一種高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統及施工方法與流程

本發明涉及基坑施工技術領域，特別是涉及高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統及施工方法。

背景技術：

隨著我國經濟持續不斷的發展，高速鐵路的建設遍布全國，但隨之而來的是交通線路交叉工程的日益增加。高速鐵路列車運行速度快，對線路變形要求非常苛刻，而公路下穿既有結構的情況無法避免。為確保高鐵的安全，避免其它交叉工程施工帶來的不利影響，高鐵建設過程中一般為其它交叉工程進行了相關預留處理或者提前加固處理。

然而這種預留或提前加固處理存在以下問題：

1.預留處理限制了后規劃路線的靈活選線，無形中增加了成本；

2.提前加固會對高鐵高架橋產生擾動，施工時進行二次擾動，無法保證高速鐵路線路變形在規定范圍內。

綜合國內外已有研究來看，目前分別針對基坑圍護、基坑開挖、主體結構施作、預留位置處下穿既有線等的研究已經很多，但針對下穿高速公路基坑開挖深度大、距離橋墩近、下挖深度在橋墩承臺以下的復雜條件的基坑工程的研究卻幾乎沒有。

因此希望有一種高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統及施工方法來解決高速公路無預留下穿高鐵的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統及施工方法來克服現有技術中存在的上述問題。

為實現上述目的，本發明提供一種高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統包括：基坑支護框架結構和圍護結構，所述基坑支護框架結構為排樁支護，所述圍護結構包括采用挖孔灌注樁的防護樁和內支撐，在基坑內豎向設置有兩道內支撐。

優選地，所述防護樁包括a型樁和b型樁，所述防護樁之間采用掛網噴射混凝土封閉，所述防護樁頂部設置有鋼筋混凝土冠梁。

優選地，在高架橋橋墩周圍根據距所述高架橋橋墩的距離依次使用所述a型樁和b型樁，在保證基坑圍護強度的同時，選用a型樁，采取隔樁施工，使樁與土體接觸面積小，減少打樁時對土體的擾動，使土體維持在彈性小變形階段，避免因土體屈服進入塑形區而導致的大變形。

優選地，所述圍護結構內設有鋼筋混凝土支撐支護和鋼管支撐，所述鋼筋混凝土支撐構成框構主體頂板，所述鋼筋混凝土支撐之間的間距為7.5m；所述鋼管支撐之間的水平間距為4m。

優選地，所述基坑開挖時分層、分段對稱開挖，減少對高架橋橋墩的水平擾動，所述基坑四周預留三角土護坡，每層挖土厚度小于3m，并由人工開挖支撐溝槽，開挖溝槽底至支撐下0.5m處及時架設腰梁和支撐，遵循先撐后挖的原則，在支撐未達到正常使用前，不得超挖下層土方。

本發明提供一種高速公路無預留下穿高鐵高架橋的施工方法，所述高速公路無預留下穿高鐵高架橋的施工方法采用半蓋挖逆做法，包括以下步驟：

(1)進行圍護樁、樁頂冠梁及樁頂鋼筋混凝土支撐施工，所述樁頂鋼筋混凝土施工時采用局部挖槽的施工方法，施工縫處鋼筋接頭部分采用接駁器連接；

(2)縱向分段，豎向分層開挖基坑土體至鋼支撐下部0.5m處；

(3)縱向分段，豎向分層開挖基坑土體至坑底設計標高處，在結構底部澆筑混凝土墊層；

(4)縱向分段澆筑框架結構底板鋼筋混凝土，施工縫處鋼筋接頭采用接駁器連接；

(5)拆除鋼支撐，澆筑側墻鋼筋混凝土結構，澆筑頂板剩余鋼筋混凝土結構。

本發明提供了一種高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統及施工方法，利用有限元數值模擬方法研究了基坑開挖后高架橋周圍土體的變形規律，并對高架橋橋墩位移變化進行預測，分析了設計施工方案的可行性，在完成高速公路基坑施工的同時保證了高鐵的正常運行。

附圖說明

圖1是高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統的剖面示意圖。

圖2是高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統的結構示意圖。

圖3是高速公路無預留下穿高鐵高架橋的施工方法的步驟1的示意圖。

圖4是高速公路無預留下穿高鐵高架橋的施工方法的步驟2的示意圖。

圖5是高速公路無預留下穿高鐵高架橋的施工方法的步驟3的示意圖。

圖6是高速公路無預留下穿高鐵高架橋的施工方法的步驟4的示意圖。

圖7是高速公路無預留下穿高鐵高架橋的施工方法的步驟5的示意圖。

圖8是高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統的框架結構及防護樁和內撐尺寸設計示意圖。

圖9是高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統開挖前二維平面數值模擬模型的示意圖。

圖10是高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統開挖后二維平面數值模擬模型的示意圖

圖11是與現實施工情況相同的數值計算結果位移云圖。

圖12是模擬結果與監測結果進行對比分析示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行更加詳細的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。下面結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明保護范圍的限制。

在本發明一寬泛實施例中，一種高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統包括：基坑支護框架結構和圍護結構，所述基坑支護框架結構為排樁支護，所述圍護結構包括采用挖孔灌注樁的防護樁和內支撐，在基坑內豎向設置有兩道內支撐。

在本發明另一寬泛實施例中，高速公路無預留下穿高鐵高架橋的施工方法，所述高速公路無預留下穿高鐵高架橋的施工方法采用半蓋挖逆做法，包括以下步驟：

(1)進行圍護樁、樁頂冠梁及樁頂鋼筋混凝土支撐施工，所述樁頂鋼筋混凝土施工時采用局部挖槽的施工方法，施工縫處鋼筋接頭部分采用接駁器連接；

(2)縱向分段，豎向分層開挖基坑土體至鋼支撐下部0.5m處；

(3)縱向分段，豎向分層開挖基坑土體至坑底設計標高處，在結構底部澆筑混凝土墊層；

(4)縱向分段澆筑框架結構底板鋼筋混凝土，施工縫處鋼筋接頭采用接駁器連接；

(5)拆除鋼支撐，澆筑側墻鋼筋混凝土結構，澆筑頂板剩余鋼筋混凝土結構。

如圖1－2所示，高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統結構包括：高架橋橋墩1、基坑2、混凝土支撐3、鋼支撐4和圍護樁5。

現澆段基坑支護結構采用排樁支護體系方案，基坑2寬約17.8m，深度8.4m。圍護結構采用挖孔灌注樁加內支撐系統的支撐體系，基坑2豎向共設2道內支撐。

圍護樁5共有2種類型：一種為a型樁，樁徑為1.0m，樁中心距為1.4m，樁長12m；另一種樁為b型樁，樁徑為1.25m，樁中心距為1.5m，樁長13.3m。圍護樁5之間采用掛網噴射c20早強混凝土封閉找平，樁頂設c40p8鋼筋混凝土冠梁。

該設計方法中，靠近高架橋橋墩1處均使用a型樁，距離較遠時采用b型樁，在保證基坑圍護強度的同時，適當選用樁徑較小的a型樁，采取隔樁施工，使樁與土體接觸面積小，減少打樁時對土體的擾動，使土體盡量維持在彈性小變形階段，避免因土體屈服進入塑形區而導致的大變形。

圍護結構內設支撐支護，支撐也有兩種類型：一種為c40p8鋼筋混凝土支撐3，該支撐作為框構主體頂板的一部分，間距約為7.5m；另一種支撐為ф609mm，t＝12mm鋼支撐4，鋼支撐4水平間距約為4m。

基坑2開挖時分層、分段對稱開挖，減少對高架橋橋墩1的水平擾動，基坑2四周預留三角土護坡，每層挖土厚度不宜超過3m，并由人工開挖支撐溝槽，開挖溝槽底至支撐下0.5m處及時架設腰梁和支撐，遵循先撐后挖的原則，在支撐未達到正常使用前，不得超挖下層土方。鄰近京滬高鐵高架橋段基坑開挖設置二道支撐，非鄰近高架橋段基坑開挖設置一道支撐，支撐第一道采用混凝土撐，第二道采用鋼支撐，鋼支撐設計軸力為1186kn，預加軸力500kn。

為驗證該方案的可行性，采取數值模擬方法對方案進行論證。

基于大型通用有限元軟件abaqus建模功能模擬材料彈塑性及地下空間工程施工的適用性特征，本課題研究采用abaqus軟件建立基坑施工二維數值計算模型進行數值計算分析。

模型中，土體、橋樁和基坑結構均用二維平面應變單元(cpe4)模擬，x方向為水平垂直密涿高速方向，y方向為豎直深度方向。模型尺寸大可以減小邊界效應對計算結果的影響，但模型尺寸過大會嚴重影響計算速度，權衡兩方面因素后，本次模擬的模型尺寸取：x方向取200m，y方向取80m。京滬高鐵高架橋及密涿高速地道橋基坑具體尺寸以框架結構及防護樁和內撐尺寸設計如圖8所示，建立二維平面數值模擬模型，開挖前及開挖后模型示意圖如圖9所示.

模擬中采用死活單元法模擬基坑的開挖，在開挖步中逐步殺死土體單元以模擬基坑土體的開挖，按不同的施工工序激活基坑維護單元模擬基坑圍護結構的施做。模型中樁與土的接觸類型選用摩爾庫倫接觸，其中

mohr－coulomb本構模型廣泛地適合于各種巖土工程材料，通常被稱作為用abaqus進行數值計算的首選本構模型。數值計算中，土體參數依照實際工程地質勘察報告結果選取，見下表。

基坑混凝土結構單元選用線彈性本構模型，由于基坑圍護結構圍護樁和橫撐是并排起作用的，而數值模擬中選用二維模型，所以在計算前需要對圍護樁和橫撐的剛度進行等效計算。圍護樁彈性模量取23gpa，第1道鋼筋混凝土支撐彈性模量取9.38gpa，第2道鋼支撐彈性模量取14.2gpa。

對不同的基坑施工順序、不同的施工進度進行模擬，對各種施工方案進行比選，比較得出對高鐵高架橋影響最小的方案，并將該方案應用于實際工程中。

如圖3－7所示，高速公路無預留下穿高鐵高架橋的施工方法包括以下步驟：

(1)進行圍護樁、樁頂冠梁及樁頂鋼筋混凝土支撐施工，所述樁頂鋼筋混凝土施工時采用局部挖槽的施工方法，施工縫處鋼筋接頭部分采用接駁器連接；

(2)縱向分段，豎向分層開挖基坑土體至鋼支撐下部0.5m處；

(3)縱向分段，豎向分層開挖基坑土體至坑底設計標高處，在結構底部澆筑混凝土墊層；

(4)縱向分段澆筑框架結構底板鋼筋混凝土，施工縫處鋼筋接頭采用接駁器連接；

(5)拆除鋼支撐，澆筑側墻鋼筋混凝土結構，澆筑頂板剩余鋼筋混凝土結構。

如圖8所示，高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統的框架結構及防護樁和內撐尺寸設計示意圖。

如圖9所示，高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統開挖前二維平面數值模擬模型的示意圖。

如圖10所示，高速公路無預留下穿高鐵高架橋系統開挖后二維平面數值模擬模型的示意圖。

如圖11所示，與現實施工情況相同的數值計算結果位移云圖。

如圖12所示，將該數值模擬結果與監測結果進行對比分析，監測數據顯示，兩基坑中間的f258號橋墩最大隆起值為3.18mm，數值模擬顯示最大隆起值為3.98mm；f257號樁最大監測隆起值為2.33mm，數值模擬顯示最大隆起值為2.89mm，監測結果與數值模擬結果較接近，因此用數值模擬方法對類似工程案例進行模擬具有很高的可行性。

在一未圖示實施例中，高速公路無預留下穿高鐵高架橋的現澆框架結構防水為混凝土結構自防水，不設置外包防水層，高架橋的一端與框架地道相接部位設置變形縫，變形縫寬度為30mm，變形縫材料采用鋼邊橡膠止水帶與頂進框架后補三角相接(含中墻)，高架橋的另一端也設置一道施工縫，縫內設置一道膨脹橡膠條，為了與道路現澆框架相接。

高速公路無預留下穿高鐵高架橋的止水帶部位的混凝土澆筑密實并充分振搗，確保止水帶部位混凝土的密實性。在變形縫內填置聚硫密封膠，填置前對縫進行清理，使縫內混凝土表面保持干凈、干燥、無起皮、油污和掉砂現象。

最后需要指出的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制。盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。