新建道路下穿既有铁路的墩台防护设计计算

徐文强

(海峡(福建)交通工程有限公司)

随着国内经济的高速发展，公路以及铁路建设的日益发展，公铁立交的情况越来越多，且公铁施工时间难于统一，为了保障既有线的运营安全，新建项目在施工时需对既有线进行防护设计。结合福建省宁德市物流1#路(莆兴路～壶公路)下穿福厦线和向莆线墩台防护施工图设计，对既有铁路线桥梁的墩台防护设计进行了阐述和计算分析，以为后继工程提供指导和参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

物流1#路(莆兴路～壶公路)位于莆田市商贸物流园区，是园区区内主干道，1#路采用设计时速50 km/h的城市I级主干道标准。莆田市物流1#路目前已完成初步设计，道路于向莆铁路DK545+850处下穿向莆铁路莆田特大桥(左线)、莆田特大桥(右线)和福厦铁路黄石特大桥。因受沈海高速和物流园区道路标高限制，在桥梁下穿处需在现有标高基础上下挖。为保证向莆铁路和福厦铁路的运营安全，下挖后路面设计标高以黄石特大桥53#墩承台底标高控制，并对向莆铁路莆田特大桥(左线)500#、501#墩、莆田台，福厦铁路黄石特大桥52#、53#墩、厦门台和向莆铁路莆田特大桥(右线)68#、69#墩、莆田台承台和桩基进行防护。

1.2 地质概况

第四系人工填土层(Qm1)

人工填土，灰褐色，杂色，松散，稍湿，成分以碎石，混凝土及黏土。

第四系残坡积层(Qe1+d1)

粉质黏土，灰黄色、斑杂色，硬塑 σ0=180 kPa。

燕山晚期第三阶段第一次侵入花岗岩(ηγ2(3)a5)

花岗岩，褐黄色、斑杂色，全风化，σ0=250 kPa。

花岗岩，褐黄色、斑杂色，强风化，σ0=500 kPa。

花岗岩，灰白色，弱风化，σ0=1 200 kPa。

地震动峰值加速度为0.10 g(对应地震基本烈度为7度)。地下水不发育，主要是孔隙潜水，埋深较大。补给来源主要是大气降水。地下水无侵蚀性。

2 防护桩设计计算

2.1 防护桩加固方案说明

向莆铁路莆田特大桥(左线)500#、501#墩、莆田台，福厦铁路黄石特大桥52#、53#墩、厦门台和向莆铁路莆田特大桥(右线)68#、69#墩、莆田台均为桩基础，采用1.0 m钻孔桩基础，其中莆田特大桥(左线)500#墩和莆田特大桥(右线)莆田台为摩擦桩外，其它墩台均为柱桩。分别对向莆铁路莆田特大桥(左线)501#墩、莆田台，福厦铁路黄石特大桥53#墩、厦门台和向莆铁路莆田特大桥(右线)69#墩、莆田台进行加固防护。加固采用挖孔桩防护，桩间采用系梁连接。桥墩防护桩截面为1.25×1.5 m矩形截面;桥台防护桩截面为1.5×2.0 m矩形截面。

2.2 防护桩桩长计算

防护桩的作用是挡住基坑四周的土体，作用于防护桩的外力主要来自土压力和水压力，以及坑顶其他荷载引起的侧向压力。防护桩土压力计算比较复杂，因为防护桩柔度较大，在土压力作用下将产生弯曲变形，此种变形又反过来影响土压力的大小和分布，二者相互影响。此处采用粗略的近似计算，即不考虑防护桩的实际变形，仍采用古典土压力理论计算作用于防护桩的土压力，此处采用朗金理论。

由于精确确定土压力分布图形比较困难，一般近似的假定土压力分布如图所示:墙身前侧是被动土压力，其合力Ep1，并考虑安全系数K=2;墙身后方是主动土压力，合力为Ea。另外在桩下端还作用有被动土压力Ep2，并且将其作用位置简化到桩端b。考虑实际作用位置在桩端b以上一段距离，在最后计算所得入土深度t适当增加10% ～20%。

通过铁路桥梁工程师软件计算得到桥梁承台位置最大水平推力，双线台 1 800 kN，单线台 1 100 kN，单线墩800 kN。并平均分配到防护桩范围内。

图1 土压力分布图

已知桩周土容重γ=19 kN/m3、内摩擦角φ=30°、粘聚力c=0。

朗金主动土压力系数:Ka=tan2(45°-30°/2)=0.333

朗金被动土压力系数 :Kp=tan2(45°+30°/2)=3

取1延米土柱，计算桩上作用力对桩端b点的力矩平衡条件∑M，得

解上式可得:桩入土深度t，则桩长L=h+1.2t。

表1 防护桩桩长计算表

根据以上计算结果，向莆(左线)莆田特大桥501#墩、向莆(右线)莆田特大桥69#墩采用桩长13 m，由于福厦线黄石特大桥53#墩承台底控制路面标高，偏安全取桩长为13 m;向莆线(左、右线)莆田特大桥莆田台采用桩长22 m，福厦线厦门台采用桩长17 m。

2.3 桩身最大弯矩

设桩的最大弯矩在基坑底部深度t0处，该截面的剪力应为0，即得

解上式可得:桩身最大弯矩截面距基坑底距离t0。则桩身最大弯矩为

表2 防护桩桩身弯矩计算表

2.4 桩顶位移计算

本例检算桩顶水平位移，需满足规范要求。计算时将所有外力等效为桩顶水平力和弯矩，根据以下公式计算

桩的计算宽度:b1=KfK0b，矩形截面Kf=1.0，K0取1+1/b，根据上式计算得各桩计算宽度总和nb1大于桩排最外缘线间距D'，则 Kfb=(D'+1)/n。

表3 防护桩桩顶位移参数表

计算结果均小于，满足规范要求。

表4 防护桩桩顶位移计算表

3 重力式挡土墙设计计算

3.1 基本资料

设计采用I型挡墙和II型挡墙辅助防护。其中I型挡墙根据地形墙高由1.5～2.5 m，II型挡墙墙高3.1 m。设计中采用理正岩土计算5.6版软件分析。挡墙细部尺寸如图2所示。

图2 挡墙细部尺寸图

物理参数:圬工砌体容重:23 kN/m3，圬工之间摩擦系数:0.4，地基土摩擦系数:0.35，墙身砌体容许压应力:2 100 kPa，墙身砌体容许剪应力:110 kPa，墙身砌体容许拉应力:150 kPa，墙身砌体容许弯曲拉应力:280 kPa，挡土墙类型:一般挡土墙，墙后填土内摩擦角:30°，墙后填土粘聚力:0 kPa，墙后填土容重:19 kN/m3，墙背与墙后填土摩擦角:17.5°，地基土容重:18 kN/m3，修正后地基承载力特征值:180 kPa。

地基承载力特征值提高系数:墙趾值提高系数:1.2，墙踵值提高系数:1.3，平均值提高系数:1，墙底摩擦系数:0.35，地基土类型:土质地基，地基土内摩擦角:30°，土压力计算方法:库仑。

基础类型:钢筋混凝土底板基础，悬挑长度:1 m，根部高度:1 m，端头高度:1 m，榫头宽度:0 m，榫头高度:0 m，基础容重:23 kN/m3，钢筋容许拉应力:150 MPa，混凝土容许主拉应力:0.53 MPa，混凝土容许剪应力:0.8 MPa，钢筋合力点到基底距离:50 mm。

3.2 土压力计算

表5 挡墙土压力计算表

3.3 滑动稳定性验算

计算得滑动稳定系数均大于允许值1.3，满足规范要求。

表6 挡墙稳定性计算表

3.4 倾覆稳定性验算

基础为钢筋混凝土底板，验算挡土墙绕基础趾点倾覆稳定性。

表7 挡墙倾覆稳定性计算表

计算得滑动稳定系数K0均大于允许值1.6，满足规范要求。

3.5 地基应力及偏心距验算

基础类型为钢筋混凝土底板，验算底板下偏心距及压应力

允许偏心距［e］=B/6

表8 挡墙地基应力及偏心距计算表

地基应力及偏心距满足规范要求。

3.6 墙底截面强度验算

墙身强度按容许应力法计算，对墙底截面应力及偏心距验算。

表9 挡墙墙底截面强度计算表

合力偏心距允许值［e1］=0.3B，B为验算截面宽度。墙身截面强度及偏心距满足规范要求。

4 结束语

通过福建省宁德市物流1#路(莆兴路～壶公路)下穿福厦线和向莆线墩台防护设计计算，可以得到以下几点结论。

(1)经过计算以及工程实践，通过防护桩以及挡土墙相结合的方法对既有铁路桥梁的墩台进行防护是可行的，计算结果符合规范要求，经过工程实践，证明计算成果是安全的。

(2)此次对于既有铁路线的桥梁墩台防护的设计计算，采用的是郎肯土压力理论，对墩台防护桩进行了桩长以及桩身最大弯矩的计算，并对桩顶位移进行了验算;计算了挡墙所承受的土压力，并对挡墙的滑动稳定性、倾覆稳定性、地基应力、偏心距以及墙底截面强度进行了验算。在今后的工程设计中，以上这些方法以及步骤是可以进行参考和借鉴的。

(3)目前土压力的计算理论还不够成熟，许多理论收到特定条件的限制，仅能在某些特定的地质条件以及支挡结构中应用，故难以形成计算模板。希望有更多的工程技术人员投入到该领域的研究当中，完善计算理论，使得工程更加安全经济。

［1］铁道部第三勘察设计院.铁路桥涵设计基本规范(TB10002.1-2005)［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［2］铁道部第三勘察设计院.铁路桥涵地基和基础设计规范(TB10002.5-2005)［S］.北京:中国铁道出版社，2011.

［3］铁道部第三勘察设计院.铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(TB10002.3-2005)［S］.北京:中国铁道出版社.2007.

［4］铁道部第三勘察设计院.铁路路基支挡结构设计规范(TB10025-2001)［S］.北京:中国铁道出版社，2009.