基础施工对铁路运营线路安全影响

红星城小区基础施工对铁路运营线路安全影响

技术评估报告

哈尔滨工业大学第二工程质量检测站

哈尔滨工业大学建筑结构评价及处理咨询事务所

2010年12月22日

受哈尔滨正德置业投资有限公司委托，我单位对哈尔滨市红星城住宅小区红星城小区沿京哈既有线路栋号（即1#、8#、9#、10#、11#、14#）住宅楼距离铁路运营线路50m范围内基础施工对铁路运营安全的影响进行技术评估，给出如下意见和建议。

一、工程概况

红星城住宅小区工程位于哈尔滨南岗区王岗镇红星村，属居住和公建混合小区，占地总面积88068.63平方米，总建筑面积约343841平方米，其中住宅278005平方米，公建29994平方米，人防（兼地下车库）207平方米。高层住宅建筑地上部分24‐27层，其中1~2层为商服网点，3层以上为住宅；本工程属于一类居住建筑，建筑限高80m，建筑的设计使用年限为50年。高层住宅采用钢筋混凝土短肢剪力墙结构，基础形式为静压管桩基础，本工程2层商服建筑采用框架结构，钢筋混凝土基础，抗震设防等级为6度。根据新建哈尔滨西客站线路车场总体设计安排，需对既有哈大线“K1238+500~ K1245+500”区间改线，既有哈大线出夏家线路所后，由K1238+900起改线，左右分别由此折向东，后两线并行跨过何家沟，引线与哈尔滨西客站并场设哈尔滨西站西场，出站后与客运专线并行，下穿乡政街，在K1245+200处与既有哈大线相接。红星城项目选址于王岗镇红星村夏家窝棚，项目西侧毗邻既有哈大线K1239+700~K1240+500区间，在既有哈大线改建区间内；红星城用地红线距离既有哈大线最近铁轨边15米，拟建建筑物距既有哈大线最近铁轨边为20米，小区规划与铁路线的相对关系见图1。红星城小区工程拟于2010年1月15日正式开工，基础施工期间铁路改建尚未完成，需要保证基础施工期间铁路的正常运营。

图1 红星小区与运营铁路相对关系规划图二、工程设计及地质情况

本工程由黑龙江建工建筑设计研究院有限公司设计，高层住宅部分采用静压预应力高强混凝土管桩基础，编号为ZH‐01的桩型号为PHC‐A500（100），即桩径500mm，壁厚100mm。设计要求桩长以终压值确定，且保证桩端进入粗砂不小于2.0倍桩径，即1.0m。多层部分采用浅基础，不会对铁路运营产生影响，因此只讨论桩基础施工，特别是静压管桩施工期间可能对铁路路基的影响。

本工程岩土工程勘察报告由哈尔滨现代岩土工程有限责任公司

完成，根据岩土工程勘察报告，各相关高层由设计单位给出的桩长计算值及相对标高见表1，各栋楼距离铁轨：

表1 沿铁路线各相关高层的桩长计算值及相对标高

楼编号 桩编号 计算桩长m桩顶标高m相对标高m距铁轨最近距离m

8# ZH‐01 16.5 137.600 ‐4.300 22.54

9# ZH‐01 17.0 137.500 ‐4.300 22.86

10# ZH‐01 16.0 137.200 ‐4.300 22.06

11# ZH‐01 15.0 136.650 ‐7.450 21.87

14# ZH‐01 16.0 137.850 ‐7.450 20.16

15# ZH‐01 21.5 143.100 ‐4.300 42.90

1# ZH‐01 尚处于设计阶段，二期建设 21.28 根据岩土工程勘察报告，建筑场地地形起伏较大，为不均匀地基土，地面海拔标高131‐152米，地面最大高差21米左右，场地处于斜坡地段，场地西侧高、东侧低，即铁路运营线路处于斜坡较高部分。本场地地貌单元为岗埠状平原的沟谷斜坡地段，地基土成因类型为冲洪积及冰水沉积地层，地层岩性为粘性土及砂类土，钻孔内实测初见水位距地面15.80‐33.60m，静止水位15.20‐33.20m，每年的七、八、九月为丰水季节，二、三月份为枯水季节，据调查场地水位年变化幅度1.00‐3.00米。场地类别为Ⅲ类。其他详细信息见《岩土工程勘察报告》。

根据设计给出的各栋楼桩位布置图见图2—图4所示，根据桩位布置图和规划图，可了解相关基础施工对铁路线的地基影响程度不同，其中8#、9#和10#楼与铁路线呈垂直排列，○1轴端山墙较近部位分布有23根桩，其余桩距离逐渐加大， 11#和14#楼基本与铁路线上呈平行排列，○B轴桩基本上在25m以内，而15#楼距离在40m以上。

三、静压管桩的施工影响分析

预应力混凝土管桩作为一种预制桩，在沉桩过程中，会产生挤土效应。从挤土效应来看，有两种情况：对于下端封闭的预应力混凝土管桩，在沉桩过程中都将桩位处的土大量排挤；对于下端开口的预应力混凝土管桩，由于桩身中空，在沉桩过程中，一部分土体进入预应力混凝土管桩内部，形成土塞。相比其他实心预制桩而言，这种下端开口的预应力混凝土管桩的挤土效应较小，属于部分挤土桩或小量挤土桩，受开口影响，沉桩时对桩周土体挤密作用有所降低，周围土的强度和变形性质变化也相应减弱。

目前用以解释挤土效应的研究方法主要有圆孔扩张理论、应变路径法、滑移线理论、有限元法和模型槽试验等方法，其中应用较多的是圆孔扩张理论。其理论的核心内容主要假定有：( 1)土是均匀的、各向同性的理想弹塑性材料; ( 2) 土体饱和、不可压缩; ( 3 ) 土体屈服

图2 8#、9#、10#楼桩位布置图

图3 11#楼桩位布置图

满足Tresca或Mohr‐coulomb

强度准则； ( 4)小孔扩张前,

土体具有各向等同的有效

应力， 随着内压力P 的增

大，围绕柱形孔的柱形区域

将由弹性状态进入塑性状

态。塑性区随P 的增大而不

断扩大，外侧土体仍保持弹 图5 圆孔扩张理论的影响范围

性状态。扩张过程如图5所示。

当p值增加时，围绕着孔的柱形区域将由弹性状态进入塑性状态。塑性区随p值的增加而不断扩大。设柱形孔的初始半径为R0，扩张后半径为R u，塑性区最大半径为R p，相应的扩张压力最终值为p u。在半径R p以外的土体仍然保持弹性状态。

从沉桩挤土效应看，综合起来主要有以下三个方面：（1）压桩过程中，桩周土体被重塑和扰动，土体的原始结构遭到破坏，土的工程性质与沉桩前相比有了很大的改变；（2）沉桩过程中，由于挤土效应的作用，桩周土体将会产生水平方向和竖直方向的位移，同时土体的力学状态也将发生较大的改变；（3）在饱和软土等含水量高、渗透性小的地基中沉桩时，桩周土体中会产生很高的超静孔隙水压力。除上述局部影响外，沉桩挤土效应还会对周围环境，如邻近交通干道产生影响，这也是本文要重点讨论和预防的问题。

相关研究资料表明，沉桩扩张压力p u与桩的半径无关，仅仅取决于土的模量和土的不排水抗剪强度，当刚度比E/c u较小时，扩张压力的变化比较大；刚度比超过600时，扩张压力的变化逐渐减小；当刚度比超过2000时，扩张压力趋近于一个渐进值p u/ c u≈7.5。

根据上述计算理论和岩土工程勘察报告，取最不利情况验算，即假定地基土处于饱和状态，依据柱形孔扩张理论计算，得出的各栋楼静压桩的塑性影响区域的最大半径和塑性区外侧边界位移见表2。

表中：R为静压桩半径，R

p 塑性区最大半径；

p

u塑性区外侧边界的径向位移。

上述计算值可以看出，在土体含水量饱和情况下，单根桩施工期间其土体的塑性影响范围是比较有限的，即土体塑性影响半径在3m 范围内，所产生的径向位移也不会对20m以外的土体产生直接影响。

但对静压管桩挤土效应，除上述最不利计算以外，尚应注意分析土体含水量和群桩效应的影响。静压管桩施工对土体造成损害的主要原理为土体受到不排水剪切以及很大的水平挤压，致使土体中超空隙水压力升高造成土体破坏，在土体饱和情况下，未破坏的土体会因超空隙水压力的不断传播和消散而蠕变，产生较大的剪切变形，形成扰动重塑区，大大降低土的不排水剪切强度，使桩周邻近土因不排水剪切而破坏，造成土体在沉桩过程中向桩周发生侧向位移和涌起，这里的塑性区域即为上述计算中的塑性区影响半径。而对含水量未达到饱和状态的地基土，其影响范围会大大减小，本工程的土体含水量未达到饱和状态，属较为有利的情况。群桩效应是由于群桩施工中的叠加作用，使已打入完成的邻近桩和土体产生较大侧向位移和上浮，属不利影响。综合来看，对上述两影响因素，可以表述为桩群越密桩基面积越大，地基的软弱土层越厚和含水率越高，土的位移就越大，造成地面隆起越高和水平位移越大，这一因素属不利情况。就本工程而言，8#、9#、10#楼垂直铁路线，因此影响较小；1#、11#和14#楼与铁路线基本平行，影响会大一些，但就具体桩基分布看，11#和14#楼近铁路侧桩基分布较少，群桩效应的影响与较密情况比会好很多，如果对施工组织进行不要的要求，可以实现基本消除群桩效应影响的目的。从可能发生的群桩效应影响而言，1#楼需要更加注意，但其延后施工，可在施工经验基础上再做出相关判断。

四、结论与建议

根据上述计算分析，该工程在合理组织、有效实施和数据监测的条件下，桩基础静压管桩施工期间产生的挤土效应不会对铁路线的正常运营产生影响。但根据岩土工程的复杂特点和地区性差别，为保证满足上述施工条件和实现不影响铁路线运营的目的，建议采取如下保障措施：

1、采用下端开口的预应力静压管桩，减小挤土效应；

2、单体施工顺序按照先近后远的原则，即首先完成距离铁路线较近区域的桩基础施工，然后依次向较远方向施工，这样做即可实现

降低群桩基础效应的影响程度，又可实现先打入桩基抵抗土体向铁路线一侧变形的目的；

3、小区施工以先完成8#、9#、10#楼，获取相关数据和经验，再进行11#和14#楼施工，并适当调整施工方案和施工保护措施；最后进行1#楼施工；

4、施工前和施工期间对铁路路基实行定期沉降量观测、垂直与路基的水平位移和桩基沉降量观测，及时发现可能的隐患，并积累有关数据经验；

5、当监测数据显示，出现不利于保证铁路线安全运行的情况时，应立即停止施工，并采取在小区用地红线以内1m作用，钻小直径圆孔的方法释放地基土的挤压应力，钻孔可采用直径150mm，间距1m，两排交错布置的方案，缓解挤土效应在铁路侧的影响。

6、当上述方案仍无法满足要求时，需另行研究解决方案。

（以下无正文，签字盖章有效）

哈尔滨工业大学第二工程质量检测站

哈尔滨工业大学建筑结构评价及处理咨询事务所

鉴定人：王凤来 潘景龙 朱 飞 李利刚

审核人：潘景龙

2010年12月22日

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