浅谈天津地区铁路顶进框构桥工程地基处理方法

随着我国交通运输事业的发展, 为满足铁路与公路高速、安全行车的要求, 铁路、公路平交道口被大量改为立交形式。为缩短建设周期, 降低工程造价, 铁路与公路立交形式多采用以顶进法施工的框构桥。天津作为中国的直辖市之一, 在各个方面有着极其重要的地位。天津区域内有着京津城际、津山铁路等若干重要铁路线路, 为确保铁路安全, 减少铁路公路平交道口, 缓解公路交通压力, 近几年天津地区大量建设铁路顶进框构桥。天津地区地下水位高, 涉及到顶进框构桥的土质多为淤泥质粘土, 淤泥质粉质粘土, 地基承载力大多不能满足顶进施工的要求。为确保顶进施工中铁路行车的安全, 防止顶进施工出现下沉, 桥体制作及顶进施工前需对工作坑及铁路路基进行地基处理。本文通过对基底加固水泥搅拌桩、钻孔灌注桩及注浆加固三种地基处理方案进行分析, 并结合实际工程, 简要说明三种地基处理方案的效果。

1工程概况

某铁路顶进框构桥位于天津市内, 下穿北环铁路。结构采用两孔连体式框架结构, 净跨为2m～12m, 框架桥中心线与铁路中心线的交角为82.4°。框架桥结构总高度8.0m, 结构净高6.3m, 顶板厚0.8m, 底板厚0.9m, 中墙厚0.8m, 框架桥主体全长为21.56m。

根据地质报告在深度20.0m范围内的地基土层主要有人工填土层, 淤泥质粉质粘土层, 及粉质粘土层。该地区土质较差, 强度较低, 以高压缩性土为主, 均匀性较差。桥体底板位于粉质粘土层, 此层承载力为90kPa。

地下水有两层, 第一层为孔隙潜水, 埋深较浅, 第二层为承压水, 埋藏于19.0m以下的粉土层中。勘察期间地下静止水位埋深在0.5m～2.2m, 水位标高为1.30m～2.22m。

2地基处理方案

2.1地基加固水泥搅拌桩

此种地基处理方案多用于工作坑范围内, 预制主体底板下。根据本工程实际情况, 为确保桥体预制期间不发生下沉, 需对原有地基底板以下区域进行处理, 确保地基承载力达到120kPa以上。

水泥搅拌桩布置。

基底加固采用φ60cm水泥搅拌桩, 桩间距为1m, 梅花布置, 长度为桥体滑板锚梁以下8.0m, 基坑前端1∶1.5放坡处搅拌桩按放坡坡度适当加长。

地基承载力计算详细如表1。

(1) 单桩承载力特征值:

式中aR为单桩容许承载力 (kN) ;

pA为桩的截面积 (m2) ;

η为桩身强度折减系数, 可取0.2～0.3 (干法) ;0.25～0.33 (湿法) ;

Up为桩的周长 (m) ;

qsi为桩周第i层土的容许摩阻力。对淤泥可取5k Pa～8k Pa;对淤泥质土可取8 k P a～1 2 k P a;对粘性土可取1 2 k P a～15kPa;对粉土取12kPa;

li为桩周第i层土的厚度 (m) ;

qp为桩端天然地基土的承载力 (kPa) ;

α为桩端天然地基土的承载力折减系数, 可取0.4～0.6 (表1) 。

(2) 复合地基承载力特征值:

式中fspk为复合地基容许承载力 (kPa) ;

fsk为桩间天然地基土承载力特征值 (k P a) ;

m为桩土面积置换率, 取10m×10m范围内100根桩所占桩土总平面面积比;

β为桩间土承载力折减系数, 取0.5。

最后解得fspk=245.28kpa, 满足承载力要求。

3.2钻孔灌注桩处理

结合天津地区土质条件及以往施工经验, 天津地区顶桥施工容易出现顶进前端扎头及顶进后端下沉。由于雨季施工需要, 本桥工作坑距离线路较远, 水泥搅拌桩加固区域与路基注浆加固区域间存在10m无地基处理区域。为确保线路安全, 提高此区域地基承载力, 在此区域设置钻孔灌注桩作为防扎头支撑桩。钻孔桩设置3排, 间距4m, 底板以下15m, 桩径1.25m, 混凝土采用C25混凝土, 共计增设支撑桩18根。

桥体顶进施工中如果出现扎头, 可以利用防扎头支撑桩施做钢筋混凝土冠梁, 将桥体抬高。

钻孔桩地基承载力计算详细如表2。

(1) 单桩承载力特征值:

Ra为单桩容许承载力 (kN) ;

Ap为桩的截面积 (m2) ;

η为桩身强度折减系数, 可取0.2～0.3 (干法) ;0.25～0.33 (湿法) ;

Up为桩的周长 (m) ;

qsi为桩周第i层土的容许摩阻力。对淤泥可取5k Pa～8k Pa;对淤泥质土可取8 k P a～1 2 k P a;对粘性土可取1 2 k P a～15kPa;对粉土取12kPa;

li为桩周第i层土的厚度 (m) ;

qp为桩端天然地基土的承载力 (kPa) ;

α为桩端天然地基土的承载力折减系数, 可取0.4～0.6 (表2) 。

(2) 复合地基承载力特征值:

式中fspk为复合地基容许承载力 (kPa) ;

fsk为桩间天然地基土承载力特征值 (k P a) ;

m为桩土面积置换率, 取Ap*1 8/260m2;

β为桩间土承载力折减系数取0.5;

最后解得fspk=124.06kPa, 满足承载力要求。

3.3路基注浆加固

根据工程地质情况, 本工程持力层为粉质粘土容许承载力值【σ0】=105kPa。为保证桥体顶进过程中, 路基的稳定性和铁路行车安全, 需要对路基进行注浆固化, 注浆范围限于桥体顶进开挖范围, 底板以下3m, 边墙外侧10m范围之内的土层, 线路下面采用布置斜孔, 斜插入线路下面进行辐射注浆, 注浆孔间距2m, 为防止线路隆起线路下3m范围内路基不注浆。

注浆施工工序如下。

经认真研究和方案比选, 拟采用袖阀管注浆工艺对框架桥路基底部土体加固。因为袖阀管注浆工艺的特点, 具有它独特的可靠性和安全性, 袖阀管注浆的机理是通过封管和注浆两种材料进行分次封孔和注浆, 以此来实现分次注浆的可能。由于地下工程的地质条件、颗粒粒径、透水性和不同地层之间交互层叠。由于不均匀地层的各层浆液的可注入性不同, 通过注浆的所达到的效果也不尽相同, 有针对性地对注浆地层进行分析, 在可注性好的地层进行针对性注浆, 不同的地层采用不同的注浆材料。有效地填补地层的空隙, 使地层得到有效的加固处理, 达到设计要求, 使地层特性达到同性化, 并可以通过二次注浆弥补注浆缺陷确确实实达到了注浆效果, 提过了工程质量。

袖阀管注浆施工工序如下。

(1) 钻孔; (2) 下套壳料; (3) 施作袖阀管; (4) 开始注浆; (5) 施作第一段注浆; (6) 施作第二段注浆。

注浆施工前先根据路基土质, 选取试验段进行注浆施工, 根据试验段注浆情况确定注浆参数详细如表3。

注浆施工完成后14天, 通过静力触探及钻芯取样得出实验结果, 承载力达到125kPa, 满足设计要求。

4地基加固方法比选

水泥搅拌桩加固方法:对提高地基承载力有显著效果, 且处理后地基承载力均匀, 适合场地平整较为大面积的地基加固, 由于使用机械较高 (一般为20m) , 为确保行车安全, 在距离铁路较近区域内不建议使用。

钻孔桩加固方法:单桩承载力较高, 承载力不均匀。使用机械简单 (一般为潜水钻) , 施工工艺简单, 工期短。适用于顶进框构桥前端至铁路间区域。经过实践证明, 此种方法对预防和整治顶进框构桥“扎头”有显著的效果。

注浆加固方法:对地基承载力有一定提高, 施工工艺较为复杂。由于地质情况原因, 施工过程较难控制, 适用于铁路路基加固。

5结语

天津地区土质多为淤泥质粘土, 地基承载力不足, 地下水位高, 如何在顶进施工前做好地基处理是顶进顺利与否的重中之重。深层水泥搅拌桩, 钻孔灌注桩和注浆加固三种地基处理方式对天津地区地质情况有着很好的改善作用, 本工程通过此三种地基加固方案在工程不同部位的结合实施, 确保了铁路行车安全, 顶进质量良好, 有效解决了天津地区地基承载力不足、顶进施工路基塌方及顶进“扎头”问题。

摘要：天津一带滨海冲击平原, 由于成土历史短和粘土胶体及海水的絮凝作用, 土的固结程度很差;又由于浅海生物的作用, 土中含有一定量的有机质。有关地质资料表明, 在大沽高程-13m以上天然含水量大于液限, 天然孔隙比大于1, 属于淤泥、淤泥质粘土和粉质粘土。具有高压缩性、低强度、低排水性等工程特点。本文以多年在天津地区的铁路顶进框构桥施工经验为基础, 通过深层水泥搅拌桩、混凝土钻孔桩和注浆加固三种不同地基加固处理方法对工作坑地基和铁路路基地基的实际应用, 有效解决了天津地区顶桥施工中的路基塌方、承载力不足及顶进“扎头”现象。为天津地区顶桥施工地基处理方案的优化和比选提供了参考和依据。

关键词：天津特殊地质,顶进施工,地基处理

参考文献

[1] JGJ 94-2008, 建筑桩基技术规范[S].中国建筑工业出版社.

[2] TB10106-2010, 铁路工程地基处理技术规程[S].中华人民共和国铁道部.