防護排架施工技術分析驗算

（中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京 101400）

1 工程概況

資陽沱江多線特大橋中心里程為DK80+167。全橋起止里程為：DK79+979.71—DK81+564.37，全長1 584.66m。沱江橋上跨成渝鐵路和沱江，上跨部分采用（90+180+90）m連續梁拱組合結構，其中0號臺距離既有線僅37m，臺底距既有線高度為15.97m，且低于地面18.9m，0號臺施工前先進行土石方施工，基礎位于強風化泥巖夾砂巖。

該工程資陽沱江多線特大橋0號臺前臺土石方開挖施工屬于鄰近既有線施工，可能影響既有成渝線墨池壩——資陽區間K119+240～K119+320段線路正常運營。為確保鐵路正常運營，沿既有線右側山體設雙排鋼管竹排架進行防護。鋼管竹排架高32m、長50m，距既有線最近僅2.5m。

2 排架結構設計

3 排架驗算

3.1 錨桿軸向受力分析

3.1.1 按JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》計算

由于采用非擴孔錨桿，因此其軸向受力設計值計算如式（1）所示：

式中，Nu為錨桿的軸向受拉設計值；d為錨桿錨固體直徑；li為第i層土的有效錨固長度；qsik為黏結強度標準值；γs為受拉抗力分項系數，取1.8。

計算錨桿與漿體的軸向受拉承載力設計值，根據《建筑基坑支護技術規程》，強度取qs=2.8MPa，計算如式（2）所示：

計算漿體與巖體間的軸向受拉承載力，根據所給資料，巖體為泥巖夾砂巖，屬于軟巖且表面巖體已風化，出于安全考慮取qs=0.3MPa，則計算如式（3）所示：

3.1.2 按TB 10025—2006《鐵路路基支擋結構設計規范》計算

1）按錨固體與孔壁的抗剪強度確定錨桿的軸向受拉承載力設計值，如式（4）所示：

式中，Nu為軸向承載力設計值；D為錨孔直徑；L為錨桿有效錨固長度；τ為孔壁與砂漿的極限剪應力；K為安全系數，取2.5。

根據所給資料，錨桿的有效錨固長度取2.5m，錨孔直徑取100mm，既有線邊坡的巖體由強分化和弱風化泥巖夾砂巖組成，根據TB 10025—2006《鐵路路基支擋結構設計規范》規定，取極限剪應力τ=0.25MPa，則錨桿軸向受拉承載力設計值為：

2）按錨桿與砂漿之間的容許黏結力確定錨桿的軸向受拉承載力設計值，如式（5）所示：

式中，Nu為軸向承載力設計值；n為錨桿鋼筋根數；D為錨桿鋼筋直徑；[c]為錨桿與砂漿之間容許黏結力；β為鋼筋系數，單根 β=1.0，2 根 β=0.85，3 根 β=0.7。

根據所給資料，錨桿直徑為22mm，砂漿與錨桿間容許黏結力按TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》規定，取[c]=1.5×920=1 380kPa，n=1.0，β=1.0，則桿的軸向受拉承載力設計值為：

對比以上2種規范得到的結果，為確保安全，按TB 10025—2006《鐵路路基支擋結構設計規范》要求，軸向抗拉承載力設計值Nu=78.5kN，同時也說明錨桿與漿體的黏結力大于漿體與巖體間的黏結力，若被破壞，整個錨固體會被整體拔出。

3.2 排架有限元模型驗算

3.2.1 有限元模型建立

3.2.2 排架荷載作用組合

根據資料所給的荷載，滾石體積為50cm×50cm×50cm，質量為312.5kg，從5m高的邊坡（坡度為1∶1.5）滾落下來，摩擦系數為0.6，沖擊時間為0.1s，按最不利情況計算得到沖擊力為9.803kN。以集中力的形式作用在最終開挖面區域的排架上。根據落石可能撞上鋼管竹排架位置的不同，主要針對以下3種情況進行計算分析。

1）落石撞在排架的頂部。

2）落石撞在排架的中部。

3）落石撞在排架的底部。

由于本次驗算中的活荷載是水平方向的，而重力方向是豎向的，因此在荷載效應組合中就不用加入自重的效應。所以荷載組合為：荷載效應=1.4×活荷載。

3.2.3 計算結果和分析

1）剛度驗算

各種情況下的水平位移最大值如表1所示。

表1 豎向最大值位移值

由表1可知，最大水平位移發生在工況1，即荷載作用在排架頂部時，最大值為87.1mm，其與排架橫向長度之比為f/L=87.1/50 000=1/574＞1/600，超出規范要求的4.3%，但小于5.0%，仍在安全范圍之內。

2）錨桿拉力驗算

各工況錨桿的軸向拉力最大值如表2所示。

由錨桿產生的最大拉力為3.13kN＜Nu=78.5kN，小于錨桿軸向受拉承載力設計值，滿足要求。

表2 錨桿軸向拉力最大值

3）排架鋼管內力及應力驗算

由于排架整體尺寸過大，現僅繪出最大值所在鋼管的內力及應力圖。

各種工況下內力和應力的最大值，如表3所示。

表3 鋼管內力和應力最大值

由表3可知，鋼管的最大彎矩、最大剪力、最大應力均發生在工況1。由此可見，工況1即滾石撞在排架頂端為最不利情況。最大彎矩和最大剪力分別為1.45kN·m和2.54kN，而最大應力值為-196.4MPa＜[σ]=210.0MPa，滿足規范要求。

本次關于排架的驗算，包括了對錨桿的抗拉驗算及排架的剛度、內力及應力的驗算，通過以上驗算可知，錨桿和竹排架的受力、變形都滿足相關要求。

4 結語

綜上所述，為確保既有線線路完好，不影響正常運行，本文所述工程綜合上述驗算及施工方案，采用鋼管排架配合竹排進行防護，節省了成本，提高了施工工效，滿足灌注施工的安全防護規定。