鐵路小橋涵設(shè)計(jì)質(zhì)量通病探析

阮繼紅

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

1 概述

鐵路小橋涵,系指橫穿鐵路路基,用以排洪、灌溉或作為通道的建筑物。近年來,隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,小橋涵的設(shè)計(jì)量越來越大,譬如在最近的某條大鐵線上涵洞就達(dá)3000個(gè)之多,其他線路中,幾百個(gè)涵洞的情況也屢見不鮮,其中框架涵的運(yùn)用最為廣泛(《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》5.4.3條：涵洞宜采用框架涵),個(gè)別地方也采用圓涵。但是小橋涵設(shè)計(jì)因其量大,構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,往往被忽視,出現(xiàn)較多的質(zhì)量通病。某線15處涵洞由于流水面高程過低,下游堵塞,導(dǎo)致涵渠沖刷、積水,周邊設(shè)施損壞,危及路基穩(wěn)定；某線部分排洪涵出入口與兩側(cè)地面或既有水溝順接不良,排洪涵出入口溝床與上下游排水系統(tǒng)不能銜接,地表水不能歸槽；某線由于匯水面積計(jì)算不準(zhǔn)確,導(dǎo)致孔徑定的過小,臨時(shí)擴(kuò)孔,帶來了很多弊端；某線涵洞設(shè)計(jì)入口黃土陡坎的刷坡、順溝長(zhǎng)度不足,造成上游引水不暢。

這些涵洞建成后有的無法使用,有的對(duì)路基,周邊構(gòu)筑物,及周邊水系帶來破壞,有的很快損壞,造成巨大損失和不良影響,而且給維修帶來極大的困難,造成了養(yǎng)護(hù)成本的極大提高,并嚴(yán)重威脅鐵路行車安全。筆者結(jié)合鐵路小橋涵設(shè)計(jì)實(shí)踐,就設(shè)計(jì)中的質(zhì)量通病進(jìn)行分析,并提出解決辦法。

2 鐵路小橋涵主要設(shè)計(jì)質(zhì)量通病及解決辦法

2.1 涵洞在線位的位置和涵洞孔徑大小的確定

涵洞在線位上位置的合理確定對(duì)整條線路的排水系統(tǒng),對(duì)涵洞功能的發(fā)揮至關(guān)重要,孔徑大小也是滿足使用功能的重要因素。

2.1.1 存在的問題

(1)涵洞設(shè)置的遺漏,造成施工變更及造價(jià)增加。

(2)涵洞的位置不合適,施工中不斷變更；

(3)涵洞的孔徑不合適,無法滿足交通或排洪要求；

(4)涵洞與線路法向的夾角不合適,影響交通或排水。

2.1.2 問題分析及解決辦法

(1)問題分析

在一條幾百千米或上千千米的鐵路兩旁,或是村莊,或是農(nóng)田,或是丘陵,需要在線位上布置若干涵洞滿足周圍群眾的需要,同時(shí)也滿足鐵路安全性的需要,并滿足兩個(gè)涵洞的距離不小于30 m的要求[2]。但是某些線上經(jīng)常出現(xiàn)遺漏數(shù)個(gè)涵洞,或出現(xiàn)涵洞設(shè)置的方案到施工現(xiàn)場(chǎng)被當(dāng)?shù)卣腿罕娡品?有的是排洪出口沖著老百姓的魚塘,有的是交通涵設(shè)置的位置給當(dāng)?shù)厝罕娚顜聿槐?；有的?duì)地形、地物、管線改移等調(diào)查位置不準(zhǔn),數(shù)量不清；還經(jīng)常出現(xiàn)交通涵做大了,造成浪費(fèi),或做小了,不能滿足通車的需要；對(duì)于排洪的涵洞,出現(xiàn)比流量要求的凈空過大或過小的情況。這些一方面是由于勘察不到位,跟當(dāng)?shù)卣腿罕姏]有細(xì)致有效地溝通,并簽訂立交協(xié)議和灌溉協(xié)議,一方面是在設(shè)計(jì)過程中,沒有認(rèn)真參照調(diào)查表和協(xié)議。

(2)解決辦法

①在勘察過程中須詳細(xì)調(diào)查,和當(dāng)?shù)厝罕娂?xì)致溝通,考慮他們的需要,對(duì)地形地貌詳細(xì)的記錄和描述,明確涵洞的功能,明確涵洞位置,孔徑大小,簽訂完善立交或灌溉協(xié)議；

②根據(jù)地勢(shì)狀況、交通狀況、水流方向、選擇涵洞與線路的夾角,讓涵洞的出入口順接地形地貌,線路法向與涵位的夾角不宜大于45°,大于45°取45°[10]；

③在設(shè)計(jì)過程中要反復(fù)核對(duì)調(diào)查表,根據(jù)實(shí)際的勘察資料對(duì)地面的狀況和線路提供的平面圖仔細(xì)核對(duì),對(duì)于立交或灌溉涵洞,根據(jù)協(xié)議的要求,不小于協(xié)議要求的凈寬、凈高。對(duì)于排洪涵洞,在1∶10 000圖上圈出匯水面積,計(jì)算出設(shè)計(jì)流量,初步確定孔徑大小,不能盲目出圖。

2.2 流水面高程的確定

2.2.1 存在的問題

(1)灌溉涵的流水面高程不正確,無法順接天然溝渠；

(2)交通涵底板頂面高程不正確,和既有道路無法順接,導(dǎo)致出現(xiàn)大的填挖土方,或凈空不滿足協(xié)議要求；

(3)流水面高程不正確,路基的排水無法順入涵洞,雨水長(zhǎng)期浸泡路基,帶來路基危害,危及行車安全；

(4)需要下挖的涵洞,由于流水面高程不正確,導(dǎo)致涵洞內(nèi)積水無法排出；

(5)涵洞兩側(cè)都是隧道的情況,由于流水面高程的不正確,涵洞的水倒灌進(jìn)入隧道；

(6)流水面高程的不正確,軌底到涵洞頂板頂?shù)奶钔梁穸炔粷M足最小厚度的要求。

2.2.2 問題分析及解決辦法

流水面高程的不合理為工程留下隱患：

(1)對(duì)于灌溉涵和排水涵,流水面高程宜設(shè)定于天然溝渠下20～30 cm；

(2)對(duì)于交通涵,按照回填,做耐磨層后可以順接天然路面的原則來確定底板頂?shù)母叱?同時(shí)還應(yīng)保證回填后的凈空滿足協(xié)議的要求；

(3)與路基、線路專業(yè)及時(shí)溝通。若出現(xiàn)線路變化、路基邊溝排水變化的情況,應(yīng)及時(shí)調(diào)整流水面高程,保證路基的排水通暢[8]；

(4)對(duì)于下挖的涵洞,要在出口平面處找到一個(gè)較流水面高程低的合適的地形來保證水流順暢排出,并藉此確定流水面高程。

(5)對(duì)于兩側(cè)都是隧道的涵洞,應(yīng)與隧道專業(yè)及時(shí)溝通,計(jì)算涵內(nèi)最高積水面的高程,如果大于隧道要求的高度,應(yīng)調(diào)整流水面高程,直到滿足隧道的要求。

(6)有些涵洞,出現(xiàn)最小填土厚度不夠的情況,需要調(diào)整下挖量,調(diào)整流水面高程,同時(shí)根據(jù)需要調(diào)整孔徑大小。

2.3 涵洞的特殊地基處理

在設(shè)計(jì)中,經(jīng)常出現(xiàn)不良地基,如濕陷性黃土,軟土地基,飽和黏土及液化地基,溶洞區(qū)地基。小橋涵的地基處理,在不少工程設(shè)計(jì)中沒有得到很好的解決,有的涵洞還因此塌腰積水,甚至開裂?，F(xiàn)在很多客運(yùn)鐵路對(duì)地基沉降提出了嚴(yán)格的要求,地基處理方案的選擇,直接關(guān)系到涵洞在線路的位置選取,涵洞結(jié)構(gòu)形式的確定。針對(duì)不同的地質(zhì)條件,提出以下工程措施,供設(shè)計(jì)參考。

2.3.1 濕陷性黃土

濕陷性黃土屬于黏性土,這種土質(zhì)浸入水中,很快崩解,會(huì)產(chǎn)生較大的沉陷,又稱為大孔土,分為自重性濕陷性黃土和非自重性濕陷性黃土,根據(jù)不同情況,應(yīng)采取相應(yīng)的措施滿足沉降控制的要求。

(1)基底至濕陷性線厚度≤3 m時(shí)，若基底土層為1、2級(jí)非自重性黃土,按換填1.5 m三七灰土處理；若基底土層為自重性黃土,則非濕陷性線以上全部換填三七灰土[7]。

(2)基底至濕陷性線厚度大于3 m時(shí)，①若基底土層為1、2級(jí)非自重性黃土,按換填3 m三七灰土處理；若基底土層為自重性黃土,則改用φ0.5 m灰土擠密樁處理。處理基礎(chǔ)范圍為基礎(chǔ)邊緣外加1～2排樁。

出入口端墻,翼墻部分的基礎(chǔ)處理,應(yīng)與主體工程相同。另外,沉降縫的防滲非常重要,沉降縫處均應(yīng)設(shè)置止水帶,有效防止水滲入基礎(chǔ)。

2.3.2 軟土地基

軟土主要是由天然含水量大,壓縮性高,承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖物質(zhì)所組成的土。

⑴當(dāng)基底下軟土層厚度不大時(shí),可將軟土層全部挖除,換填砂礫石。

⑵當(dāng)軟土層4 m以上時(shí),可采用碎石擠密樁或CFG樁處理。CFG樁和樁間土一起,通過褥墊層形成CFG樁復(fù)合地基共同工作。碎石擠密樁或CFG樁的樁徑為0.5 m,采用梅花形布置,樁間距為1.2～1.4 m[6]。處理基礎(chǔ)范圍為基礎(chǔ)邊緣外加1～2排樁。兩者的選擇可參考相鄰路基的地基處理。涵洞的工后沉降限值與相鄰路基一致[4]。

2.3.3 飽和黏土及液化地基

基底土層為飽和黏土及液化地基通常采用碎石擠密樁來處理。擠密碎石樁與樁間土形成復(fù)合樁,提高了地基承載力,也提供了豎向排水通道,利于水層排出[9]。碎石擠密樁通常采用樁徑0.5 m,樁間距1.3～1.4 m,基底換填0.5 m級(jí)配碎石,梅花形布置?；A(chǔ)外邊緣擴(kuò)大2～3排樁。對(duì)液化地基,擴(kuò)大寬度不小于液化土層1/2厚,并不應(yīng)小于5 m。

2.3.4 溶洞區(qū)地基

在溶洞區(qū)設(shè)置涵洞,采用注漿處理是目前常用的有效方式,注漿孔一般為Φ90 mm,樁間距一般為2.5～3.5 m。處理基礎(chǔ)范圍為基礎(chǔ)邊緣外擴(kuò)3.5～5.5 m左右。

2.4 基礎(chǔ)形式的選擇

2.4.1 存在的問題

(1)基礎(chǔ)埋深不夠,在凍土區(qū)易出現(xiàn)凍裂現(xiàn)象；

(2)分離式基礎(chǔ)和整體式基礎(chǔ)選用不合理。

2.4.2 解決的辦法

(1)出入口及過渡涵節(jié)在凍脹地區(qū)基底埋深應(yīng)在凍結(jié)線下0.25 m[3],中間涵節(jié)的基礎(chǔ)埋深可取出入口埋深的0.8倍左右。

(2)當(dāng)抗震等級(jí)要求不高,地質(zhì)條件良好,線路方向與涵夾角較小,孔徑在6 m以上可采用分離式基礎(chǔ),其他情況宜采用整體式基礎(chǔ)；

(3)濕陷性黃土地區(qū)的小橋涵,必須采用整體式基礎(chǔ)。整體式基礎(chǔ)示意見圖1，分離式基礎(chǔ)示意見圖2。

圖1 整體式基礎(chǔ)示意(單位：cm)

圖2 分離式基礎(chǔ)示意(單位：cm)

(4)多年凍土地基通常采用鉆孔鋼筋混凝土樁,并以剛性承臺(tái)連接群樁[5]。

2.5 涵洞預(yù)留上拱度設(shè)置

2.5.1 出現(xiàn)的問題

(1)預(yù)留上拱度設(shè)置量偏大或偏??；

(2)中心流水面高程加預(yù)留上拱度大于入口流水面高程。

2.5.2 解決的辦法

⑴根據(jù)不同土質(zhì)采用不同的數(shù)值,碎石土,砂礫,粗紗,中砂,細(xì)砂采用H/80,半干硬狀態(tài)的,硬塑狀態(tài)的黏性土及老黃土采用H/50[1],不良地基按合適的措施處理好后,可以取H/80,H為線路中線處自涵洞流水槽面至軌底的高度。

⑵采取適當(dāng)加大流水面坡度,保證預(yù)留上拱度加上中心流水面高程小于入口處流水面高程。

2.6 其他經(jīng)常出現(xiàn)的幾種涵洞設(shè)計(jì)

2.6.1 接長(zhǎng)涵洞的設(shè)計(jì)

當(dāng)新建線位旁邊毗鄰既有線路,既有涵狀況良好時(shí),通常會(huì)出現(xiàn)既有涵接長(zhǎng)的情況。常出現(xiàn)的問題：接長(zhǎng)涵洞的流水方向和既有涵不對(duì)應(yīng)；接長(zhǎng)涵洞和既有涵的底板頂不順接；接長(zhǎng)涵洞和既有涵的接縫處的沉降縫未處理好；新線和既有線之間的路基邊溝的排水不通暢；既有線路基沒有保護(hù)措施,出現(xiàn)塌方等。解決的辦法如下。

(1)對(duì)既有涵詳細(xì)調(diào)查,準(zhǔn)確確定既有涵的流向、孔徑大小、頂?shù)装甯叱蹋?/p>

(2)接長(zhǎng)涵洞的流向和既有涵保持一致,底板頂?shù)母叱添樈蛹扔泻装屙敗?/p>

(3)接長(zhǎng)涵洞與既有涵洞之間的頂板高差應(yīng)采用混凝土擋塊,并做好相接處的沉降縫的設(shè)置和防水工作。

(4)施工時(shí)既有線應(yīng)采用鋼軌樁進(jìn)行防護(hù),保證既有路基的安全。

2.6.2 站場(chǎng)內(nèi)涵洞的設(shè)計(jì)

常出現(xiàn)的問題：涵洞長(zhǎng)度不夠；涵洞平面位置、斜交角度與站平面或房屋發(fā)生沖突；站場(chǎng)內(nèi)其他站線高程與涵洞高程出錯(cuò),導(dǎo)致填土高度計(jì)算錯(cuò)誤,涵洞結(jié)構(gòu)尺寸錯(cuò)誤,引發(fā)質(zhì)量事故。解決辦法如下：

(1)必須用站場(chǎng)橫斷面戴帽,保證涵洞長(zhǎng)度；

(2)仔細(xì)研究站場(chǎng)平面圖,避開站場(chǎng)建筑物,確定涵洞位置,斜交角度；

(3)填土厚度關(guān)系到結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算,軌底高程務(wù)必清晰。

2.6.3 出入口需要處理的涵洞

常出現(xiàn)的問題：入口處有陡坡,水流無法順入涵洞,危及到線路的安全；出口地質(zhì)情況不佳,溝底沖刷過大,水不能及時(shí)排出,危及涵洞主體工程和路基安全。解決辦法如下：

(1)入口處有陡坡,無法采用開挖土方順坡時(shí),常需要采用跌水井或急流槽處理。跌水井通常采用混凝土澆筑而成,急流槽通常采用漿砌片石,既要保證涵洞入口水流通暢,不積水,又要保證跌水井和急流槽結(jié)構(gòu)本身的安全性。

(2)出口處通常做梯形截面的漿砌片石槽引導(dǎo)水流按合適的速度排出。鋪砌的長(zhǎng)度根據(jù)地質(zhì),地形地貌和水流流量和速度大小而定。

3 結(jié)語

小橋涵的設(shè)計(jì)關(guān)系到線路的安危,關(guān)系到線路周圍水害的避免,關(guān)系到今后養(yǎng)護(hù)的難易,設(shè)計(jì)中在線路上正確布置涵洞的位置,涵洞孔徑大小合理選擇,流水面高程與周圍地勢(shì),周邊水系相適應(yīng),地基處理和基礎(chǔ)選擇要滿足沉降的要求。無論是結(jié)構(gòu)尺寸，還是構(gòu)造細(xì)節(jié),還是地基處理均應(yīng)充分考慮建造條件,合理選擇。

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