北方凍土地區(qū)鐵路病害橋整治分析

摘要：闡述牙林鐵路線(xiàn)K268+433潮叉河既有鐵路橋病害情況，對(duì)季節(jié)性及永久性?xún)鐾恋貐^(qū)既有鐵路橋墩臺(tái)及基礎(chǔ)凍害原因進(jìn)行分析，提出對(duì)北方凍土地區(qū)鐵路橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案及施工措施。

關(guān)鍵詞：凍土地區(qū)鐵路橋病害原因分析；橋梁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；施工措施

一.工程病害情況

牙林線(xiàn)K268+433潮叉河既有病害橋位于內(nèi)蒙古自治區(qū)根河市境內(nèi)，始建于1952年，基礎(chǔ)為薄壁沉井基礎(chǔ)，圓端形實(shí)體橋墩。該橋于2000年6月17日列為長(zhǎng)期慢行路段，限速25km/h。2007年哈局委托我院對(duì)本橋進(jìn)行原位新建設(shè)計(jì)。根據(jù)哈爾濱鐵路局工務(wù)處1999年《關(guān)于對(duì)牙林鐵路線(xiàn)K268+433潮叉河病害橋情況》報(bào)告，既有鐵路橋主要病害為：1號(hào)墩沉井橫向斷裂，并出現(xiàn)豎向裂紋。2號(hào)墩橫向振幅嚴(yán)重超限，墩臺(tái)身豎向裂紋。1、2、3號(hào)墩臺(tái)身和基礎(chǔ)混凝土腐蝕嚴(yán)重，劣化等級(jí)達(dá)到AA級(jí)。以上病害均已威脅到行車(chē)安全。決定采取拆除既有病害橋，原址新建鐵路橋方案。

二.氣象

根河市屬寒溫帶濕潤(rùn)型森林氣候，年平均氣溫為-7℃～-4℃，年降水量在300mm～450mm之間，氣候特點(diǎn)是冬季漫長(zhǎng)，夏季短暫。

按影響鐵路工程氣候分區(qū)劃分，本區(qū)屬?lài)?yán)寒地區(qū)。

三.凍土深度段落劃分

季節(jié)凍土：最大季節(jié)凍結(jié)深度為3.5m（凍結(jié)上限）。

永久凍土：本橋處于島狀融區(qū)凍土區(qū)。

四.工程地質(zhì)特征

勘察深度內(nèi)揭示地層為第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al），巖性為粉質(zhì)黏土（強(qiáng)凍脹土）、粗、細(xì)圓礫土、含圓礫粉質(zhì)黏土（該層局部為凍結(jié)狀態(tài)）、火山角礫巖。

五.病害原因分析

1.1號(hào)墩沉井橫向斷裂，并出現(xiàn)豎向裂紋

本橋?yàn)樯絽^(qū)河流，橋梁1#墩基礎(chǔ)沖刷嚴(yán)重，水流沖刷導(dǎo)致河床嚴(yán)重下切。1#墩薄壁沉井基礎(chǔ)橫向斷裂，原因?yàn)槌辆A(chǔ)內(nèi)外介質(zhì)不一致凍脹產(chǎn)生水平凍脹力擠壓所致，表現(xiàn)為薄壁沉井基礎(chǔ)橫向斷裂，同時(shí)由于基礎(chǔ)埋深不足，凍脹產(chǎn)生切向和法向凍脹力導(dǎo)致基礎(chǔ)失穩(wěn)、傾斜。墩身混凝土受拉導(dǎo)致墩身橫向、豎向裂紋交織。

2. 2號(hào)墩橫向振幅嚴(yán)重超限，墩臺(tái)身豎向裂紋。

綜合分析本橋2號(hào)墩身病害裂紋為凍脹變形所產(chǎn)生的裂紋。沉井基礎(chǔ)受沖刷后，基底埋深不足，每年冬季基底凍脹產(chǎn)生法向凍脹力使基礎(chǔ)被凍起，夏季融沉下落，多年反復(fù)導(dǎo)致基礎(chǔ)不均勻沉降，墩臺(tái)混凝土基礎(chǔ)承載力下降，基礎(chǔ)失穩(wěn)傾斜。表現(xiàn)為墩臺(tái)凍起、失穩(wěn)、混凝土產(chǎn)生豎向裂紋，橋墩整體性受到破壞，橫向振幅超限。

3.1、2、3號(hào)墩臺(tái)身和基礎(chǔ)混凝土腐蝕嚴(yán)重，劣化等級(jí)達(dá)到AA級(jí)。

本橋?yàn)閲?yán)寒地區(qū)凍融環(huán)境下橋梁，始建于上世紀(jì)50年代，所處地區(qū)溫差、濕度差較大，墩臺(tái)混凝土基礎(chǔ)受溫度、濕度、凍融破壞導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。表現(xiàn)為墩臺(tái)表面嚴(yán)重腐蝕露白漿，用手指即可搬下碎塊。

六.病害橋基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

結(jié)合氣候、地質(zhì)、水文及施工條件，新建橋采取如下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案解決凍脹發(fā)生：

1.采用樁基礎(chǔ)

選用直徑1.25m鉆孔灌注樁穿越永久凍土層，樁尖位于弱風(fēng)化火山角礫巖中。解決因擾動(dòng)多年凍土產(chǎn)生的樁基礎(chǔ)不穩(wěn)定問(wèn)題。

2.墩臺(tái)承臺(tái)埋深及回填

墩臺(tái)承臺(tái)同時(shí)考慮沖刷及最大季節(jié)凍深影響，將承臺(tái)底部設(shè)置于最大季節(jié)深度以下0.25m；并將局部沖刷考慮之內(nèi)，承臺(tái)采用六面配筋加強(qiáng)整體性，承臺(tái)側(cè)向回填級(jí)配碎石，預(yù)防季節(jié)凍土凍脹發(fā)生。

3.樁與承臺(tái)連接處

樁基深入承臺(tái)深度15cm處設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)，增強(qiáng)樁與承臺(tái)的連接強(qiáng)度。

4.材料等級(jí)選取

（1）混凝土：抗凍融循環(huán)次數(shù)要求達(dá)到200次，新建橋樁基礎(chǔ)、承臺(tái)及部分橋墩均屬于嚴(yán)寒且頻繁接觸水環(huán)境（D2環(huán)境），混凝土選用C40。最小膠凝材料用量不小于320kg/m?，且最大水膠比不大于0.45.

（2）細(xì)骨料：為保障混凝土不至于發(fā)生堿-骨料反應(yīng)膨脹破壞，骨料砂漿棒膨脹率不得大于0.20%，并根據(jù)細(xì)骨料及堿骨料相關(guān)檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)。性能滿(mǎn)足《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10005/2010相關(guān)要求。

（3）粗骨料：粗骨料應(yīng)選用粒形良好、質(zhì)地堅(jiān)固、線(xiàn)脹系數(shù)小的潔凈二級(jí)或多級(jí)級(jí)配骨料混配而成，骨料性能滿(mǎn)足《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10005/2010相關(guān)要求。

七.施工措施

1.鋼護(hù)筒的制作與安裝

為解決樁周上部?jī)鐾帘┞度诨?，滑桶，護(hù)筒埋設(shè)采用內(nèi)外雙鋼護(hù)筒。外鋼護(hù)筒制作時(shí)按直徑較樁徑大30cm～40cm制作，內(nèi)鋼護(hù)筒按照較直徑大10cm制作。為減小凍脹和熱融引起切向力對(duì)樁的影響，內(nèi)護(hù)筒外側(cè)涂10mm渣油，且其底部要埋入凍結(jié)上限以下0.5m。

2.鉆機(jī)選擇

新建橋地質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土、粗、細(xì)圓礫土、及風(fēng)化的火山角礫巖。施工難點(diǎn)在于弱風(fēng)化的火山角礫巖鉆進(jìn)，建議采用嵌巖鉆頭的旋挖鉆機(jī)鉆孔?？紤]中密角礫土鉆進(jìn)中存在塌孔可能性，為保證施工安全，建議采用靜態(tài)泥漿護(hù)壁進(jìn)行鉆進(jìn)。

3.混凝土澆筑

澆筑混凝土?xí)r應(yīng)分段分層連續(xù)進(jìn)行，澆筑層高度應(yīng)根據(jù)混凝土供應(yīng)能力、一次澆筑方量、初凝時(shí)間、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、鋼筋疏密綜合考慮決定，確?；炷潦┕べ|(zhì)量。

4.單樁豎向承載力現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)

施工單位應(yīng)嚴(yán)格管控施工質(zhì)量，并進(jìn)行單樁豎向承載力現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，確保單樁承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5.回填措施

基坑回填采用非凍脹性級(jí)配碎石回填，并對(duì)回填面進(jìn)行壓平處理，橋臺(tái)錐體坡腳采用回植塔頭草保溫。

結(jié)論：按照以上設(shè)計(jì)方案和工程措施新建的牙林線(xiàn)K268+433病害橋，采用穿越永久凍土層的柱樁基礎(chǔ)基本承載力充足穩(wěn)定。承臺(tái)埋深設(shè)置合理，回填措施得當(dāng)，消除了季節(jié)凍土融沉及凍脹發(fā)生，墩臺(tái)未發(fā)生傾斜及裂紋等凍害。此橋自2008年新建成至今使用狀況良好，為北方凍土地區(qū)病害橋整治提供了范例。

參考文獻(xiàn)：

[1]《牙林線(xiàn)K268病害橋施工圖設(shè)計(jì)》

[2]《青藏鐵路多年凍土地區(qū)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究》作者：曹玉新 魏青朝《鐵道工程學(xué)報(bào)》 2004年6月第二期，128-131頁(yè)，文章編號(hào)：1006-2106（2004）02-0127-05。

[3]《橋梁工程凍土地區(qū)樁基礎(chǔ)施工技術(shù)》作者：丁曉軍 鮑躍平《民營(yíng)科技》 2013年第8期，114頁(yè)。

[4]《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10005/2010

[5]《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ118-98

[6]《鐵路橋梁鉆孔樁施工技術(shù)指導(dǎo)》TZ322-2010

作者簡(jiǎn)介：

徐興峰（1979-）男，吉林長(zhǎng)嶺人，本科，工程師，研究方向：鐵路橋梁。