梁紅燕
(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)
京滬高速鐵路從河北省廊坊市的西北側(cè)橫穿市區(qū)到達(dá)東南側(cè),將整個(gè)市區(qū)一分為二,在建京滬高速鐵路下已預(yù)留了立交橋,但既有京滬鐵路位于京滬高速鐵路的左側(cè),與在建京滬高速鐵路平行走向,在既有京滬鐵路下對(duì)接頂進(jìn)下穿框架橋,貫通整個(gè)廊坊市的交通成為關(guān)鍵。目前京滬高速鐵路正在建設(shè)中,橋位處高速鐵路的軌道板已經(jīng)鋪設(shè)就位,頂進(jìn)框架橋的施工必將對(duì)已建成的京滬高速鐵路有影響。經(jīng)過(guò)數(shù)次專(zhuān)家會(huì)議的討論和論證,最后達(dá)成一致意見(jiàn):要求頂進(jìn)框架橋施工引起的線路變形控制在1 mm以?xún)?nèi),該部分變形可通過(guò)后期的聯(lián)試進(jìn)行調(diào)整。為了在京滬高速鐵路正式聯(lián)試前將下穿京滬鐵路框架橋盡快頂進(jìn)到位,同時(shí)還要將施工中對(duì)京滬高速鐵路的影響減少在可控制的范圍內(nèi),都成為本批工程的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。下面就河北省廊坊市規(guī)劃龍河園區(qū)路與京滬鐵路立交橋工程,對(duì)該批工程的設(shè)計(jì)探索和實(shí)踐進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述,以供借鑒。
橋址位于京滬鐵路廊坊站至落垡站之間的區(qū)間線路上。橋址處既有京滬鐵路3股道,分別為京滬鐵路上行線、下行線、第3線,3股道之間的線間距為:4.1、5.3 m,3股道均為曲線,曲線半徑R=3 500 m,60 kg/m鋼軌,無(wú)縫線路,鋼筋混凝土枕,線路縱向坡度均為下坡,路基填方高度1~2 m。橋址處京滬鐵路均為電氣化鐵路,框架橋影響范圍內(nèi)有101號(hào)—102號(hào)、099號(hào)—100號(hào)2組接觸網(wǎng)硬橫梁,鐵路路基兩側(cè)坡腳處均敷設(shè)有鐵路電纜,橋址北側(cè)有104國(guó)道。
在建京滬高速鐵路位于京滬鐵路右側(cè),與京滬鐵路平行走向,橋址處京滬高速鐵路為2股道,分別為左線和右線,線間距為5.0 m,京滬高速鐵路與京滬鐵路之間線距離為18.66 m。京滬高速鐵路路基坡腳設(shè)有排水溝,左側(cè)排水溝(京滬鐵路與京滬高速鐵路間)為矩形,深0.8 m、寬0.4 m;右側(cè)排水溝為梯形,頂寬1.8 m、底寬0.6 m、深0.6 m。橋址處京滬高速鐵路預(yù)留8 m-16 m-8 m框架橋已建成,并已填埋??蚣軜蚪Y(jié)構(gòu)總高度10.55 m,結(jié)構(gòu)凈高7.85 m,頂板厚1.3 m,底板厚1.4 m,邊墻、中墻均厚為1.2 m,中孔頂板加腋采用0.8 m×2.4 m,邊孔頂板加腋采用0.8 m×1.6 m,底板加腋均采用0.3 m×0.3 m,主體全長(zhǎng)為19.602 m。
根據(jù)鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司《關(guān)于廊坊市主城區(qū)道路與既有京滬鐵路交叉情況的說(shuō)明(初步意見(jiàn))》:京滬鐵路北京與天津間規(guī)劃為4線,第4線規(guī)劃位于既有第3線的東側(cè),線間距為7 m,與既有鐵路平行等高布置,立交橋設(shè)計(jì)應(yīng)預(yù)留出規(guī)劃線路的條件;規(guī)劃有廊坊至首都第二機(jī)場(chǎng)鐵路客運(yùn)專(zhuān)線,為雙線,線間距為5 m,規(guī)劃位于在建京滬高速鐵路的西側(cè),兩線間的距離為9.5 m,為平行等高布置,立交橋設(shè)計(jì)應(yīng)預(yù)留出規(guī)劃線路的條件。
本場(chǎng)地巖土層共分為6個(gè)主層,其地層巖性特征由上至下依次為第①層雜填土,層厚0.6~1.1 m;第②層粉土,層厚1.1~2.4 m;第③層黏土,層厚4.0~5.6 m;第④層粉質(zhì)黏土,層厚1.8~2.4 m;第⑤層粉土,層厚3.1~4.1 m;第⑥層粉質(zhì)黏土,層厚大于10.0 m。本場(chǎng)地地下水屬第四系孔隙潛水,勘察期間(2010年9月28日)場(chǎng)地內(nèi)地下水位高程7.00~8.04 m,埋藏深度1.9~3.8 m,主要接受大氣降水的補(bǔ)給,地下水變化幅度受大氣降水、地面蒸發(fā)及地表徑流的影響較大。該場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土具氯鹽侵蝕性,環(huán)境作用等級(jí)L1;具硫酸鹽侵蝕性,環(huán)境作用等級(jí)H1。物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及巖土參數(shù)如表1所示。
表1 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及巖土參數(shù)
頂進(jìn)框架橋結(jié)構(gòu)采用3孔連體式框架結(jié)構(gòu)[1],凈跨為(8-16-8)m,框架橋中心線與京滬鐵路中心線夾角為88.35°,與京滬高速鐵路中心線夾角為89.25°。為了更好地與已建立交橋?qū)?加大了頂進(jìn)框架橋的結(jié)構(gòu)尺寸,并將頂進(jìn)框架橋按邊線與中線夾角89.25°設(shè)計(jì)。框架橋頂板頂面距最低鋼軌底面(京滬鐵路第3線)的距離為0.8 m,距最高鋼軌底面(京滬鐵路下行線)的距離為1.31 m??蚣軜蚪Y(jié)構(gòu)總高度8.0 m,結(jié)構(gòu)凈高5.7 m,頂板厚1.1 m,底板厚1.2 m,邊墻、中墻均厚1.2 m,邊孔頂板加腋采用0.4 m×1.2 m,中孔頂板加腋采用0.5 m×1.5 m,底板加腋均采用0.2 m×0.2 m,主體全長(zhǎng)[2]為28.1 m(以上尺寸均為框架橋正向尺寸)。框架橋橫向正截面見(jiàn)圖1。
圖1 框架橋橫向正截面(單位:cm)
框架橋的結(jié)構(gòu)底板底高程2.54 m,基底壓應(yīng)力為100 kPa。結(jié)構(gòu)基底位于第③層黏土上,地基基本承載力為120 kPa,滿(mǎn)足基底壓應(yīng)力的要求[3]。
框架橋施工過(guò)程中對(duì)京滬高速鐵路路基的影響主要在于施工降水對(duì)既有建筑物及地面造成沉降。從土的物理性質(zhì)來(lái)看,地層中的土主要是由土顆粒、水和空氣3部分組成[4],當(dāng)施工過(guò)程將地層中的水抽出,土中的含水量減少,使浮力減少,等于增加了附加應(yīng)力,使土體固結(jié)壓縮,就產(chǎn)生沉降。從橋位處的土層分布情況來(lái)看,大多以粉土和粉質(zhì)黏土為主,這2種土質(zhì)的滲透系數(shù)很小,也就是土層中的水滲流很慢,也就造成了廊坊市地下水位較高的現(xiàn)狀。
在整個(gè)工程施工過(guò)程中放在首位的就是要控制施工降水時(shí)京滬高速鐵路路基附近水位不變化,這樣施工降水對(duì)京滬高速鐵路的影響就減少到最小,乃至沒(méi)有。降水是用φ30 cm的鑄鐵管作為井管,井管內(nèi)裝揚(yáng)水管和空氣管,用空氣壓縮機(jī)壓入空氣,經(jīng)氣水混合形成大小不等的水泡,沿?fù)P水管上升排走。
圖2即為無(wú)壓非完整井的井點(diǎn)降水[5]。從圖中可以看出,井點(diǎn)降水在框架橋兩側(cè)形成一個(gè)漏斗形狀的水位線,弧形的水位線在降水井管兩側(cè)慢慢上升至原地下水位,從基坑中心算起的影響半徑R0=R+X0。
圖2 非完整井井點(diǎn)降水
3.1.1框架橋預(yù)制工作坑開(kāi)挖降水對(duì)京滬高速鐵路的影響
工作坑開(kāi)始前,需保證基坑內(nèi)水位降至工作坑滑板以下1.5 m處。采用管井降水時(shí),水位是以管井底為中心形成漏斗曲線并外推,從基坑中心算起的影響半徑為R0。位于影響半徑R0范圍內(nèi)的土體中的水位是下降的,水位的下降引起既有建筑物及地面的沉降。
3.1.2框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程對(duì)京滬高速鐵路的影響
當(dāng)框架橋在頂進(jìn)過(guò)程中,要對(duì)鐵路路基進(jìn)行降水作業(yè),由于鐵路線路的存在,不能形成一個(gè)封閉的降水區(qū)域,降水水位是以管井底為中心形成漏斗曲線并外推,從基坑中心算起的影響半徑的R0。位于影響半徑R0范圍內(nèi)的土體中的水位是下降的,水位的下降引起既有建筑物及地面的沉降。只能采取在京滬高速鐵路與京滬鐵路間設(shè)置高壓旋噴樁止水帷幕,止水帷幕沿鐵路方向的長(zhǎng)度要長(zhǎng)于降水影響半徑之外10 m左右,使京滬高速鐵路路基位于降水影響區(qū)域以外,以保證框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程中京滬高速鐵路路基附近水位無(wú)變化。
3.2.1京滬高速鐵路與既有京滬鐵路間止水帷幕的設(shè)計(jì)
京滬高速鐵路與既有京滬鐵路間止水帷幕,也被稱(chēng)為生命線。整個(gè)工程施工的第一步就是先施工京滬高速鐵路與京滬鐵路之間的止水帷幕,使京滬高速鐵路路基位于降水影響區(qū)域以外,以保證框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程中京滬高速鐵路路基附近水位無(wú)變化。止水帷幕深度長(zhǎng)于降水井管并到達(dá)該土層中滲透系數(shù)很小的粉質(zhì)黏土層,止水帷幕沿鐵路方向的長(zhǎng)度是根據(jù)井點(diǎn)降水的理論計(jì)算得出影響半徑R0并考慮10 m長(zhǎng)安全儲(chǔ)備。為了達(dá)到更好的止水效果,設(shè)計(jì)上采取了加大旋噴樁的咬合間距、加長(zhǎng)旋噴樁的樁長(zhǎng),并采用多排旋噴樁咬合布置的措施。為了保證施工后的成孔直徑,采用高壓旋噴樁[6]。此止水帷幕采用3排φ60 cm高壓旋噴樁,間距30 cm,樁長(zhǎng)17 m,沿鐵路方向總長(zhǎng)度為154 m。
當(dāng)框架橋在頂進(jìn)施工時(shí),京滬高速鐵路與京滬鐵路間的止水帷幕用以保證京滬高速鐵路路基位于降水影響區(qū)域以外。同時(shí)在京滬高速鐵路側(cè)布置觀察井和回灌井,當(dāng)京滬高速鐵路附近水位出現(xiàn)變化時(shí)可及時(shí)回灌,保持京滬高速鐵路附近的原有地下水位不變,使土壓力仍處于平衡狀態(tài),從而有效地減少降水的影響。
3.2.2 回灌井和觀察井設(shè)計(jì)
為了保證京滬高速鐵路路基下的地下水位穩(wěn)定,在京滬高速鐵路路基兩側(cè)沿鐵路方向布置的止水帷幕內(nèi)側(cè)布置了回灌井[7]和觀察井,并采用自動(dòng)回灌系統(tǒng),一旦水位下降臨近預(yù)警值,即自動(dòng)開(kāi)啟回灌井?;毓嗑⑺椒ú捎镁c(diǎn)加壓灌注法,以深層注水為主,淺層注水為輔,深淺結(jié)合的方法?;毓嗑睆?.3 m,間距5 m,井深14 m,自然水位至管底均采用過(guò)濾管。為監(jiān)測(cè)降水和回灌時(shí)水位、水壓變化情況,調(diào)節(jié)回灌水量,需設(shè)置觀測(cè)井,觀測(cè)井直徑0.3 m,間距15 m,井深14 m。回灌時(shí)為防止注水管道堵塞,必須使用清水,注水壓力要求大于0.5個(gè)大氣壓以上,回灌井的填料必須采用砂夾碎石。當(dāng)觀測(cè)井中水位水壓變化達(dá)到監(jiān)測(cè)報(bào)警值,需及時(shí)啟動(dòng)回灌系統(tǒng)?;毓嗨康亩嗌?以滿(mǎn)足保持原地下水位線為原則?;毓嗑⒚嬉?jiàn)圖3。
圖3 回灌井立面
3.2.3 旋噴樁施工工藝設(shè)計(jì)
為了減少由于旋噴樁施工時(shí)的高壓對(duì)京滬高速鐵路路基的土體產(chǎn)生擠壓,造成部分土體隆起,京滬高速鐵路與京滬鐵路間旋噴樁施工前,在京滬高速鐵路路基和離路基最近的一排旋噴樁之間設(shè)置1排壓力釋放孔,φ30 cm,間距4 m,孔深12 m,孔內(nèi)回填級(jí)配碎石。旋噴樁施工時(shí),應(yīng)先施工距離京滬高速鐵路路基最近的一排樁,然后施工遠(yuǎn)離京滬高速鐵路路基的第2排、第3排樁。第1排樁施工時(shí),減小漿液噴射壓力,采用能保證成樁的最小壓力,以減少施工時(shí)對(duì)樁周?chē)馏w產(chǎn)生擠壓,并采用1,5,9……間隔跳打的方法進(jìn)行施工。施工中應(yīng)保持機(jī)具底盤(pán)的水平和導(dǎo)向架的豎直,樁的垂直偏差不得超過(guò)1.0%,樁位的偏差不得大于50 mm,相鄰樁的施工間隔時(shí)間控制在12~16 h。樁的搭接長(zhǎng)度不小于200 mm,確保形成連續(xù)的墻體,成樁直徑和樁長(zhǎng)不得小于設(shè)計(jì)值。旋噴樁施工工藝流程見(jiàn)圖4。
圖4 旋噴樁施工工藝流程
3.2.4 框架橋工作坑開(kāi)挖、止水和降水設(shè)計(jì)
工作坑開(kāi)挖前,在工作坑開(kāi)挖邊坡坡頂處用高壓旋噴樁在四周形成一個(gè)封閉的降水區(qū)域,以保證工作坑的降水不會(huì)對(duì)京滬高速鐵路造成影響。同時(shí)京滬高速鐵路與京滬鐵路間的止水帷幕也保證工作坑降水時(shí)京滬高速鐵路路基位于降水影響區(qū)域以外。
工作坑靠近鐵路路基一側(cè)上沿至既有鐵路路基坡腳之間的距離為5.0 m,邊坡宜緩于1∶1.5,工作坑左右兩側(cè)的開(kāi)挖邊坡宜緩于1∶1.25;工作坑后背采用鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù);工作坑邊坡采用掛網(wǎng)噴混凝土防護(hù)。工作坑止水采用帷幕法,雙排高壓旋噴樁在基坑坡頂邊線外側(cè)設(shè)置1圈隔水幕,用以隔斷水源,減少滲流量,防止流沙、管涌等地下水的作用。高壓旋噴樁樁長(zhǎng)17 m,直徑60 cm,間距40 cm。 工作坑內(nèi)降水采用管井(深井)井點(diǎn)法,井管沿基坑按環(huán)形布置,基坑中央設(shè)置觀察井。鐵路線管井設(shè)置在最外兩股鐵路外側(cè),沿線路縱向布置。管井深14 m,間距5 m。工作坑底兩側(cè)設(shè)置集水井,如有雨水須及時(shí)抽排。
為了不中斷鐵路運(yùn)營(yíng),框架橋頂進(jìn)前需對(duì)鐵路線路進(jìn)行加固。根據(jù)鐵路運(yùn)營(yíng)單位的要求,框架橋頂進(jìn)施工時(shí)限制速度不高于45 km/h。為了滿(mǎn)足列車(chē)慢行45 km/h的要求,采用3—5—3扣吊軌梁和橫抬縱挑的工字鋼與防護(hù)樁、支撐樁、抗橫移樁組成線路加固系統(tǒng)[8]。由于頂進(jìn)框架橋前端有已建的京滬高速鐵路立交橋,前端的抗橫移樁無(wú)法設(shè)置,同時(shí)為了減少頂進(jìn)施工對(duì)京滬高速鐵路影響,在京滬高速鐵路邊與既有京滬鐵路邊沿鐵路方向均設(shè)置了路基防護(hù)樁,并沿框架橋邊墻將兩側(cè)的路基防護(hù)樁連成U形,在樁頂設(shè)置鋼管內(nèi)撐,以減少樁頂位移。線路加固體系的縱梁搭在橫梁上,橫梁兩端支撐在路基防護(hù)樁上。線路加固范圍:超出框架橋兩側(cè)不小于框架橋高并留不小于3 m的富余量,線路加固全長(zhǎng)62.0 m。為了加強(qiáng)線路加固系統(tǒng),并加大橫梁的懸空長(zhǎng)度,以保證框架橋的順利頂進(jìn)[9],線路加固橫梁和縱梁均采用I45b型鋼,每隔1根木枕穿1根橫梁,橫梁間距0.9 m,線路加固縱梁雙根1束布置,位于線路兩側(cè)2.1 m處,置于橫梁上,用U形螺栓與橫梁連接。
京滬高速鐵路框架橋底采用CFG樁進(jìn)行加固處理,樁長(zhǎng)24 m,直徑0.5 m,間距1.5 m,矩形布置,共計(jì)約297根樁。8 m-16 m-8 m框架橋施工時(shí)在基坑外側(cè)設(shè)置了支護(hù)樁,靠近京滬鐵路側(cè)樁徑1.5 m,間距1.7 m,樁長(zhǎng)19 m,樁外側(cè)設(shè)置旋噴樁止水帷幕;另外3側(cè)樁徑1.0 m,間距1.5 m,樁長(zhǎng)19 m。
為了盡量減少對(duì)京滬高速鐵路的影響,同時(shí)又能形成無(wú)水基坑的施工條件,在距離京滬高速鐵路較近處采用50 cm厚的C20混凝土進(jìn)行封底[10],在京滬高速鐵路支護(hù)樁周及外側(cè)用止水帷幕樁進(jìn)行封底,并同基坑外側(cè)的止水帷幕形成一個(gè)封閉的止水區(qū)域,保證了施工降水時(shí)將京滬高速鐵路路基位于降水影響區(qū)域以外。同時(shí)為了減少頂進(jìn)施工作業(yè)對(duì)京滬高速鐵路的影響,對(duì)位于京滬鐵路與京滬高速鐵路間的支護(hù)樁拆除方案也進(jìn)行細(xì)化和優(yōu)化。拆除方案如下[11]:(1)先鑿除高速鐵路2、3、23、24號(hào)防護(hù)樁部分樁身(樁頂至頂進(jìn)框架橋底板以下0.5 m),澆筑封底混凝土(50 cm厚),澆筑框架橋刃角補(bǔ)齊混凝土。(2)框架橋頂進(jìn)施工,鑿除與刃角相抵觸的高速鐵路2、3、23、24號(hào)防護(hù)樁樁頂以下3.5 m長(zhǎng)樁身,框架橋繼續(xù)頂進(jìn)施工,直至頂進(jìn)就位。(3)刃角補(bǔ)齊后,可利用其支護(hù)側(cè)面土體,鑿除高速鐵路4~22號(hào)防護(hù)樁部分樁身(樁頂至頂進(jìn)框架橋底板底0.5 m),澆筑封底混凝土(50 cm厚),澆筑頂進(jìn)框架橋底板補(bǔ)齊、底板頂板后澆塊混凝土。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工情況來(lái)看,框架橋頂進(jìn)施工和施工降水對(duì)京滬高速鐵路路基的影響很小,在可控制的范圍內(nèi)。
對(duì)接處細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)平面示意見(jiàn)圖5。對(duì)接處細(xì)節(jié)施工步驟見(jiàn)圖6。
圖5 對(duì)接處細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)平面(單位:cm)
圖6 對(duì)接處施工步驟(單位:cm)
由于該工程的特殊性,聘請(qǐng)了北京交通大學(xué)的有關(guān)專(zhuān)家對(duì)設(shè)計(jì)采取的降水、止水及自動(dòng)回灌等措施進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估和論證,評(píng)估結(jié)果認(rèn)為:頂進(jìn)下穿框架橋施工會(huì)導(dǎo)致京滬高速鐵路產(chǎn)生一定程度的豎向變形和橫向變形,但變形量很小。橫向變形最大值為0.317 mm,豎向變形最大值為0.883 mm,均發(fā)生在框架橋中線處,均在可控制的1 mm范圍以?xún)?nèi)。
由于京滬高速鐵路對(duì)線路的沉降要求很高[12],因此對(duì)整個(gè)工程的施工監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。從設(shè)計(jì)上專(zhuān)門(mén)提出了第三方監(jiān)測(cè),要求對(duì)框架橋工作坑施工、京滬鐵路、京滬高速鐵路路基進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)。
從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,框架橋工作坑的施工對(duì)京滬高速鐵路路基沒(méi)有造成沉降,在框架橋頂進(jìn)到距京滬高速鐵路較近處,由于施工降水及對(duì)高速鐵路路基局部土體的擾動(dòng),京滬高速鐵路路基產(chǎn)生了一定程度的變形,但變形量都小于1 mm。
河北省廊坊市規(guī)劃龍河園區(qū)路下穿京滬鐵路框架橋在本批廊坊市下穿工程中非常具有代表性,橋址位于京滬高速鐵路的路基段,地下水位高,地基土層均為粉質(zhì)黏土或黏土,滲透系數(shù)小,京滬高速鐵路對(duì)線路沉降要求很高,設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的因素多,設(shè)計(jì)技術(shù)難度大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體實(shí)施情況來(lái)看,線路加固的實(shí)施、對(duì)接處的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、京滬高速鐵路與既有京滬鐵路間的止水帷幕設(shè)計(jì)、以及京滬高速鐵路路基內(nèi)側(cè)的回灌系統(tǒng)地設(shè)置都為整個(gè)工程的順利實(shí)施提供了安全保障,將施工對(duì)京滬高速鐵路的影響減少到可控制的范圍內(nèi)。目前,國(guó)內(nèi)高速鐵路發(fā)展很快,本工程的成功實(shí)踐為今后類(lèi)似的立交改造積累了經(jīng)驗(yàn)。
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