大截面鋼軌抗滑樁應用關鍵技術研究及工程應用

閔征輝,鄒德兵

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司, 湖北 武漢 430010;2.國家大壩安全工程技術研究中心, 湖北 武漢 430010)

抗滑樁是滑坡加固設計中最常用的措施，由于施工簡單、快捷、對原始邊坡的擾動較小，因此在滑坡治理中得到了廣泛的應用[1]。近年來，蘇先科等[2]、武玉婷[3]、王奎等[4]、陳武[5]在高速公路滑坡治理和李春波[6]、黃志平[7]在基坑支護中應用了微型鋼軌抗滑樁，即在鉆孔中放入1根～2根舊鋼軌后用混凝土或水泥砂漿充填鋼軌與孔壁間的空隙形成的樁。微型鋼軌抗滑樁截面小，適用于滑坡推力不大，巖體較完整的巖質邊坡，它比大截面抗滑樁有輕便、靈活、施工速度快等優點，但工程應用中存在舊鋼軌抗拉強度取值較難、耐久性等問題，限制了大規模工程應用。

隨著我國水電開發進一步向西南的大江大河、高山峽谷推進，很多工程位于大(巨)型滑坡附近，無法規避，必須進行治理。大(巨)型滑坡下滑力大，在采取截水、排水等措施基礎上，往往還需要配合采用大截面抗滑樁進行治理。由于配筋率和鋼筋抗拉強度的限制，大截面抗滑樁混凝土抗壓強度并沒有得到充分發揮。采用抗拉強度高(≥880 MPa)、抗彎性能好(工字型截面)的鋼軌替代抗滑樁縱向受力鋼筋，理論上可形成一種抗滑能力強、工程費用省的鋼軌抗滑樁，但將鋼軌應用于大截面抗滑樁中作為受力鋼筋，存在以下幾個問題[8-9]：

(1) 鋼軌特別是舊鋼軌抗拉強度取值難以確定。

(2) 鋼軌表面是光滑的，類似于Ⅰ級光圓鋼筋，與混凝土握裹力不足(受力鋼筋要求用Ⅱ級及以上帶肋鋼筋)，抗滑樁承受滑坡推力產生變形后鋼軌與混凝土可能脫開，發生“抽芯”現象，導致鋼軌與混凝土不能聯合受力。

(3) 在鐵路上，魚尾板(接頭夾板)主要起導向作用，兩根鋼軌通過魚尾板夾緊使其對準連接，防止錯位導致火車出軌；為適應鋼軌因溫度變化而引起的伸縮，在鋼軌與鋼軌、鋼軌與魚尾板之間均有一定的間隙。這就使得鋼軌之間采用魚尾板連接后，順鋼軌長度方向仍有一定活動空間。因此魚尾板連接類似“鉸接”，而鋼軌抗滑樁中的鋼軌則要求采用剛性連接。

此外，現行的《43 kg/m～75 kg/m鋼軌接頭夾板訂貨技術條件》[10](TB/T 2345—2008)中，魚尾板抗拉強度較鋼軌偏低(抗拉強度為785 MPa或845 MPa)。在大型滑坡治理中，滑坡推力大，滑面深，鋼軌標準長度一般為12.5 m或25.0 m，超過標準長度鋼軌須接長，鋼軌抗滑樁如采用魚尾板連接則鋼軌連接處是機械強度的薄弱處，不符合抗滑樁中鋼軌需要等強連接的要求。

綜上所述，目前大截面鋼軌抗滑樁應用存在鋼軌強度取值較難、鋼軌與混凝土握裹力不足、魚尾板連接剛度不夠且連接處強度偏低等問題。

1 舊鋼軌抗拉強度取值

1993年，我國鐵路部門組織制定了《43 kg/m～75 kg/m 鋼軌訂貨技術條件》[11](TB/T2344—1993)系列標準，但除了斷面尺寸外，冶金系統采用的還是《鐵路用每米38～50公斤鋼軌技術條件》[12](GB 2585—1981)。直到2003年，鐵路系統和冶金系統仍分別采用本行業制定的標準。

2003年，鐵道部組織鐵道科學研究院等單位，對上述標準進行重大修訂，借鑒歐洲鋼軌標準，結合我國鋼軌生產廠技術改造實際情況和工藝技術水平，制定了《43 kg/m～75 kg/m鋼軌訂貨技術條件》[13](TB/T 2344—2003)(以下簡稱“舊標準”)，用于運營速度為160 km/h及以下鐵路鋼軌的生產、采購和驗收檢驗。自2003年以來，舊標準得到廣泛應用，在我國鐵路建設中發揮了巨大作用，并取得良好社會效果。舊標準中鋼軌的力學性能指標見表1。

表1 舊標準中鋼軌和HRB400鋼筋力學性能

為適應我國高鐵發展的需要，舊規范進行了修訂，目前現行有效版本為《43 kg/m～75 kg/m 鋼軌訂貨技術條件》[14](TB/T 2344—2012)(以下簡稱“新標準”)。新標準中鋼軌的力學性能指標見表2和表3。

表2 新標準中熱軋鋼軌力學性能

表3 新標準中熱處理鋼軌力學性能

對比表1、表2及表3中鋼軌和我們常用的HRB400的Ⅲ級鋼筋的力學性能指標，鋼軌抗拉強度是鋼筋的1.63倍～2.37倍。考慮鋼軌長時間使用后，存在一定的疲勞損傷，損傷類型包括磨損和疲勞裂紋[15-18]。舊鋼軌力學性能指標相比新鋼軌肯定有一定程度的下降，參考類似工程經驗，舊鋼軌抗拉強度按新鋼軌抗拉強度的70%考慮；同時參考《鋼筋混凝土用鋼第2部分:熱軋帶肋鋼筋》[19](GB/T 1499.2—2018)，考慮設計抗拉強度約為極限抗拉強度60%，最終推薦工程應用中舊鋼軌設計抗拉強度取值見表4及表5。

表4 熱軋舊鋼軌抗拉強度值

表5 熱處理舊鋼軌抗拉強度值

根據表4、表5可知，即使是舊鋼軌，設計抗拉強度也在369 MPa～537 MPa，比我們常用的HRB400的Ⅲ級鋼筋抗拉強度高2.50%～49.17%。

2 舊鋼軌加糙

為解決鋼軌與混凝土握裹力不足問題，需對舊鋼軌表面進行加糙，加糙步驟如下：

(1) 鋼軌選擇。鋼軌加糙前，挑選、檢查舊鋼軌。首先，人工肉眼排除存在裂紋、彎曲嚴重的舊鋼軌。然后，采用超聲波對鋼軌內部缺陷進行檢測[20-21]，排除存在內部損傷的舊鋼軌；必要時可以進行拉伸試驗。經過檢查合格后的舊鋼軌清除表面污物，做除銹處理后準備加糙。

(2) 鋼軌加糙。沿鋼軌上、下、左、右共4個表面，每隔一定間距幫焊一段加糙鋼筋(見圖1)，加糙鋼筋直徑和間距根據受力情況確定。

圖1 鋼軌加糙示意圖

加糙采用焊接效果較好、適合鋼軌焊接的連續閃光焊[22-23]，焊后在干燥環境下自然冷卻至常溫。經現場焊接試驗多次比較，鐵路鋼軌專用焊條焊接質量最佳。加糙不得對鋼軌本身造成損傷，加糙后鋼軌表面不應有裂紋、明顯壓痕、劃痕、踫痕、打磨灼傷等傷損。

經過現場檢驗，本鋼軌抗滑樁的鋼軌加糙工藝，簡單易行、經濟適用，可有效解決鋼軌與混凝土握裹力不足的問題，防止受荷后鋼軌與混凝土脫開，發生“抽芯”現象，解決了鋼軌抗滑樁工程應用中存在的安全隱患。

3 鋼軌制安

經過加糙后的舊鋼軌可作為抗滑樁中的縱向受力鋼筋，但舊鋼軌標準長度通常為12.5 m、25.0 m，為滿足抗滑樁縱向受力鋼筋長度要求,必須進行連接。

(1) 鋼軌連接。鋼軌的連接采用專用鋼軌連接器，見圖2及圖3。施工時應注意，配置在鋼軌抗滑樁“同一水平截面內”受拉區的鋼軌接頭數(鋼軌連接器的個數)不超過鋼軌總數的50%。

圖2 專用鋼軌連接器立視圖

圖3 專用鋼軌連接器橫剖面圖

專用鋼軌連接器與魚尾板類似，但相比鐵路行業的魚尾板連接，它有以下優點：①與鋼軌腹板貼合緊密且連接處沒有間隙；②配套的螺栓與鋼軌和連接板上孔眼尺寸一致；③選用高強材質。專用鋼軌連接器屬于機械連接，施工簡單快捷、連接牢固可靠，具有良好的經濟效益和社會效益。

(2) 鋼軌下放。因井內焊接作業條件差,一般在地面一次接好,利用井架上的提升滑輪配以長臂吊車將鋼軌下放或專用卡具下放。

(3) 鋼軌固定。由于鋼軌長且重,定位及固定其間距較困難,操作時在井內每5 m～8 m設一道定位鋼筋。定位鋼筋一般兩端插入護壁混凝土土內，鋼軌定位準確后采用鐵絲綁扎固定。

鋼軌的軌底應迎向滑坡下滑方向，鋼軌橫截面中軸線方向與抗滑樁長邊方向一致。

鋼軌抗滑樁除鋼軌安裝外，其它施工工藝同普通抗滑樁。

4 工程應用

構皮灘水電站石棺材崩坡積體位于大壩下游左岸，泄洪洞出口上方。平面上呈不規則的長方形，南北長260 m～310 m，東西寬230 m～280 m，分布面積7.2萬m2，體積約110萬m3，崩坡積體厚度變化較大，一般15 m～25 m，最大達58.3 m。

構皮灘水電站開工前，石棺材崩坡積體未出現變形。水電站開工后，左岸施工道路特別是箐馬公路的修建對崩坡積體構成較大擾動，加上暴雨作用，2002年曾誘發了崩坡積體局部變形，產生了6個變形體，其中以1#和4#變形體最為危險。后經采用抗滑樁、回填反壓、排水、坡面防護等措施對其進行了綜合治理，治理完成后整體穩定性較好，但仍存在局部變形。

由于構皮灘通航建筑物布置需要，將對石棺材崩坡積體坡腳壓重進行開挖，開挖量11萬m3，挖斷箐馬公路，挖除1#變形體已有抗滑樁、箐馬公路內側漿砌石擋墻及格構護坡，挖除4#變形體坡腳抗滑樁，將對石棺材崩坡積體產生強烈的擾動，極有可能再次引發變形體變形，甚至誘發崩坡積體的整體失穩。

(1) 工程治理方案。經過大量計算分析后，工程治理采取以2～3排大截面鋼軌抗滑樁為核心的支擋方案，具體支護措施及監測設施布置見圖4。

圖4 石棺材崩坡積體治理及監測布置示意圖

(2) 監測成果分析。石棺材崩坡積體布置了測斜孔、多點位移計等監測設施，工程完工后，經過近8年運行期監測，數據如下:

① 測斜孔。崩坡積體下滑方向水平位移變化小，最大累計合位移為約20 mm，沒有出現異常的波動，測斜孔典型位移曲線見圖5。

圖5 EL.661.18 m測斜管IN09SGC位移曲線

② 多點位移計。整體變形量不大，最大變形量為-0.98 mm～8.41 mm,現基本已趨于穩定狀態。典型多點位移計位移過程曲線見圖6。

圖6 典型多點位移計位移過程曲線

(3)運行情況。2014年7月14日—18日，4 d時間內烏江渡—構皮灘區間面降雨量181.3 mm，構皮灘水電站樞紐區降雨量254 mm，降雨強度約為100年一遇，崩坡積體內地下水位超過設計穩定計算地下水位，但是監測數據顯示，石棺材崩坡積體變形較小，依然保持穩定。

(4) 結論。經過8年監測數據分析及2014年暴雨工況檢驗，可得出結論：石棺材崩坡積體采用大截面鋼軌抗滑樁進行治理是十分成功的。

5 結 語

(1) 類比鋼筋強度比值關系，舊鋼軌根據鋼排號不同，設計抗拉強度可取為369 MPa～537 MPa，比我們常用的HRB400的Ⅲ級鋼筋抗拉強度高2.50%～49.17%，且價格較HRB400鋼筋便宜，經濟性更好。

(2) 鋼軌抗滑樁的鋼軌加糙工藝，簡單易行、經濟適用，可有效解決鋼軌與混凝土握裹力不足的問題，防止受荷后鋼軌與混凝土脫開，發生“抽芯”現象，解決了鋼軌抗滑樁工程應用中存在的安全隱患。

(3) 專用鋼軌連接器施工簡單快捷、連接牢固可靠，且連接剛度大，符合鋼軌抗滑樁中鋼軌剛性連接的要求，有利于鋼軌抗滑樁的推廣應用。