神朔鐵路改造工程受限路基支擋方案比選分析

續辰

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

近年來國家對中西部路網的建設越來越重視，要求加密西部路網，適當超前建設。該背景下，黃土地區建設工程大量增加，高陡邊坡及受限路基也隨之大量出現。但黃土地區邊坡極易失穩破壞，給邊坡支擋工程帶來了較大困難。在這種情況下，傳統支擋結構已無法較好滿足支護要求，椅式樁板墻在控制路基邊坡變形上效果更好，更能提高路基邊坡的穩定性，保證路基邊坡的安全。

椅式樁板墻由雙排抗滑樁發展而來，其受力變形計算機理仍主要參考深基坑支護[1]，研究主要集中于對雙排支護及抗滑樁的計算模型分析應用上。張玲[2]考慮前后樁的相互作用，基于歐拉伯努利雙層梁理論建立了樁身分段撓曲度方程，結合實際工程驗證了計算模型的可行性。續辰[3]結合FLAC3D數值軟件分析了膨脹土地區加錨雙排樁支護結構的受力變形特性，討論了不同內摩擦角和粘聚力情況下樁身水平位移的變化規律。

當前研究主要集中于懸臂樁板墻上，對椅式樁板墻研究較少，僅部分學者對其展開了研究與分析。李婷[4]針對土質高邊坡地段填方路基椅式樁板墻開展模型試驗，得到了樁后土壓力的分布形式；廖超[5]采用數值模擬研究了椅式樁板墻的橫梁設置位置、橫向樁間距及主樁錨固長度等關鍵參數對結構內力的影響。

根據上述研究可知：椅式樁板墻作為組合式雙排支擋結構的一種，支擋效果較好，工程性價比高，已得到了廣泛應用。但黃土地區陡坡路基較多，椅式樁板墻的整體穩定性及差異沉降控制較難，計算涉及的樁土相互作用仍相當復雜并成為現今路基設計的一大難題。因此，本文依托神朔鐵路小半徑曲線改造工程，結合改造段受限路基的改造方案，利用MIDAS GTS NXS軟件進行分析，對K148受限路基改造采用椅式樁板墻及懸臂樁板墻兩種方案進行比選，分析采用椅式樁板墻方案的優勢，對路塹椅式樁板墻的設計施工具有一定的指導意義和實用價值。

1 工程應用實例分析

1.1 工程概況

神朔鐵路是為開發神府東勝煤田而修建的運煤專用鐵路，隨著列車提速、貨運列車數量增大及重載列車數量的不斷增多，小半徑曲線的鋼軌磨耗問題日趨嚴重。故針對神朔鐵路小半徑曲線進行精細改造，工程平面示意圖見圖1。其中K148+630-K148+960改造段傍山而行，北側緊鄰國道G338，改造段線路上方為一高壓電塔，線路距離高壓鐵塔直線距離60.63m，本地段為挖方段，如直接放坡將涉及到高壓鐵塔的拆除與還建。故該段落采用路塹支擋結構進行支擋收坡。

圖1 工程平面示意圖

1.2 地質概況

根據工程地質調繪、室內試驗，神朔鐵路K148+630-K148+960 改造段地層主要為第四系上更新統風積層（Q3eol）砂質黃土；下伏基巖主要為奧陶系中統（O2ls）石灰巖。地下水主要為巖溶水，對混凝土結構一般不具侵蝕性。

1.3 設計原則

通過對K148+766-K148+786段路塹邊坡穩定性及坡上高壓電塔的影響進行研究，該段設計中應遵循以下設計原則：

（1）保障路塹邊坡的安全穩定及鐵路安全營運；

（2）由于路基右側有一高壓鐵塔且路塹邊坡高達45m，無法放坡支護，故需設置支擋結構避免拆除高壓鐵塔并穩固坡腳；

（3）由于該工程為既有線改造工程，故需保障支護方案技術可行，確保既有線運營及施工的安全。

1.4 設計方案

1.4.1 路塹樁板墻方案

方案一：初步擬定路基面右側采用C35路塹鋼筋混凝土椅式樁板墻收坡。樁身截面為2.25m×2.5m，樁長18m，懸臂段為6m，錨固段為12m，樁頂設置3m平臺。自平臺起按照1∶1.25進行放坡，邊坡高7.5m，采用孔窗式護坡。坡腳外5m設置天溝。

1.4.2 路塹椅式樁板墻方案

方案二：初步擬定路基面右側采用C35路塹鋼筋混凝土矩形椅式樁板墻收坡。前后樁樁身截面均為2.25m×2.5m。前樁樁長18m，懸臂段6m，錨固段12m；后樁樁長24m，懸臂段6m，錨固段18m；前后樁采用寬2.5m，高1.5m的連梁進行連接。自平臺起按照1∶1.25進行放坡，坡腳外5m設置天溝。設計方案對比見圖2。

圖2 設計方案對比

2 樁板墻及椅式樁板墻計算模型建立

設計檢算中，常將樁板墻等效為平面抗滑樁模型來進行受力分析，且對于數值仿真計算來說運用二維計算模型較為簡潔高效。故本文創建樁板墻及椅式樁板墻二維計算模型進行計算。將支擋結構用1D結構單元進行模擬，邊坡采用噴射混凝土進行模擬，樁端視為鉸接。

3 計算結果分析

3.1 椅式樁板墻方案結果分析

椅式樁板墻方案計算結果云圖見圖3。由圖3計算結果可知：

圖3 椅式樁板墻方案計算結果云圖

（1）當路基支擋結構施工完成后，邊坡整體最大水平位移為-25.46mm，出現在椅式樁板墻后樁樁頂附近；

（2）邊坡整體呈現一個從基底發生并延伸至地面的圓弧剪切滑動面；

（3）椅式樁前后樁樁身水平位移均隨著樁體深度增加而減小，樁身最大水平位移均出現在樁頂，前樁最大樁身水平位移為-22.43mm，后樁最大樁身水平位移為-25.46mm；

（4）邊坡整體穩定性系數為1.63，高壓鐵塔位置處位移為-9.78mm。

3.2 懸臂樁板墻方案結果分析

懸臂樁板墻方案計算結果云圖見圖4。由圖4計算結果可知：

圖4 懸臂樁板墻方案計算結果云圖

（1）當路基支擋結構施工完成后，邊坡整體最大水平位移為-43.93mm，出現在樁板墻樁頂附近；

（2）邊坡整體呈現一個從基底發生并延伸至地面的圓弧剪切滑動面；

（3）樁板墻樁身水平位移隨著樁體深度增加而減小，樁身最大水平位移出現在樁頂，樁最大樁身水平位移為-43.93mm；

（4）邊坡整體穩定性系數為1.34，高壓鐵塔位置處位移為-14.60mm。

3.3 方案比選分析

不同設計方案下樁身水平位移對比見圖5。

圖5 不同設計方案下樁身水平位移對比

由圖5可知：

（1）兩種方案樁身水平位移都隨著樁體深度的增加而減小，且樁身最大水平位移均出現在樁頂；

（2）對比前后樁樁身水平位移發現，后樁樁身水平位移大于前樁，在支擋體系中承擔主要作用，且由于連梁的存在，使得前后樁頂附近的位移被有效的約束；

（3）對比兩種方案的樁身水平位移可以發現，椅式樁板墻支擋效果較好，樁身整體水平位移較單一樁板墻方案減小72.55%。故椅式樁板墻的支擋效果要優于單一樁板墻。

4 結束語

本文依托具體工程，結合巖土分析軟件進行數值建模，對比分析了兩種設計方案的優劣，得到結論如下：椅式樁板墻支擋方案的邊坡整體穩定性比單一樁板墻支擋方案高；相較樁板墻收坡效果更好，邊坡整體水平位移及樁身水平位移更小；相較樁板墻支擋結構對坡上高壓電塔影響更小，更能保障高壓電塔的安全穩定性。

綜上所述，椅式樁板墻在受限路基的支擋中有著獨特的優越性，其穩定性更好，樁身內力位移較小，有著較強的收坡功能，是一種較好的重型支擋結構。