漳泉鐵路K56路肩擋墻病害原因分析及綜合治理

卓雄華

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

漳泉鐵路K56路肩擋墻病害原因分析及綜合治理

卓雄華

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

介紹漳泉鐵路K56路肩擋墻病害情況，對擋墻的外傾變形原因進(jìn)行分析，采用通用極限平衡法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定數(shù)值分析，計算搜索出最不利的滑面(即破裂面);采用庫侖理論計算作用于擋墻上的主動土壓力，并對擋墻病害進(jìn)行檢算。通過經(jīng)濟(jì)適用性、施工優(yōu)越性、對既有路基的影響等方面綜合對比，確定采用既有路肩墻墻體注漿+肋柱整板式錨索墻加固方案，對既有路肩墻病害進(jìn)行綜合治理，有效地解決了在一些客觀條件受限情況下既有路肩墻變形病害問題。

鐵路路基;路肩擋墻病害;注漿;肋柱整板式錨索墻

我國大部分單線低等級鐵路始建于20世紀(jì)五六十年代至九十年代末，受當(dāng)時社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的限制，設(shè)計采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較低。特別是早期建設(shè)的山區(qū)單線鐵路，為減小橋隧工程，節(jié)省投資，一般依山傍河而建，高填深挖路基、陡坡路基等較為常見。

由于當(dāng)時施工水平受限，運營時間長，加之近年來隨著重載及提速列車的大量開行，鐵路路基病害頻發(fā)，且具有分布廣、治理難、多發(fā)性強(qiáng)的特點。既有山區(qū)鐵路陡坡路基及深路塹的擋墻開裂、邊坡滑移、垮塌是既有鐵路常見病害類型，一般可以采用各種支擋防護(hù)形式進(jìn)行病害治理。而在自然坡度陡峭的斜坡地段，采用肋柱整板式錨索墻對路肩墻變形加固處理，可以有效解決施工場地受限等問題。

本文介紹了漳泉鐵路K56路肩擋墻病害情況，根據(jù)地形地質(zhì)條件及病害特征，經(jīng)過方案比選分析，采用小花管注漿加固既有路肩墻墻體+肋柱整板式錨索墻治理既有路肩擋墻變形病害，其措施經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠，確保了路基結(jié)構(gòu)的整體安全、穩(wěn)定及既有線的運營安全，為以后類似工程積累了經(jīng)驗。

1 工程概況

漳泉鐵路于20世紀(jì)五六十年代開始興建，為客貨共線鐵路，線路運營時間較長。本段病害路基位于山體中下部，為陡坡路堤，左側(cè)采用路肩墻收坡，墻高3～8m，采用漿砌片石砌筑。根據(jù)運營單位資料，線路里程K56+235～K56+280段左側(cè)路肩擋墻，1993年時，路肩墻體外傾8 cm，1997年達(dá)18 cm，2003年達(dá)23.5 cm，2012年現(xiàn)場調(diào)查時，墻體整體外傾24.1 cm，下沉約2 cm，砂漿存在風(fēng)化剝落現(xiàn)象，且不飽滿。

路基病害工點所屬剝蝕低山區(qū)，地形起伏較大，植被發(fā)育，多為茶葉林、灌木，交通不便。表層為第四系的粉質(zhì)黏土局部夾碎石，厚約7m;其下為花崗巖全風(fēng)化，厚約3m，下為花崗巖強(qiáng)～弱風(fēng)化。地下水不發(fā)育，地表水主要為雨季坡面流水。既有路基代表性斷面及地層巖性見圖1。

圖1 既有路基橫斷面及地層示意(單位:m)

2 路肩擋墻變形特征及原因分析

2.1 路肩擋墻變形特征

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，路肩墻墻體主要為外傾，且外傾量較大，達(dá)24.1 cm，局部有下沉現(xiàn)象，下沉量較小，約2 cm，目前墻體外傾變形有了進(jìn)一步發(fā)展的趨勢，嚴(yán)重威脅既有線行車安全。

2.2 原因分析

該路基段位于山體中下部，地面橫坡較陡，既有路肩墻坡腳處由于雨水常年沖刷，擋墻基礎(chǔ)埋深存在不足，抗傾覆能力較差;路肩擋墻采用漿砌片石砌筑，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，墻體存在水泥砂漿不飽滿、局部存在空洞、墻體泄水孔堵塞排水不暢等缺陷。另結(jié)合地形地貌以及勘探揭示的地層分布情況，地面坡度與全～弱風(fēng)化層的巖層界面基本平行，一旦外界條件發(fā)生變化，路基易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

在線路的長期運營過程中，路肩擋墻墻體出現(xiàn)外傾變形，主要誘發(fā)因素是列車運營產(chǎn)生的動荷載效應(yīng)，使路肩擋墻墻背水平土壓力增大，超出了路肩墻所能承受的范圍，導(dǎo)致墻體產(chǎn)生外傾變形;而路肩擋墻本身砌筑質(zhì)量較差，使墻體外傾變形進(jìn)一步加劇。雨季時，雨水下滲，由于泄水孔排水不暢，下滲的雨水增大路基填筑體的容重，降低填筑體的力學(xué)指標(biāo)，使墻背土壓力增大，在列車動荷載的作用下，也將加劇路肩擋墻的外傾變形。

綜上所述，此段路基的工程地質(zhì)特征、路肩擋墻本身砌筑質(zhì)量及基礎(chǔ)埋深不足等是外傾變形病害產(chǎn)生的內(nèi)在原因，列車動荷載作用、降雨等是外傾變形病害產(chǎn)生的外部原因。

3 分析計算及路基病害加固方案比選

3.1 分析計算

3.1.1 計算參數(shù)

通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)勘察資料，獲取K56+235～K56+280處左側(cè)路基病害的計算參數(shù)見表1。表1為既有路基各層巖土體計算的物理力學(xué)參數(shù)值。

表1 土層參數(shù)

3.1.2 設(shè)計計算方法

本工點設(shè)計思路，分為3步:①通過邊坡穩(wěn)定數(shù)值分析，搜索出最不利的滑面(即破裂面);②采用庫侖理論計算作用于擋墻上的主動土壓力，并進(jìn)行擋墻檢算;③加固方案比選，確定病害治理措施。

(1)邊坡穩(wěn)定數(shù)值分析

邊坡穩(wěn)定數(shù)值分析，理論基礎(chǔ)為極限平衡法(GLE法)，它是建立在2個安全系數(shù)方程的基礎(chǔ)上，并且允許條間力的剪切力－法向力在一定范圍內(nèi)變化。具體計算采用GeoSlope2012軟件進(jìn)行數(shù)值分析，它將搜索整個模型范圍內(nèi)可能產(chǎn)生的滑面，并計算沿各滑面滑移的安全系數(shù)，并取其最小值對應(yīng)的滑面為最不利滑面。

①GLE法條間剪切力方程

式中 f(x)——表示函數(shù);

λ——函數(shù)的權(quán)重(參與率)，即函數(shù)所用的百分?jǐn)?shù)(小數(shù)形式);

E——條間法向力;

X——條間剪切力。

②GLE法力矩平衡的安全系數(shù)方程

③GLE法力平衡的安全系數(shù)方程

式中 c'——有效黏聚力;

φ′——有效摩擦角;

u——孔隙水壓力;

N——土條底部法向力;

W——土條自重;

D——集中荷載;

β，R，x，f，d，ω——幾何參數(shù);

α——土條底面傾角。

④兩個安全系數(shù)方程的重要變量N—各土條底部的法向力，方程由所有的豎向力的總和得到，豎向力的平衡也就得到了滿足

式中，XR與XL為作用于條塊兩側(cè)的剪切力，當(dāng)N代入力矩的安全系數(shù)方程時，F(xiàn)即為Fm;當(dāng)N代入力的安全系數(shù)方程時，F(xiàn)即為Ff。GLE法計算出了對應(yīng)于一系列λ的Fm、Ff，并可給出 Fm、Ff隨λ的變化曲線。通過曲線可以很好地理解不同求解方法所求得的安全系數(shù)的差別，理解條間力函數(shù)的影響。

⑤基于極限平衡法，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行建模及計算分析，豎向荷載包括兩部分，一是路基整體自重荷載;二是列車和軌道荷載，列車和軌道荷載直接轉(zhuǎn)換為土柱荷載。建立模型及計算結(jié)果見圖2。圖2是利用GeoSlope2012軟件建立的數(shù)值模型并計算出的最不利滑面。

圖2 既有邊坡穩(wěn)定性計算模型及結(jié)果

從圖2中計算出最不利滑面對應(yīng)的安全系數(shù)為1.009，處于臨界失衡的狀態(tài)。由滑面位置可以看出，這是發(fā)生在路基體的局部失穩(wěn)引起的，路基本體沒發(fā)生整體穩(wěn)定性失穩(wěn)，驗證了此路基病害的原因為擋墻病害。進(jìn)而可通過庫侖理論與滑坡推力計算方法計算作用于擋墻上的土壓力，進(jìn)行擋墻穩(wěn)定檢算。

(2)擋墻檢算

擋墻檢算采用庫侖理論計算主動土壓力，并進(jìn)行擋墻的滑移穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、地基承載力及墻體強(qiáng)度檢算。擋墻檢算示意見圖3，其列車和軌道荷載換算土柱(換算重度18 kN/m3)寬度3.4m，高度3.3m。

圖3 擋墻檢算示意(單位:m)

按實際墻背分上下兩段墻體計算:上墻土壓力計算時存在第2破裂角=3.818°，第1破裂角=31.486°，其主動土壓力Ea1=73.659 kN，水平分力Ex1=57.391 kN，豎向分力Ey1=46.174 kN，作用點高度Zy1=1.337 m;下墻土壓力按力多邊形法計算得破裂角=27.978°，其主動土壓力 Ea2=105.960 kN，水平分力 Ex2=105.343 kN，豎向分力Ey2=11.425 kN，作用點高度Zy2=2.080m。墻身截面積=10.95m2，重力=251.96 kN。

擋墻抗滑穩(wěn)定系數(shù)

式中 ∑N——作用基底上的總垂直力，kN;

∑Ex——墻后主動土壓力的總水平分力，kN;

E′x——墻前土壓力的水平分力，kN;

α0—— 基底傾斜角，(°);

f——基底與地層間的摩擦系數(shù)。

擋墻抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

式中 ∑My——穩(wěn)定力系對墻趾的總力矩，kN·m;

∑M0——傾覆力系對墻趾的總力矩，kN·m。

經(jīng)計算擋墻滑移安全系數(shù)Kc=1.136＜1.3;抗傾覆安全系數(shù)K0=1.106＜1.600;作用于基底的合力偏心距 e=0.353＞0.167×B(基底寬度)=0.270m，基底最大壓應(yīng)力σ=338.5 kPa＞基底容許承載力［σ］=250 kPa;墻體截面檢算結(jié)果截面上的偏心距e=0.982＞0.3×B'(墻身截面寬度)=0.48m。均不滿足《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的要求，故需要對擋墻進(jìn)行加固。

3.2 加固方案比選

根據(jù)上述分析計算，該段路基病害主要是擋墻本身已經(jīng)發(fā)生缺陷，擋墻抗滑、抗傾覆不足引起的。針對本工點病害主要對抗滑樁及肋柱整板式錨索墻2種加固方案進(jìn)行了比選。因病害范圍路基外側(cè)為茶園，征地困難，且路基位于小沖溝內(nèi)，場地狹小，施工場地受限，且棄土困難，而抗滑樁方案會產(chǎn)生大量施工土方，且樁開挖過程中會對既有線正常行車產(chǎn)生不利影響，而肋柱整板式錨索墻加固要求的施工場地相對較小，施工不產(chǎn)生土石方，可以有效減少投資，不影響既有線的正常運營，且可以有效地解決既有路肩墻變形病害問題。因此，通過綜合比選后，確定采用墻體注漿+肋柱整板式錨索墻加固方案。一方面對既有路肩墻本身墻體采用小花管注漿加固，彌補(bǔ)路肩擋墻墻體存在水泥砂漿不飽滿、局部存在空洞等缺陷，可以增強(qiáng)路肩墻體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;另一方面路肩墻墻體外傾變形大且存在下沉，肋柱整板式錨索墻加固方案避免了對路肩墻基礎(chǔ)的擾動，對既有路基影響較小，同時施工方便，施工周期相對較短，在合理制定施工工序、規(guī)范施工的情況下能確保病害整治達(dá)到預(yù)期效果，確保既有線的運營安全。

3.3 加固方案設(shè)計計算

在對墻體進(jìn)行注漿加固后，在既有墻體外設(shè)肋柱整板式錨索墻。墻體厚0.5m，采用C35鋼筋混凝土;肋柱整板式錨索墻每8.6 m為一整板，肋間距為3.0 m，肋寬0.5m，肋厚0.7m，板厚0.5m;錨索縱向間距3.0m、豎向間距2.50m，設(shè)2排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索設(shè)計長度為18～21m，錨索與水平面夾角20°，錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計噸位為350 kN，進(jìn)入穩(wěn)定地層內(nèi)，錨固段長6.0 m。加固設(shè)計方案檢算模型及結(jié)果分別見圖4及表2。

圖4 肋柱整板式錨索墻加固設(shè)計方案檢算模型

表2 既有病害擋墻設(shè)計加固方案受力計算

根據(jù)上述路基擋墻病害的加固設(shè)計方案及檢算結(jié)果分析，采用肋柱整板式錨索墻加固方案其穩(wěn)定性滿足規(guī)范設(shè)計要求。

4 工程加固整治措施

采取綜合整治措施，為確保施工安全及既有線行車安全，施工期間應(yīng)嚴(yán)格按施工工序進(jìn)行，先進(jìn)行擋墻墻體注漿施工，漿體凝結(jié)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后再施工整板式錨索墻。

4.1 既有路肩墻體注漿加固

因路肩墻墻體砌筑質(zhì)量較差，墻體存在空洞，強(qiáng)度較低，肋柱整板式錨索墻施工前對既有墻體注漿加固處理。墻體注漿孔自墻頂以下約1.0 m布置，間距1.0m，梅花形布置。注漿孔向下20°傾角成孔。終止注漿控制條件如下:

(1)墻體無變形情況下，注漿壓力維持100 kPa不少于30min，進(jìn)漿量小于10 L/min;(2)如墻體有變形，則停止注漿;停止注漿不小于8 h后再注漿時，注漿壓力降至20～40 kPa，并維持不少于30min，進(jìn)漿量小于10 L/min。

墻體注漿一周后，疏通原墻體泄水孔。

4.2 肋柱整板式錨索墻加固

既有路肩墻墻體注漿加固完成并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，進(jìn)行肋柱整板式錨索墻加固施工，在既有擋墻上設(shè)C35鋼筋混凝土肋柱整板式錨索墻，伸縮縫采用瀝青木板。整板墻在既有擋墻泄水孔處需相應(yīng)預(yù)留泄水孔。在混凝土肋上預(yù)留錨索孔(與水平向傾角20°)。

整板式錨索墻的錨索與板的施工工序:鉆孔→清孔→錨索制作→錨索安裝→注漿→板梁鋼筋籠制作→板梁混凝土澆筑→養(yǎng)護(hù)→錨索張拉→補(bǔ)張拉及鎖定→錨頭封閉。

錨孔注漿和整板式錨索墻混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的70%時才能進(jìn)行張拉，張拉前必須對張拉機(jī)具進(jìn)行標(biāo)定，避免出現(xiàn)應(yīng)力誤差。錨索施工及張拉期間應(yīng)加強(qiáng)對既有線的觀測，嚴(yán)防因施工影響既有線行車安全。每級張拉均應(yīng)對既有線進(jìn)行觀測，確保對既有線無影響后方可進(jìn)行下一級張拉。對錨索孔鉆孔施工提出了采用跟管鉆進(jìn)措施，避免了鉆孔施工對路基結(jié)構(gòu)的破壞。

具體加固整治措施設(shè)計見圖5、圖6。

4.3 整治效果

從現(xiàn)場已實施情況看，病害整治達(dá)到了預(yù)期效果，確保了既有線的安全運營，且施工期間未中斷既有線的運營，直接經(jīng)濟(jì)效益突出，竣工驗收時得到了運營單位的充分肯定和高度評價。

圖5 既有路肩墻墻體注漿加固+肋柱整版式錨索墻設(shè)計橫斷面(單位:m)

圖6 既有路肩墻墻體注漿加固+肋柱整版式錨索墻設(shè)計正面(單位:m)

5 結(jié)論

(1)在山區(qū)鐵路的選線中，線路應(yīng)避免在依山傍河地段的陡坡路基工程，以防類似工程病害的發(fā)生。

(2)在對既有山區(qū)鐵路陡坡路基的擋墻變形病害加固整治中，采用對存在缺陷的既有擋墻墻體進(jìn)行注漿+肋柱整版式錨索墻進(jìn)行綜合治理，成功解決了施工場地受限問題，整治措施經(jīng)濟(jì)、合理、有效，為以后類似工程病害整治提供了很好的借鑒作用。

［1］中華人民共和國鐵道部．TB10025—2006 鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB10035—2006 鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［3］中華人民共和國鐵道部．TB 10027—2012 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程［S］．北京:中國鐵道出版社，2012．

［4］GEO-SLOPE International Ltd．邊坡穩(wěn)定性分析軟件SLOPE/W用戶指南［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2011．

［5］焦瑞玲，吳連海．永臨結(jié)合的鉆孔灌注樁排樁擋土墻在既有線邊坡支擋工程中的應(yīng)用［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(5):41－43．

［6］杜攀峰，廖立堅，楊新安．鐵路路基病害的智能識別［J］．鐵道學(xué)報，2010，32(3):142－146．

［7］蔡虹．預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻在渝懷鐵路的應(yīng)用［D］．合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2003．

Reason Analysis and Comprehensive Treatment of Subgrade Shoulder Retaining Wall Disease at K56 Section of Zhangzhou-Quanzhou Railway

ZHUO Xiong-hua

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co．，Ltd．，Wuhan 430063，China)

This paper introduced the subgrade shoulder retaining wall diseases at K56 section of Zhangzhou-Quanzhou Railway，and analyzed the reasons of the extroversive deformation of the subgrade shoulder retaining wall．By using the general limit equilibrium method，this paper carried out numerical analysis on slope stability，and found out themost disadvantageous sliding plane(namely fracture plane)．Also，by using Coulomb theory，the positive soil pressure and the disease upon the subgrade shoulder retaining wallwere checked and calculated．After a comprehensive comparative analysis on the economic applicability，construction superiority，and the influence on the existing subgrade，a strengthening scheme was determined:grouting the existing subgrade shoulder retainingwall plus using the ribbed plate anchor wall．As a result， with this scheme， the existing subgrage shoulder disease was treated comprehensively，and the deformation problem in existing subgrade shoulder retainingwallwas effectively settled under limited objective condition．

railway subgrade;subgrade shoulder retaining wall disease;grouting;ribbed plate anchor wall

U213.1

B

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．010

1004－2954(2014)03－0041－05

2013－11－27

卓雄華(1981—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于吉林建筑大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:xiaozuoyan@163．com。