借鉴。

参考文献

[1] TB 10002-2017，铁路桥涵设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2017.

[2] TB 10092-2017，铁路桥涵混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2017.

[3] GB 50497-2009，建筑基坑工程监测技术规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

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