中铁六局集团北京铁路建设有限公司北京100036
摘要：为对工作坑边坡及线路路基进行防护，施工中广泛采用了各种桩。本文结合莲花池西路下穿丰沙铁路立交工程，详细的阐述了应用于顶进框架桥各部位桩的受力特点和施工方法。重点阐述了工作坑护壁桩的实用计算方法及施工工艺。
关键词：基桩计算方法施工实例
引言：国民经济在不断发展壮大，工业建筑、民用建筑慢慢转变成了高喜忧参半化，而在施工中，人工挖孔桩以特有优势，得到了很多单位，无论是施工或是设计单位均得认可这一技术。而且人工挖孔桩是较合适、经济的基础形式。我司在某工程项目中（莲花池西路下穿丰沙铁路立交）根据实际情况，在施工工期、施工环境等不利的情况下运用人工挖孔桩技术，取得了较为理想的效果。
1．工程概况：
莲花池西路下穿丰沙铁路立交工程桥位中心里程为丰沙下行线K6＋045.35，道路中线与丰沙下行正线的交角30.997°。
立交桥规模及结构型式:2—14.5m钢筋混凝土封闭框构，轴线长度84.79m；分三节，长度分别为29.50、23.00和32.21m，投影面积2728.2㎡。
设计结构断面：
顶板厚0.95m、底板厚1.15m，
边墙、中隔墙厚均为1.05m，结构总高度8.80m，
顶进方向：由东向西顶进，设计最大顶力：117820KN；顶程92.33m。
设计控制标高：以首钢专用线最低股道轨底至顶板顶面为0.6m控制，则丰沙正线下的高度分别为0.78～1.17m。
结构立面图
桥位线路现况：
丰沙上下行正线2股，双线电气化、无缝线路，直线，间距4.04m，混凝土枕，60kg／m钢轨。
丰沙上下行
线路平面图
工程地质及水文地质
场地土层的基本组成：根据初步设计文件提供的资料，桥位地层自上而下依次为：
粉质粘土，厚约1.8～2.3m,黄褐色,可塑；
中砂，稍密，厚约0.6～1.5m；
卵石土，厚度大于13m，中密、稍湿，含卵石约60％～70％，一般粒径20mm～40mm，最大粒径140mm。此层为本桥的持力层，基本承载能力为500kpa。
场地分类为Ⅱ类，地震基本烈度Ⅷ度，冻结深度0.8m。
勘探期间，15m深度未见地下水。
2．在顶进施工中采用桩的类型及其受力特点
在顶进框架桥施工中，各种桩被广泛应用于施工场地的各个部位。
在工作坑，作为护壁和后背多采用打入工字钢桩；为了施工中铁路运输的安全和线路加固系统支撑的需要，在顶进施工中采用了线路防护桩、支撑桩、抗移桩等。这些桩均设于顶进箱体的两侧、线路间或路肩上。由于铁路限界的限制，施工多采用人工挖孔桩。
上述各种桩，只是作为施工防护措施的临时结构。其中，除设于线间的支撑桩外，均只承受水平荷载，而且除工作坑护壁桩外设于线路上的各种桩基本不具备设置拉锚或支撑的条件。
在这里所采用的桩，作为“防护桩”，其与一般基桩不同之处在于它是主要承受水平力的临时结构。如：
设于箱体外两侧及四个角部的防护桩主要承受路基的侧向土压力，作为翼墙开挖时防止路基坍方的主要措施。
线路抗移桩主要承受顶进时线路的水平推力，防止线路横移。
线间支撑桩除承受水平推力限制工作面侧向坍塌外，还要作为线路加固系统的支撑来承受垂直荷载。
其中支撑桩和抗移桩在顶进过程中或顶进就位后将被拆除。
在松散地层，设于箱体两侧的挖孔桩，在浇灌桩身混凝土前，桩孔还被用作注浆井使用。此时桩身混凝土浇灌需要在注浆完成后进行。
设于箱体两侧的桩，可称其为“限制桩”，是由于它们可以对侧向塌方起到限制作用。尤其在小交角立交桥，在桩周对土体进行适当的注浆固化，则可起到减小或取消侧向土压力从而控制水平转矩的作用。施工实践证明，其在不可避免的小交角顶进中已经成为必不可少的辅助措施。
3．桩的有关计算方法
3.1工作坑防护桩的计算
工作坑防护桩可采用一般建筑基坑板桩墙围护的计算方法。
顶端支撑是围护结构的一种，在顶端处，有支撑力而不会产生移动，并形成一个简单的支撑点。入土部分在比较浅的部分为简单支撑，而深一点后则是嵌固的形式。以下就简单分析了桩因入土深度不同，产生的若干情况：
①当支护桩入土的深度比较浅时，其前的被动压力都发挥出来，且支撑点主动与被动土压力力矩是一样的。如图a所示。
这时，墙体所处的状态是平稳的，从而可以得用，Mmax跨问正弯矩的最大、入土最浅深度tmin.此时，墙前以被动土压均被利用，其低部，可能会产生左偏移情况。
入土深度不同的板桩墙的土压力分布、弯矩及变形图
②深度增设，＞tmin如图b所示。在桩前被动土压力，无法得以全方位的发挥、利用。此时在原位转移一角，有可能会出现位移，此时其土压力接近于零。而没有发挥出的被动土压力可视作为安全度。
③深度持续增加。墙前、后都有被动土压力出现，支护桩在土里处于的嵌固状态中，可以看成是上为简单支护、下为嵌固的超静式的定梁。其弯矩减少，出现±方向弯矩。|M2|＜M1（稍小）。弯矩零点=压力零点。如图c所示。
④入土的深度持续增加，如图d所示。此时入土的深度过深了，墙前、后都有被动土压力出现，支护桩在土里处于的嵌固状态中，其跨间弯矩减少无法起到作用，所以这样的深度明显与经济不相符。
上述的四种状态中，④由于深度过深，而无法起到经济效用。因此在设计时基本不采用。③是目前工作常态，通常正弯矩与负弯矩相比，是其110％～115％，这也是设计的基础，但也有运用±弯矩相等来作为根据。由于状态得出桩基虽然是比较长的，但由于弯矩比较小可选择比较小的断面，并且由于入土深且更安全。如果根据①、②来设计，可得到比较小的入土深度、比大的弯矩。虽然①有一点位移存在，但自由支承与嵌固支承爱力情况也较为明确，造价也更合理、经济、可靠。
自由端单支点围护桩的计算
平衡法——单锚浅板桩
等值梁法——单锚深板桩
单支点挡墙按第三种情况设计是将挡墙按一端固定另一端简支的梁来研究。挡墙两侧作用着分布荷载，即主动土压力和被动土压力。在计算过程中，我们所要求出的是挡墙的入土深度、支撑反力、跨中弯矩和嵌固弯矩。
挡墙底端土压力的分布如下图：
式中的K、K’代表墙前、墙后的被动土压力数值的增减系数，其值随土的内摩擦角而改变。
单支点桩墙土压力静力平衡计算简图
因为墙前的破坏棱体，由于有向上移动的力，导致墙体对于土产生了一种向下的摩擦力，而土对于墙体的摩擦力方式是不一样的。所以摩擦力阻挡破坏了棱体滑动，因此墙前的被动土压力会有增大的情况。并且作用在墙后被动土压力与上述相反而产生向上的摩擦力(土对墙则产生向下的摩擦力)，这样墙后被动土压力将因此而减小。表4—8为不同材料桩墙的被动土压力增减系数表。
表4-8被动土压力增减系数表
4)由等值梁求算最大弯矩Mmax值。
相关研究数据表明，用等效梁法计算的跨中弯矩远大于实际弯矩。因此，在实际应用中，采用经验矩折减系数对计算结果进行修正。系数在0.6～0.8之间，一般为0.74，即m=（0.6～0.8）。但对于锚来说，计算结果没有多余的安全性，由于土压力的重新分布和锚的松紧度不一致，锚的受力不均匀，实际设计时应将锚的张力增加35%-40%。
3.2人工挖孔桩护壁厚度计算
大直径人工挖孔桩主要采用分段开挖和分段护壁的方法，以防止坍塌，保证施工安全。
现浇混凝土挡土墙的厚度一般是通过计算地下最深挡土墙的土压力和地下水的侧向压力来确定的。混凝土挡土墙厚度为t时，可按下列公式计算：
为了防止塌方，保证操作安全，大直径人工挖孔桩大多采取分段挖土、分段护壁的方法施工：
P——土和地下水对护壁的最大侧压力（N／m2）
γ——土的重度（N／m3）
γw——水的重度（N／m3）
H——挖孔桩护壁深度（m）
h——地面至地下水位深度（m）
D——挖孔桩或圆形构筑物外直径（m）
fc——混凝土的轴心抗压强度设计值（N／mm2）
K——安全系数，一般取K=1.65。
护壁受力计算简图
4．挖孔桩的施工
人工挖孔桩是用人工挖掘桩孔土方，随着桩孔人工挖孔桩下挖，逐段浇捣钢筋混凝土护壁，直到所需深度。一般适用于无水或少水的较密实的土类中，对于流动性淤泥、流沙和地下水较丰富的地区则不宜采用。
挖孔桩的施工必须在保证安全的基础上迅速、不间断地进行。每一桩孔的开挖、开挖、排水、支护、支模、钢骨架吊装、混凝土灌注等作业均应提前准备，密切配合，及时完成。主要施工程序如下：
1）定位
采用全站仪按设计桩位进行放样，保证桩位准确。确保孔口平面位置与设计桩位偏差不大于5cm。
2）开挖桩孔
由于顶进施工采用的各种桩大多在线路旁侧或线间，采用人工挖孔时必须遵守铁路限界的规定，必须保证作业人员和各种施工机具不得侵入铁路限界，否则将造成人身伤亡或行车安全事故。
①在站场内，线间距≥4m时，所有机具设备及作业空间必须严格限制在限界范围以外。
②线间挖桩出土进料必须跨线作业，这些作业应利用列车间隔进行并且必须在作业地点前后安设防护；在正线上应尽量利用天窗时间。
③在高路堤路肩布置的防护桩，由于受单向静土压力和单向活载土压力的作用，开挖前应临时填土反压，以求侧压力平衡，保证施工安全。
3）护壁和支撑
挖孔桩开挖过程中，开挖和支设护壁两个工序必须连续作业，以确保孔壁不坍塌。挖孔桩能否顺利施工，护壁起决定性作用，故应根据地质、水文条件、材料来源等因素选择可靠的支撑及护壁方法。一般宜采用就地灌注混凝土护壁，每下挖1～2m灌注一次，随挖随支。护壁厚度一般采用0.15～0.20m，混凝土等级为C15～C20,必要时可配置少量钢筋，也可以采用下沉预制钢筋混凝土圆管护壁。
4）孔内施工排水与通风
当钻孔中出现地下水时，可以及时排水。在孔的中间可以挖一个30-50厘米深的集水坑，并在前面进行排水。地面应做好沉淀池、排水沟、集水井等排水设施。当孔内二氧化碳含量超过3时，采用机械通风。
5）吊装钢筋骨架及灌注桩身混凝土
在线路上的防护桩吊装钢筋骨架时极易侵入限界，故必须利用列车间隔进行。浇灌桩身混凝土应一次完成不得留施工缝。
4．工程实例分析
莲花池西路下穿丰沙铁路立交工程为框架式顶进桥涵，根据施工现场条件及线路情况设置人工挖孔桩，其桩的技术参数如下表：
由于工作坑位于该桥东引道高路堤范围，且南侧已侵入路堤边坡和锥体5.0米左右，工作坑挖深约9.5m，因此，工作坑在此侧不能放坡开挖。在工作坑南侧路堤边坡上采用人工挖孔的方式制作67根护坡桩（如图中绿色桩），确保公路安全；同时，在桥体就位前端设置防线路横移前背桩（蓝色），承受顶进时线路加固体系传来的水平推力，起到防止线路横移的作用，确保线路加固的稳定性；在线间桥体范围内设置支撑桩（粉红色），承受土体的水平推力，防止桥体顶进前掌子面的土体塌方，同时作为线路加固系统的支撑承受垂直荷载；在线间桥体范围两侧设置限制桩（黄色），防止桥体两侧路基土体塌方，减小顶进过程中侧向土压力，从而控制桥体旋转，同时也起到支撑线路加固体系的作用；桥体就位四个角部设置线路防护桩（黑色），承受路基的侧向土压力，限制土体塌方，便于挡墙施工，保证线路安全。同时，线间桩内布设注浆管，通过注浆起到固化土体的作用。
桩位布置图：
本工程中由于丰沙线列车密度较大，线间桩施工难度更大，在施工时，首先设置安全工作坑，长2m，宽1.5m，深1.5m，四周用5cm厚木板支护，在开挖安全工作坑时，每20cm用木板支护一次，而且坑两端设置板盖，安装合页，当有列车通过时，其安全工作坑内人员可盖好木板盖，防止其它物品坠入孔内伤人，其它各部位桩的施工按正常挖孔桩的施工流程。其安全工作坑如下图所示：
结论：通过合理的施工及应用挖孔桩施工的方案，化不利为有利，圆满地完成施工任务，为框架桥的顺利顶进打下了基础。莲花池西路下穿丰沙铁路立交工程已竣工投入使用，工程质量合格率达到了100%，通过工程实践，我们可这样认定，只要工艺可行，方法可靠，效益可观，安全可保，我们就可以运用到工程实践中来。
参考文献：
陈希哲《土力学与地基础》（第四版）清华大学出版社2000.6
《顶进式框架立交桥设计、施工的若干规定》（京铁师〔1993〕491号）北京铁路局1993.12