中交股份京沪高速铁路土建工程JHTJ-6标段
蕴藻浜特大桥黄渡桥段
跨沪宁铁路既有线113#墩承台基坑
支护设计计算书
中交第二公路工程局技术研发中心
2008年11月17日
京沪高速铁路蕴藻浜特大桥黄渡桥段跨既有沪宁铁路
113#墩承台旋喷桩支护设计
－、设计依据
1.铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005）；
2.客运专线铁路桥涵工程施工技术指南（TZ213-2005）； 3.《铁路路基支挡结构设计规范》TB 10025-2001
4.《新建时速300-350公里客运专线铁路设计暂行规定》铁建设[2007] 47 5.《北京至上海高速铁路徐州至上海段施工图蕴藻浜特大桥曹安黄渡桥段》； 6.铁道部及上海铁路局相关文件； 7. 钢结构设计规范（GB 50017-2003）； 8.桥涵（上、下册）交通部第一公路工程局； 9.简明施工计算手册（第三版）； 10.基坑工程手册；
11.基础工程施工手册（第二版） 二、工程概况
京沪高铁土建六标段在京沪高铁DK1290+441.860～DK1290+541.860处跨越既有线沪宁铁路，在该处桥型布置为60m+100m+60m连续梁。沪宁铁路长度仅为全国铁路营运线的2%，但它承担着全国10.2%的铁路客运量和7.2%的货物周转量，运输密度是全国铁路平均水平的4倍，经我作业工区值班人员统计24小时内有228趟火车通过，车辆集中时车流密集时段沪宁铁路平均5分钟有一辆，其中包括250km/h动车组。
表1 113#墩承台与既有线相关数据统计表
跨沪宁铁路
1. 工程地质特征
墩台处位于长江三角洲平原区，均为第四系地层覆盖，系江河、湖泊、海相沉积形成，为黏土、粉质黏土夹粉细砂层。
2. 水文特征
长江以南地区的水文主要特征：地表水丰富，各主要河流均常年有水。河流受季节影响明显，雨季水量较丰沛，河流靠大气降水补给，部分河流接受生活用水和工业废水的排放，排泄方式以泾流、蒸发为主。
沿线地下水类型有孔隙潜水、基岩裂隙水。地下水位埋深一般在0.4～5.0m，局部埋深大于10m，大气降水为地下水的主要补给来源。
3．承台结构
113#墩承台高7m,采用两层结构，底层与上层均为八角形结构。底层平面尺寸为18.2m×18.2m，层高4m，四角均为4.6m的 45°倒角。上层为平面尺寸为11.5m×11.5m，层高3m，四角为长2.64m的 45°倒角。承台结构如下图1所示。
图1 承台结构图
三、高压水泥旋喷桩设计 1．结构形式及布置
承台所处位置跨沪宁铁路，列车车辆流大，承台边缘距离沪宁铁路护坡边缘最小距离仅为1.87m，且施工位置上部有高压电线，地下管线布置复杂。且要求基坑施工时，沪宁铁路控制沉降量必须小于2mm。要控制铁路变形，且满足现场复杂的施工环境，地下连续墙，灌注桩及SMW工法桩均无法采用。最终决定采用高压旋喷桩方法对基坑施工进行围护，并借鉴SMW工法的优点，在旋喷桩中插入型钢增加桩体刚度。
旋喷桩支挡墙采用八字形布置，靠铁路八字顶端部位旋喷桩采用直径500mm，间距300进行布置，间隔插入H350×350型钢增加桩体刚度，两个八字部分采用直径600mm，间距450布置，间隔插入H350×350型钢。旋喷桩防护墙体顶部设置900mm×600mm矩形钢筋混凝土圈梁结构，增加防护结构整体稳定性，高压水泥旋喷桩防护形式平面布置见下图。
旋喷桩桩长14m，φ500mm桩共9根，φ600mm桩共55根。内插型钢采用间隔布置，单根型钢长14.6m，共计28根。
2．设计参数
①土体参数及水文情况
113#墩承台基坑开挖深度为地表以下3.5m，参照《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）第4.2.2条，对基坑开挖范围的土质作如下计算假定：计算深度范围内为粉砂土，重度γ＝18.0kN/m3，内摩擦角ϕ=30o。地下水位埋深为0.5m，水的重度γw＝10kN/m3。地下水位以下土压力计算时全部考虑水的浮重，
γ'＝γ-γw=8.0kN/m，并且采用“水土分算”的原则并考虑静水压力与土压力
3
来计算承台基坑支护的稳定性。
②坑沿荷载
坑沿荷载包括机械、人、材料重量等荷载，参考《桥涵》，考虑最不利状况，大小取值q0＝34kN/m2。
③铁路火车振动荷载
承台所处位置跨沪宁铁路，列车车辆流大，其中包括250km/h动车组，计算时必须考虑列车振动荷载对承台基坑的影响。
根据《新建时速300-350公里客运专线铁路设计暂行规定》铁建设[2007] 47号，300～350km/h列车或动车组竖向静活载必须采用ZK活载。ZK标准活载见下图5-1，ZK特种活载见图5-1。
图5-1 基本荷载
图5-2特种荷载
按图5-2特种荷载计算竖向压力，竖向轴压力大小250kN,轴距1.6m,横向枕木宽度2.5m，则铁路的振动对路基荷载大小为：
qh=
2501.6⨯2.5
＝62.5kN/m
2
实测沪宁铁路路基顶标高+3.610m，地面标高+1.655，根据铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005）第4.3.4条，列车荷载在路基内与竖直线成一角度（正切值0.5），荷载按此规定向下扩散，并考虑沪宁铁路的路基道碴（重度20kN/m3）的自重荷载，则地面的荷载大小为：
q
'h
=qh⨯
1.6⨯2.5
[1.6+2⨯(3.61-1.655)⨯0.5]⨯2.5
2
+(3.61-1.655)⨯20=67.23kN/m
（按《铁路路基支挡结构设计规范》TB 10025-2001附录A,列车荷载大小为
60.4kN/m，此处按较大值67.23kN/m
2
2
计算）
如下图6所示。
有
护栏触
网轨
回流线
回流线
轨标高＋3.610
2.300
原地面标高＋承底标高-2.345
说明：本图尺寸除特殊注明 外，余均以米计。
图6 沪宁铁路与113#墩承台位置关系
3. 型钢入土深度计算 3.1 结构内力验算
H型钢入土深度主要由土压力，变形不超过允许值及基坑整体稳定性确定。
旋喷桩防护作用机理属于板桩式挡土墙结构，采用单锚梁等值梁法计算搅拌桩的入土深度。
图7 支护墙体土压强计算图示
主动土压力系数ka=tg2(45o-ϕ/2)=0.333 被动土压力系数kp=tg2(45o+ϕ/2)=3 支护外侧主动土压强pa=(γh+q0)⋅ka
支护内侧开挖基坑内侧被动土压力pp=γ'h⋅kp
考虑铁路上列车的影响：qce=kaq'=0.333⨯67.23=22.39kN/m2
h
为提高结构的安全系数，将列车荷载视为坑沿荷载考虑。
地面主动土压力大小为p0=(18.0⨯0+34)⨯0.333+22.39=33.712kPa 地下水位线处土压力与水压力
p'0=(18.0⨯0.5+34)⨯0.333+22.39=42.712kPa
考虑水的浮重，地下以下h高处基坑底部主动土压强大小和水压强的合力为：
p=[18.0⨯0.5+8.0⨯(h-0.5)+34]⨯0.333+10(h-0.5)+22.39
其中h为计算截面点距地面的高度，坑底h=3.5m时，p=97kN/m2 假定外侧地面以下y深度处，基坑围护外的被动土压力等于基坑围护内的主动土压力。
通过试算，得出y=2.4m时，基坑围护外的被动土压力等于基坑围护内的主动土压力。
①φ500mm旋喷桩校核
本结构机理与SMW工法桩类似，根据《型钢水泥土搅拌墙技术规程（DGJ08-116-2005）（J10608-2005）》中要求，支护结构的弯矩应全部由型钢承担。
图8 φ500mm旋喷桩布置
A、 内力计算：
等效支护结构为等刚度厚度为h的混凝土壁式地下墙进行内力计算，根据两者刚度相等，有：
ESIS=
112
EC(w+t)h
3
则：h=
由上式计算得等效混凝土壁式地下墙厚度为340mm。 由图8可知，按等值梁法建立模型计算如下：
图9-1 计算模型
图9-2 弯矩图
图9-3 剪力图
查看结果图形发现，最大弯矩Mw=331.29kN m，最大剪力Qw=243.4kN。 换算为每根型钢所承受的内力：则有
M
p
=Mw(w+t)=331.29⨯0.6=198.774kN m
Qp=Qw(w+t)=243.4⨯0.6=146.04kN
H350×350抗弯模量为W=2300cm3，面积矩S=1246.6cm3，截面惯性矩I=40300cm4。
B、 抗弯强度验算：
根据规范要求，弯矩设计值为计算得到的弯矩标准值的1.25倍，即
M=1.25⨯198.77=4
248k.N4 7m
则：σ=M/W=108.03Mpa
根据规范要求，剪力设计值为计算得到的剪力标准值的1.25倍，即
Q=1.25⨯146.0=4
182.kN5 5
则：f=
QSIδ
=47.05Mpa
，内插型钢的强度满足要求。
D、 型钢与水泥土之间的错动剪切承载力验算：
验算公式如下：
τ1=Q1/de1≤τc/η2
Q1=η1qL1/2
式中：τ1—型钢与水泥土之间的错动剪应力标准值（N/mm2）
Q1
—型钢与水泥土之间单位深度范围内的错动剪力标准值
（N/mm）
τc—水泥土抗剪强度标准值（N/mm2），可取水泥土无侧限抗压
强度标准值的1/15~1/10.。本计算水泥土无侧限抗压强度取1MPa，
τc=1/15=0.067.
η1—剪力计算经验系数，可取0.6
η2—水泥土抗剪强度调整系数，可取1.6。
图10 计算示意图
由上式计算得
Q1=
0.6×97×0.25/2=7.275N/mm，
τ1=Q1/de1=0.0146≤τc/η2=0.042，满足要求。
E、 型钢隔孔设置时，应对水泥土旋喷桩按下式进行最薄弱断面的局部
抗剪验算：
验算公式如下：
τ2=Q2/de2≤τc/η2
Q2=
η1qL2/2
图11 计算示意图
由上式计算得Q2=17.46N/mm，τ1=Q2/de2=0.0218≤τc/η2=0.042，满足要求。
E、入土深度验算
根据模型计算得出，在深度y处的支座反力为P=243.4kN。假定在e点以下xm处，型钢所受的弯矩为0，近似计算的公式如下：
P=γ（K·Kp-Ka）/6x2
得出x= √(6P/γ/（K·Kp-Ka）)=4m
则型钢的最小入土深度为to=x+y=4+2.4=6.4m，实际所需的入土深度为t=1.2to=7.68m，实际的入土深度为10m>7.68m，故型钢的入土深度满足要求。
②φ600mm旋喷桩校核
图12 φ500mm旋喷桩布置
A、 内力计算：
等效支护结构为等刚度厚度为h的混凝土壁式地下墙进行内力计算，根
据两者刚度相等，有：
ESIS=
112
EC(w+t)h
3
则：h=
由上式计算得等效混凝土壁式地下墙厚度为297.2mm。 按等值梁法建立模型计算如下：
图13-1 计算模型
图13-2 弯矩图
图13-3 剪力图
查看结果图形发现，基坑围护的最大弯矩为327.10kNm，最大剪力为239.72kN。
换算为每根型钢所承受的内力：则有
M
p
=Mw(w+t)=327.10⨯0.9=294.39kN m
Qp=Qw(w+t)=239.72⨯0.9=215.75kN
H350×350抗弯模量为W=2300cm3，面积矩S=1246.6cm3，截面惯性矩I=40300cm4。
B、 抗弯强度验算：
根据规范要求，弯矩设计值为计算得到的弯矩标准值的1.25倍，即
M=1.25⨯294.3=9
367k.N9 9m
则：σ=M/W=160Mpa
C、 抗剪强度验算：
根据规范要求，剪力设计值为计算得到的剪力标准值的1.25倍，即
Q=1.25⨯215.7=5
26k9.N7
，内插型钢的强度满足要求。
则：f=
QSIδ
=69.5Mpa
D、 型钢与水泥土之间的错动剪切承载力验算：
验算公式如下：
τ1=Q1/de1≤τc/η2
Q1=η1qL1/2
式中：τ1—型钢与水泥土之间的错动剪应力标准值（N/mm2）
Q1
—型钢与水泥土之间单位深度范围内的错动剪力标准值
（N/mm）
τc—水泥土抗剪强度标准值（N/mm2），可取水泥土无侧限抗压
强度标准值的1/15~1/10.。本计算水泥土无侧限抗压强度取1MPa，
τc=1/15=0.067.
η1—剪力计算经验系数，可取0.6
η2—水泥土抗剪强度调整系数，可取1.6。
图14 计算示意图
由上式计算得
Q1=
0.6×97×0.55/2=16.01N/mm，
τ1=Q1/de1=0.027≤τc/η2=0.042，满足要求。
E、 型钢隔孔设置时，应对水泥土旋喷桩按下式进行最薄弱断面的局部抗剪验算：
验算公式如下：
τ2=Q2/de2≤τc/η2
Q2=
η1qL2/2
图15 计算示意图
由上式计算得Q2=13.095N/mm，τ1=Q2/de2=0.0218≤τc/η2=0.042，满足要求。
E、入土深度验算
根据模型计算得出，在深度y处的支座反力为P=239.71kN。假定在e点以下xm处，型钢所受的弯矩为0，近似计算的公式如下：
P=γ（K·Kp-Ka）/6x2
得出x= √(6P/γ/（K·Kp-Ka）)=3.97m
则型钢的最小入土深度为to=x+y=3.97+2.4=6.37m，实际所需的入土深度为t=1.2to=7.644m，实际的入土深度为10m>7.644m，故型钢的入土深度满足要求。
4. 顶部水泥圈梁验算 A、配筋验算
顶部圈梁按受弯构件进行配筋验算。根据《混凝土结构设计规范》和《混凝土结构计算手册》矩形截面受弯构件的计算来进行围檩的配筋。
其计算公式如下
γ0Md≤fcdbx(h0-
x2
'As'(h0-as') )+fsd
①
式中混凝土受压区高度x应按下式计算
'As' fsdAs=fcdbx+fsd
②
且截面受压区高度应符合下列要求
x≤ξbh0
③
由模型计算知，圈梁处反力为146.68KN/m，取圈梁直线段偏安全按简支梁计算，最大弯矩为2060.12kN.m。结合上述公式，受压区及受拉区对称配筋，钢
'≥9400mm2，选用30φ20 ，'，则求得AS筋保护层厚度取60mm，则AS=AS
HRB335，，AS=AS'=9428mm2满足受力要求。
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）》要求，受弯构件一侧受拉钢筋的偏心百分率不应小于45ftd/fsd，同时不应小于0.2。圈梁混凝土采用C20混凝土。取两者较大值，即配筋率不应小于0.2%。现有配筋率为3.5%，满足构造要求。
按构造配置箍筋，配置φ8@200的箍筋，由于内插型钢而未能设置的箍筋应在相邻区域内补足面积。
B、斜截面抗剪承载力验算
混凝土矩形受弯构件斜截面抗剪承载力计算应符合下列规定
γ0Vd≤Vcs+Vsb ①
Vcs=α1α2α30.45⨯10bh-3
②
Vsb=0.75⨯10
-3
fsd∑Asbsinθs ③
由上式计算Vcs=785.25kN，Vsb=29.88kN，γ0Vd=777.4kN。故圈梁斜截面抗剪承载力满足使用要求。
5. 基坑整体稳定性验算 5.1 管涌验算
旋喷桩的入土深度，应满足基坑坑底抗渗流和抗管涌稳定性的要求。 管涌主要是由于水头差所引起的，当板桩结构插入透水性和内聚力均小的饱和土中，施工采用坑内明排水时，则有可能发生管涌或流砂现象。
图16 基坑管涌图示
本工程基坑开挖区土质黏性粉砂土，内聚力小，地下水位埋深浅。为了保证施工安全，基坑开挖前应验算防止发生管涌和流砂的发生。
按《简明施工计算手册》（第三版），验算公式如下：
K=
(h'+2t)γ'h'γw
式中：K－抗管涌安全系数,K≥1.5；γ'－土的浮重度，γ'=8kN/m3；γw－水的重度，γw=10kN/m3；h'－地下水位至坑底的距离，h'=3.5-0.5=3m; t－搅拌桩桩的入土深度，t=10.5m。
代入公式中，K=5.2 抗流砂验算
若坑底土为粉砂、细砂等时，在基坑内抽水可能引起流砂现象，需进行流砂验算。其原则是板桩有足够的入土深度以增大渗流长度，减小坑内抽水后引起的水头差h’(如下图）造成的渗流，其最短渗流途径为h1,动水力是垂直向上的，故可要求此动水力不超过土的有效重度γb,安全条件为
K·i·γw≤γb
式中：K---安全系数，取2.0
h'
h1+t
(h'+2t)γ
h'γw
'
=
(3+10.5⨯2)⨯8
3⨯10
=6.4≥1.5
,满足要求。
i---水力梯度，i=
γw---水的重度。
据此进行流沙验算
K·i·γw=2×3∕(13.5+10.5)×9.8
=2.45kN/m3
流砂情况不会发生。 5.3 抗倾覆及抗滑移稳定性验算
A．抗倾覆验算
图17 受力图示
如右图所示，对前趾O点取矩。计算中偏安全不考虑重力影响。 计算得出，倾覆力矩为
Mr=11.322⨯14⨯
142+10⨯
13.522⨯13.53⨯
310.52
+0.5⨯0.333⨯18⨯(+22.39⨯6.8⨯10.53
0.53
+13.5)
+(0.5⨯18+8⨯13.5)⨯0.333⨯
13.513.56.82
=3155.36kN.m10.52
抗倾覆力矩为：Mw=3⨯8⨯10.5⨯
⨯+10⨯10.5⨯
=5181.75kN.m
Mw/Mr=1.64>1.3，所以结构是安全的。
B．抗滑移验算
不考虑重力对滑移的稳定作用，有抗滑移稳定系数
Ea=11.322⨯14+10⨯
13.52
+0.5⨯0.333⨯1813.52
+22.39⨯6.8=644.24
+(0.5⨯18+8⨯13.5)⨯0.333⨯
10.52
Ep=3⨯8⨯10.5⨯
+10⨯10.5=1428
k=Ep/Ea=1428/644.24=2.22>1.3，结构是安全的。
四、设计结论
113#墩承台位置施工条件十分复杂，且要求对临近铁路变形控制在2mm以内，承台防护结构采用高压水泥旋喷桩三重管施工工艺，其机械及施工方法均能很好的满足现场施工条件要求，形成水泥墙体强度高，并且通过借鉴SMW工法对旋喷桩进行内插型钢增加结构刚度的方式，很好的控制了土体的变形，由以上计算可知，高压水泥旋喷桩内插型钢防护的方式可以满足本工程施工的要求。