某既有鐵路橋墩的加固設計

趙冠剛 張宗魯 聶 磊 王 康

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，山東濟南 250022)

1 概述

某地方鐵路于1992年建成通車，其中，跨越老清河時采用6孔20 m鋼筋混凝土簡支T梁，下部采用鋼筋混凝土圓端形板式橋墩，墩臺均為擴大基礎。由于當地多年對河道無序采砂，使河床平均下切3 m多，橋墩基礎成為淺基。2011年7月當地遭受特大暴雨，洪峰過后橋墩基礎均有不同程度的裸露，其中，2號墩橫向發生傾斜(基礎底至墩頂中心線偏移0.10 m，與線路中心線偏移0.07 m)，并導致了鐵路臨時停運。經相關部門搶險(采用83式軍用墩支承2、3孔梁，對2號墩進行部分卸載)通車后，由我單位進行2號橋墩的加固及全橋淺基處理設計。

2 設計思路

既有橋修補加固工程一般規模較小，但往往時間緊迫，且施工及運營的安全壓力大。在以往既有橋加固工程中，各單位一般根據各自經驗并參照其他行業規范進行設計，結構的安全儲備、工程的經濟合理性指標等不甚統一。

本例工程為老清河大橋2號墩(橫向發生微傾)的加固設計，總體設計思路如下。

(1)根據現狀河流的狀態，重新進行河道的水力計算，作為現狀淺基防護及橋墩加固的依據。

(2)選擇2號橋墩的加固利用方案，進行樁基及植筋的計算，保證加固后橋墩穩定。

(3)選擇2號墩上部梁跨的支護方法，并進行梁部及臨時支墩的結構驗算。

(4)選擇基坑降水及開挖支護方案。

3 加固設計

為保證2號墩不再傾斜而保持穩定狀態，需對其進行加固設計。主要設計內容包括:淺基防護水力計算、橋墩加固及樁基計算、植筋計算、T梁及83式軍用墩檢算、基坑開挖支護計算等項目，其中涉及的計算內容多，技術含量高，工作量大。主要設計過程分述如下。

(1)淺基防護水力計算

該橋按50年一遇防洪標準設計，2011年雨季過后，現狀河道的縱、橫斷面，利用《鐵路工程水文勘測設計規范》(TB10017—99)的3.6.2和3.6.6系列公式，重新計算河道的水力特征值并與原設計值相比較(見表1)。

表1 水利特征比較

由表1數據可知，根據一個雨季周期過后，實測河床斷面計算的水力特征值，表明橋墩擴大基礎的埋置深度已遠不能滿足相關規范的要求，必然影響橋墩基礎的穩定，并對橋梁和鐵路運輸安全造成威脅，故必須進行全橋淺基防護處理。

(2)橋墩加固及樁基計算

本橋已建成通車近20年，橋墩的使用狀況和外觀質量均良好，根據經驗判斷外觀質量合格。

根據《鐵路橋涵設計規范》(TB10002.1—2005)第5.3節及《鐵路工務技術手冊－橋涵》(1992年2月第二版)第七章第七節第四部分(表7－7－5)判斷，傾斜后橋墩橫向墊石邊緣至支座底板的距離由原0.30 m減小為0.27 m，但仍大于規范[1］0.20 m的規定值，故橋墩仍滿足結構性需要，所以不必進行糾偏。

橋墩采用增補樁基加固法:在既有橋墩擴基左右兩側各增設2根基樁，擴基四周設鋼筋混凝土承臺包裹，為滿足剛性角的要求承臺設為2層。采用規范“m”法計算確定為4根直徑1 m的摩擦樁，樁長21 m。

采用MADIS分別建立原橋墩和加固后橋墩計算模型(如圖1)，計算結果為:墩身混凝土及鋼筋應力、墩頂位移等指標均滿足原設計要求，且墩頂位移有較大程度的改善，故從材料性能角度判斷，橋墩可以在傾斜狀態下繼續使用(見表2)，不需糾偏。

圖1 橋墩計算模型

表2 橋墩檢算結果對照

(3)植筋計算

新舊圬工的結合是本工程的難點之一，目前，鐵路行業沒有制定相關的加固設計規范，新舊圬的結合一般采用打牽釘的方式，缺少理論計算依據。

本例工程參照《公路橋梁加固設計規范》(JTG/T J22—2008)、《混凝土結構加固設計規范》(GB50367—2006)和《混凝土結構后錨固技術規程》(JGJ145—2004)進行設計。橋墩加固采用植筋技術，選用直徑為20 mm的HRB335鋼筋。

植筋根數計算:橋墩基礎底主要受豎向力(7 565 kN)影響，根據第四強度理論最大切應力[τ］=0.577[σ］，植筋的切應力為193 MPa，計算共需鋼筋125根。

植筋驗算:根據規范要求，對鋼筋和基材混凝土進行受拉、受剪，以及受拉、剪作用下強度驗算，確保鋼筋和基材混凝土不發生破壞。

①植筋錨固深度

按規范公式計算，結果為Id=479 mm，取500 mm。

②基材混凝土的抗剪承載力設計值

按規范公式計算，設計值Vc=8 591.6 kN＞基底處外力為7 565 kN。

由以上結果可知，鋼筋、基材混凝土都不會發生破壞，設計滿足要求。

(4)T梁及83式軍用墩檢算

搶險時采用83式鐵路輕型軍用墩，作為2、3孔梁的臨時支點，部分卸除2號墩的上部荷載，雖能保證全橋限速10 km/h的通行需要，但各墩受力分配不明確。

施工需完全卸載2號墩上部荷載，而既有2、3孔梁亦成為懸臂梁，故需對梁及83式軍用墩進行受力檢算，并應保證梁及臨時墩的絕對安全，采用MADIS建立空間模型(如圖2)，計算(結果見表3、表4)。

圖2 臨時墩支承梁體計算模型

表3 八三式鐵路輕型軍用橋墩檢算結果

表4 20 m鋼筋混凝土T梁驗算結果

(5)基坑開挖支護設計

基坑開挖時2號墩基礎僅留0.5 m埋入土中，其他部位與四周土體完全剝離、裸露，失去了側向土體的支承，是施工過程中的危險環節之一，故基坑開挖的安全防護尤為重要。設計采取了以下幾個主要措施:①在基坑開挖影響范圍內注水泥砂漿封堵地下水，同時加固基礎下土層;四周設大口井，輔助降低地下水位至設計基底下1 m。②在2號橋墩橫向傾面設H形鋼輔助支承頂撐墩身。③基坑開挖時，坑壁采用鋼板樁圍堰進行支護，圍堰間適當增設橫撐。④建立觀測點，實時觀測墩身及地表變形情況;制定全面的應急預案，及時處理突發情況。

4 結束語

工程竣工通車后，經半年的持續觀測，橋梁使用狀態良好，且列車運行的平穩性有所提高，運營條件有所改善。根據本工程采取的設計措施及取得的實際效果，筆者認為有以下幾點經驗值得肯定。

(1)2號墩采用增補樁基加固法，既保證了橋墩的穩定，又大大提高了其整體剛度，改善了鐵路運輸條件，故在既有淺基橋梁的處理中，增補樁基加固法可為首選方案。

(2)新舊圬工結合采用的植筋技術效果很好，說明建設部等部門頒發的相關行業規范、標準，對鐵路工程也是適用的。

(3)83式軍用墩為標準桿件模數化制作拼裝，其重復利用率高、性能穩定、地基適應性強，與鋼管混凝土、萬能桿件等支承形式相比，經測算可節省支承工程費約4%，故可作為臨時支墩的首選。采用注水泥漿(加水玻璃)封堵地下水并加固地基，也達到了較好的效果，說明在細圓粒土層中采用注漿的辦法是可行的。

[1]鐵道第三勘察設計院.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范[S］.北京:中國鐵道出版社，2005

[2]中鐵工程設計咨詢集團有限公司.TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S］.北京:中國鐵道出版社，2005

[3]鐵道第三勘察設計院.TB 10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S］.北京:中國鐵道出版社，2005

[4]鐵道第三勘察設計院.TB 10017—99 鐵路工程水文勘測設計規范[S］.北京:中國鐵道出版社，1999

[5]鐵道部工務局.鐵路公務技術手冊-橋涵[M］.北京:中國鐵道出版社，1992:266-267

[6]中交第一公路勘察設計研究院有限公司.JTG/T J22—2008 公路橋梁加固設計規范[S］.北京:人民交通出版社，2008

[7]四川省建筑科學研究院.GB50367—2006 混凝土結構加固設計規范[S］.北京:中國建筑工業出版社，2006

[8]中國建筑科學研究院.JGJ145—2004 混凝土結構后錨固技術規程[S］.北京:中國建筑工業出版社，2004