既有橋改建對(duì)拉錨桿加固橋后路基新技術(shù)

鄒維國(guó)

1 概述

既有京張立交橋中心里程為大秦鐵路K261+049.73[公路里程K81+224(S216)］，為4孔鋼筋混凝土框構(gòu)雙線橋。既有大秦鐵路輕、重車(chē)線上跨通過(guò)，被交道路110輔線(S216)與大秦線交角38°，是北京與張家口之間的交通要道，平均流量380輛/h。該橋的布孔方案為 12.2 m+15.7 m+15.7 m+12.2 m。

本次改建系因大秦鐵路擴(kuò)能改造，車(chē)站到發(fā)線延長(zhǎng)、輕重車(chē)線右移引起，改建形式為單側(cè)(大秦線右側(cè))接長(zhǎng)，接長(zhǎng)部分維持原布孔方案和角度不變。改建后既有橋部分保留1股軌道通過(guò)，新建橋部分3股軌道通過(guò)。新舊橋接縫按沉降縫處理，秦皇島端接縫距大秦輕車(chē)正線外軌0.72 m，該段線路為800 m半徑曲線，根據(jù)設(shè)計(jì)須拆除既有橋翼墻才能保證新橋結(jié)構(gòu)尺寸(見(jiàn)圖1)。因拆除翼墻影響翼墻背后路基穩(wěn)定，因此必須進(jìn)行加固處理。在不影響列車(chē)運(yùn)營(yíng)的條件下，采用對(duì)拉鋼筋錨桿加固路基無(wú)需封鎖、慢行，不必架空線路，卻達(dá)到同樣目的。

圖1 既有橋改建圖

2 加固方案比較與選擇

2.1 以往類(lèi)似工程的處理方法簡(jiǎn)介

以往類(lèi)似工程采取的處理方法著重于對(duì)軌道進(jìn)行加固或軌道路基綜合加固，通常采用扣軌法、橫縱抬梁或D型便梁法架空線路，鋼板樁、工字鋼樁或挖孔樁加固路基，但這些方法的弊端在于需要列車(chē)慢行甚至中斷行車(chē)。

大秦線晝夜行車(chē)100對(duì)，行車(chē)間隙只有7 min，普通列車(chē)車(chē)長(zhǎng)120節(jié)，萬(wàn)噸列車(chē)車(chē)長(zhǎng)220節(jié)，2005年運(yùn)量達(dá)到2 030萬(wàn)t，凡封鎖、慢行施工均會(huì)影響運(yùn)量，因此以往方案不會(huì)得到路局的同意。

2.2 加固方案重點(diǎn)分析

本工程的加固重點(diǎn)在于既有橋翼墻拆除后，原來(lái)位于翼墻之后的路基土體臨空暴露，易造成塌方從而危及既有線行車(chē)。因此保證土體穩(wěn)定是加固方案的著眼點(diǎn)。新建橋基坑開(kāi)挖后路基高度5.4 m豎直暴露，只要想辦法保證路基穩(wěn)定就不會(huì)影響既有線行車(chē)。也就是說(shuō)利用另一種方式抵御土體側(cè)壓力代替原橋翼墻就能達(dá)到這一目的。以往的路基加固方法如挖孔樁可以達(dá)到這一目的，但新舊橋接縫點(diǎn)距離外股鋼軌只有0.72 m，在此處任何作業(yè)均侵入行車(chē)限界，因此不能采納。

翼墻的作用是對(duì)土體的側(cè)壓力給予反作用力，只要不改變這個(gè)反作用力方向，而是由土體內(nèi)部向內(nèi)拉住土體即能起到翼墻的作用，因此利用鋼筋穿過(guò)土體內(nèi)部形成對(duì)拉可以解決這一難題。

2.3 加固方案確定

1)翼墻自上而下拆除，每次拆高1 m，每拆除1 m高后即采用錨桿鉆機(jī)鉆透路基至路基對(duì)面，每次鉆4個(gè)孔(見(jiàn)圖2)，孔內(nèi)穿入16 mm螺紋鋼筋，路基對(duì)面邊坡預(yù)先挖好錨固樁基坑，鋼筋穿入后兩端安裝鋼板，并焊接牢固。依次類(lèi)推直至拆除翼墻最底部。

2)翼墻拆除后土體暴露面有坑洼不平與鋼板間產(chǎn)生間隙的采用砂漿填實(shí)。

3)翼墻腳較低處采用打入工字鋼樁防護(hù)。

圖2 對(duì)拉防護(hù)圖（單位：m）

3 關(guān)鍵技術(shù)及可行性分析

3.1 防護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝

錨桿孔成型后，立即穿入錨桿并拉直，當(dāng)四根錨桿全部安裝完后，用砂漿將土體暴露面的坑洼不平處填實(shí)，處理完后，將加工好的鋼板(角鋼已焊接好)穿過(guò)錨桿緊靠土體安裝好，對(duì)錨桿兩側(cè)同時(shí)施加一定的力，先將拆除翼墻側(cè)的錨桿焊接在角鋼上，然后將另一側(cè)的錨桿同樣焊在角鋼上。

3.2 防護(hù)結(jié)構(gòu)的受力分析

3.2.1 受力結(jié)構(gòu)

鋼板、角鋼、錨桿三者形成一組合結(jié)構(gòu)，共同承受土壓力。

3.2.2 受力計(jì)算

1)計(jì)算資料。

a.翼墻加固高度H=4 m;

b.翼墻后填料為碎石類(lèi)土，其單位容重r=19 kN/m3，內(nèi)摩擦角 φ =40°;

c.根據(jù)《路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》列車(chē)和軌道荷載換算高度h=3.2 m;

d.鋼板長(zhǎng) a=2.4 m，寬 b=1 m。

2)受力計(jì)算。

土應(yīng)力圖見(jiàn)圖3。

a.土壤破裂角 θ。

b.推力系數(shù)λ。

c.最下面一塊鋼板承受的平均主動(dòng)土壓強(qiáng)P(見(jiàn)圖3)。

d.最下面一塊鋼板承受的壓力F(考慮1.3的安全系數(shù))。

e.錨桿鋼筋的直徑。

選用普通鋼筋作為錨桿，鋼筋的抗拉計(jì)算強(qiáng)度 R=19 000 kN/cm2，則所需鋼筋面積A:

每塊鋼板上用4根鋼筋，每根鋼筋的截面積為:

考慮鋼筋需要焊接，質(zhì)量不易保證，選用較大鋼筋，采用直徑16的螺紋鋼，每根面積為2.01 cm2。

f.鋼板的強(qiáng)度計(jì)算。

鋼板選用16Mn鋼，厚度t=14 mm，容許應(yīng)力[σ］=315 MPa;

角鋼間距1.4 m，鋼板計(jì)算跨度l1=1.4 m，每塊鋼板寬1 m，計(jì)算寬度b=1 m。

鋼板承受的均布荷載q1(取安全系數(shù)1.3):

最大彎矩 M1=q1×l21/8=36.08×1.42/8=8.84 kN/m。

截面抵抗矩 W1=b×t2/6=100 ×1.42/6=32.67 cm3。

彎拉應(yīng)力 σ1=M1/W1=8.84 ×103/(32.67 ×10－8)=270 MPa＜315 MPa。

鋼板彎拉應(yīng)力滿足要求。

g.角鋼的強(qiáng)度計(jì)算。

角鋼型號(hào)采用∠80×6 mm，其鋼材的容許彎拉應(yīng)力[σ］=315 MPa，剪應(yīng)力[τ］=185 MPa;

角鋼的計(jì)算跨度l2=0.6 m;

其截面抵抗矩查手冊(cè)W2=9.87 cm3(最小值)。

角鋼承受的平均均布荷載q2(取安全系數(shù)1.3):

q2=P × a/2 ×1.3=27.75 ×2.4/2 ×1.3=43.29 kN/m2。

最大彎矩 M2=q2×l22/8=43.29×0.62/8=1.95 kN/m。彎拉應(yīng)力 σ2=M2/W2=1.95 ×103/(9.87 ×10－8)=198 MPa＜315 MPa。

角鋼的彎拉應(yīng)力滿足要求。

角鋼最大剪應(yīng)力 V=F/4=86.58/4=21.65 kN。

假定剪應(yīng)力全部由角鋼與錨桿焊接的邊承受:

角鋼的剪應(yīng)力滿足要求。

4 加固方案實(shí)施

4.1 施工工藝簡(jiǎn)述

鉆機(jī)采用可移動(dòng)錨桿鉆機(jī)，并搭設(shè)腳手桿排架固定，以防止鉆機(jī)后坐。選擇鉆頭直徑0.05 m，鉆桿可接長(zhǎng)，根據(jù)路基寬度，共需鉆桿 11.5 m。

圖3 土應(yīng)力圖

施工前應(yīng)試鉆一個(gè)孔以確定鉆孔所用的時(shí)間，如鉆孔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，翼墻拆除后1 m高路基暴露的時(shí)間也相應(yīng)增長(zhǎng)，此時(shí)應(yīng)作一些其他輔助措施或調(diào)整方案。比如可以先將混凝土翼墻鉆透再鉆路基，穿入錨桿并臨時(shí)焊接后再拆除翼墻。

錨桿采用16 mm螺紋鋼筋，每根長(zhǎng)12 m，共計(jì)16根，鋼板尺寸為2 400 mm×1 000 mm×14 mm。鋼筋與鋼板連接方式為:先在鋼板上鉆好眼，鋼筋穿過(guò)鋼板后用角鋼(∠80×6 mm)將四個(gè)鋼筋頭焊接牢固。待所有鋼筋穿入并與鋼板連接固定好之后，用混凝土將錨固樁坑填平，以免雨水浸泡土體，使土體軟化。

4.2 控制重點(diǎn)

1)所有施工順序必須是由上而下進(jìn)行;

2)必須待每對(duì)鋼板上四根鋼筋全部焊接牢固形成對(duì)拉體系之后方可進(jìn)行下一節(jié)翼墻拆除;

3)鋼筋必須是經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)并且合格的，抗拉強(qiáng)度滿足190 MPa以上。

5 加固效果

此方案經(jīng)過(guò)路局工務(wù)處審批后實(shí)施，歷時(shí)3 d完成秦皇島端路基加固并拆除翼墻，僅投入資金1.5萬(wàn)元。橋體施工自開(kāi)挖基礎(chǔ)，歷經(jīng)基底換填，混凝土墊層澆筑，框構(gòu)底板鋼筋綁扎、支模、混凝土澆筑、養(yǎng)生，邊墻頂板支撐加固、鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑共計(jì)25 d時(shí)間未發(fā)生任何險(xiǎn)情。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)拉鋼筋錨桿加固路基施工技術(shù)，具有加固結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)具設(shè)備簡(jiǎn)陋，施工方法簡(jiǎn)便，加固周期短，方案安全可靠，加固費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。因此，該技術(shù)是一種在營(yíng)業(yè)線施工中值得推薦的比較實(shí)用的方法。

[1]橋涵頂進(jìn)設(shè)計(jì)與施工[M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1983.

[2]郭秉山.建筑結(jié)構(gòu)工程師手冊(cè)[M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]TB 10025-2006，鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S］.