PC 工法樁在鐵路平改立項目中的應(yīng)用

馮燕萍

（杭州鐵路設(shè)計院有限責(zé)任公司道橋所，浙江 杭州 310000）

1 概述

隨著我國改革開放的不斷深入，我國經(jīng)濟總值已經(jīng)躍入世界前列。在這樣的大背景下，我國的鐵路建設(shè)速度也一樣發(fā)生了巨大變化，從二十世紀(jì)末至今，經(jīng)歷了數(shù)次大提速。鐵路交通的大發(fā)展帶動了一方經(jīng)濟的進(jìn)一步發(fā)展，經(jīng)濟的發(fā)展和交通的便捷大大提高了全國人民的生活質(zhì)量。但是，由于鐵路建設(shè)的長期性和復(fù)雜性，不可避免地與地方道路發(fā)生交叉，并對城市村莊進(jìn)行了切割。為認(rèn)真貫徹和落實總書記關(guān)于鐵路沿線安全環(huán)境治理工作重要指示精神，同時也是為了保證人民人身和財產(chǎn)安全，需進(jìn)行平改立工程改造，徹底解決道口影響鐵路運輸安全的外部環(huán)境安全隱患問題。

然而鐵路平改立項目一般都具有施工工期短，工程投資受控等特點。因此，必須深入研究如何在保證臨營鐵路施工安全的同時，盡可能縮短工期，降低平改立項目的工程投資。而對于平改立工程（尤其是下穿鐵路工程）一般涉及橋涵及道路結(jié)構(gòu)的基坑開挖，如何優(yōu)化基坑工程設(shè)計來縮短工期、降低工程建設(shè)費用是各個階段設(shè)計時需要分析和解決的問題。

文中以金千鐵路平改立項目為實例，對道路基坑支護設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)選，優(yōu)化方案不僅能滿足臨營鐵路基坑開挖安全的要求，也能壓縮工期，降低造價。

2 工程設(shè)計

2.1 工程概述

該項目位于蘭溪市，已建1-6.0×4.0m 鐵路框架橋下穿既有金千鐵路，下穿段機動車道為新建四級公路，起終點均與既有道路相順接。設(shè)計范圍內(nèi)公路全長約280m，道路穿越鐵路兩側(cè)走向呈S 形，道路邊線距離鐵路中心線最近僅為9.0m, 兩側(cè)道路施工均為臨營鐵路施工。路面設(shè)計標(biāo)高在地下水位以下的路段，本工程支擋結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土U 型槽封閉地下水，U 型槽基坑開挖深度0.7～5.41m。道路平面線位走向如圖1 所示。

圖1 線位平面示意圖

根據(jù)該項目地質(zhì)詳勘報告顯示，該范圍土層分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、圓礫、粉砂巖以及強風(fēng)化粉砂巖。

本工程道路及U 型槽基底均位于粉質(zhì)黏土層，該地層能夠滿足U 型槽基底承載力的要求，所以無需進(jìn)行地基處理。

2.2 原基坑支護方案

本工程U9～U10 范圍內(nèi)因開挖深度最大，一側(cè)離金千鐵路中心線距離最小僅有4.0m，另一側(cè)離既有建筑物邊僅4.0m，基坑開挖邊界條件受限，其余范圍內(nèi)基坑均采用鋼板樁支護及放坡開挖。為確保既有金千鐵路運行的安全，且能保障施工期間路基穩(wěn)定，采用D24 型施工便梁對線路進(jìn)行加固，施工期間限速通行。

在道路U 型槽結(jié)構(gòu)基坑開挖深度3.0～5.5m 路段內(nèi)，采用φ80cm 鉆孔灌注樁（樁長為15m），外側(cè)加兩排φ60cm@20cm 水泥攪拌樁止水帷幕進(jìn)行聯(lián)合支護，并設(shè)置Φ609×14@5m 鋼管橫撐。原基坑設(shè)計平面圖如圖2所示。

圖2 原基坑支護平面圖

經(jīng)計算，本方案雖能滿足一級基坑的設(shè)計要求，但該方案存在施工的時間相對較長，且基坑支護費用相對較高等缺點。

2.3 基坑優(yōu)化設(shè)計

因本工程為平改立項目，工程投資受控，工期較緊，結(jié)合該項目特點，對原基坑支護方案進(jìn)行了比選。

2.3.1 基坑圍護方案比選

根據(jù)本道路U 型槽基坑工程的挖深、周邊建構(gòu)筑物現(xiàn)狀情況、施工場地環(huán)境條件和實際地勘情況，目前可以考慮的支護方案一般包括：①全放坡開挖形式；②復(fù)合土釘墻支護結(jié)構(gòu)；③拉錨式排樁墻支護結(jié)構(gòu)；④單排樁或雙排樁懸臂式支護結(jié)構(gòu)；⑤內(nèi)撐式排樁支護結(jié)構(gòu)。

放坡開挖是目前工程造價最低的圍護形式，施工速度較快、土方開挖較方便等，在但現(xiàn)場踏勘的實際情況來看，U 型槽基坑邊離金千鐵路及周邊房屋最小距離均不到5m，基坑四周不具備完全放坡開挖或部分放坡的條件。

土釘墻支護結(jié)構(gòu)施工亦較為便捷而且施工工期相對較短，但相對放坡開挖費用較高，且本基坑距離鐵路和建筑物均極近，土釘墻的圍護結(jié)構(gòu)，也存在空間的問題，因此不采用土釘墻支護結(jié)構(gòu)。

拉錨式排樁墻支護結(jié)構(gòu)對周邊的影響較小、受力也較好、且工程費用較低等優(yōu)點。但本基坑開挖范圍空間極小，因此本工程基坑開挖不適合采用拉錨式排樁墻。

單排樁懸臂式支護結(jié)構(gòu)一方面受力相對較差，工程費用較高，且圍護結(jié)構(gòu)的變形較大，因此不采用單排樁懸臂式圍護結(jié)構(gòu)。

內(nèi)撐式排樁墻支護結(jié)構(gòu)規(guī)避了排樁懸臂式支護結(jié)構(gòu)存在的缺點外，對土質(zhì)條件相對較差的深基坑內(nèi)同樣適用，所以本工程道路U 型槽結(jié)構(gòu)基坑經(jīng)過各支護結(jié)構(gòu)的比選，采用內(nèi)撐式排樁墻的圍護結(jié)構(gòu)。

排樁墻目前有以下三種形式，各自的優(yōu)缺點如下：

鉆孔灌注樁排樁墻技術(shù)工藝極為成熟、施工效果較好，目前已在很多地區(qū)的深基坑開挖支護結(jié)構(gòu)中得到了較好的應(yīng)用。因此本基坑原方案就是采用鉆孔灌注樁排樁墻進(jìn)行支護。

SMW 工法結(jié)構(gòu)具有抗彎能力相對強、節(jié)省工程費用、且可節(jié)約圍護結(jié)構(gòu)的空間。但三軸水泥攪樁機械龐大，場地要求較高，耗電量巨大，施工速度一般，且目前市場上型鋼租賃費用較高，因此本方案不采用SMW 工法圍護樁。

PC 工法組合鋼管樁圍護結(jié)構(gòu)兼具有SMW 工法結(jié)構(gòu)的優(yōu)點外，施工相對比較靈活、而且可回收再利用（也能降低費用）綠色環(huán)保等優(yōu)點，且能節(jié)約圍護結(jié)構(gòu)空間的同時，也能提高工程建設(shè)的速度，從而降低工程費用。

2.3.2 基坑圍護計算

針對本工程基坑采用PC 工法組合鋼管樁支護進(jìn)行了計算。基坑采用啟明星計算如圖3、圖4 所示。

圖4 變形內(nèi)力包絡(luò)圖

從圖3、4 計算結(jié)果可以看出，該工程基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足一級基坑設(shè)計的要求。

圖3 基坑計算概況圖

2.3.3 基坑優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合計算數(shù)據(jù)及對工程經(jīng)濟進(jìn)行分析，對開挖深度3.0～5.410m 區(qū)段的基坑支護方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，采用PC 工法樁（?630x14 鋼管樁@1500，樁長為14m+兩個包Ⅳ型拉森鋼板樁，樁長為9m），樁頂設(shè)置Φ609×14@5m鋼管橫撐?；釉O(shè)計如圖5～圖7 所示。

圖5 優(yōu)化基坑支護平面圖

圖6 PC 樁平面詳圖

圖7 基坑橫斷面圖

2.4 圍護形式的比較

鉆孔灌注樁作為較為常用的基坑支護樁，雖然技術(shù)工藝成熟，但也存在一定的問題，比如施工周期相對較長，養(yǎng)護時間較久，止水需單獨設(shè)置水泥攪拌樁止水帷幕，而且止水效果不容易控制和保證，會產(chǎn)生泥漿不環(huán)保，施工完后形成了永久性的障礙物等缺點。而PC 工法樁作為一種新型圍護樁，剛好對鉆孔灌注樁的這些缺點進(jìn)行了克服，它具有施工工期較短，不需要水泥和養(yǎng)護時間,；圍護結(jié)構(gòu)的受力較好，且剛度大，能減小基坑開挖對周邊環(huán)境及建構(gòu)筑物的影響；而且可以回收再利用，綠色環(huán)保；止水效果好等優(yōu)點。相比于鉆孔灌注樁，PC 工法組合鋼管樁具有一定的優(yōu)勢，且PC 工法樁兼具了止水帷幕的效果，總體工程造價相對較低，且節(jié)約了圍護空間。

經(jīng)過費用測算和對比，本工程U9～U10 范圍內(nèi)開挖深度最大路段采用PC 工法樁進(jìn)行優(yōu)化基坑設(shè)計后，較之前采用的鉆孔灌注樁支護加水泥攪拌樁止水帷幕的基坑圍護方案，工程建安費用減少將近300 萬，符合本平改立工程的費用要求。價格組成如表1 所示。

表1 本工程PC 工法樁價格組成表

本工程優(yōu)化后的基坑方案施工工期與原方案相比，預(yù)計節(jié)省45 天。該方案縮短了工期，也在一定程度上減少了工程造價。

3 PC 工法樁的適用條件

PC 工法樁目前普遍適用于軟土，粉砂，黏土，卵石，淤填土、吹填土，PC 工法樁的施工工藝通常需要根據(jù)具體的地質(zhì)情況來選取最適當(dāng)?shù)氖┕し桨浮?/p>

4 PC 工法組合鋼管樁施工相關(guān)要求

4.1 PC 工法樁中拉森鋼板樁需采用小止口施工。

4.2 PC 工法樁的空隙也需要采用小企口拉森鋼板樁進(jìn)行連接。

4.3 PC 工法樁必須嚴(yán)格控制好鋼管樁下沉?xí)r候的速度，鋼管樁下沉速度一般為1m/min。

4.4 PC 工法組合鋼管樁長度、組合形式、材料強度滿足設(shè)計要求，并滿足相應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范。

5 PC 工法樁的社會效益

目前國內(nèi)PC 工法鋼管樁約20 萬噸，若按每年使用兩次計算，則每年使用的鋼管樁和拉森鋼板樁，可節(jié)約砼大約100 萬方，節(jié)約鋼筋約10 萬多噸，節(jié)約水泥約12萬噸。每年節(jié)約的鋼材相當(dāng)于可再建二艘航母。

6 結(jié)論

本次設(shè)計過程中，基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計在考慮對運營鐵路安全的前提下，對各個影響因素進(jìn)行了全面的分析，并采取了針對性的設(shè)計和方案比選?；釉O(shè)計在確保鐵路和基坑工程安全的同時，也滿足平改立項目特殊性的要求。新建道路的基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中采用的專項設(shè)計措施合理、有效。為工程建設(shè)的順利開展提供了可靠的技術(shù)支持。

PC 工法樁因其自身優(yōu)勢，目前已越來越多應(yīng)用于工程實踐，但國內(nèi)目前階段使用施工工藝，還是會產(chǎn)生一定的振動和噪音，尤其在臨營鐵路中應(yīng)用仍存在一定風(fēng)險及安全隱患，未來靜壓工藝的廣泛應(yīng)用勢必能降低對鐵路安全的風(fēng)險，也將進(jìn)一步開拓PC 工法樁的應(yīng)用范圍。