大截面鋼軌抗滑樁應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用

閔征輝,鄒德兵

(1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司, 湖北 武漢 430010;2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430010)

抗滑樁是滑坡加固設(shè)計(jì)中最常用的措施，由于施工簡單、快捷、對(duì)原始邊坡的擾動(dòng)較小，因此在滑坡治理中得到了廣泛的應(yīng)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(hù)中應(yīng)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(zhì)邊坡，它比大截面抗滑樁有輕便、靈活、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，但工程應(yīng)用中存在舊鋼軌抗拉強(qiáng)度取值較難、耐久性等問題，限制了大規(guī)模工程應(yīng)用。

隨著我國水電開發(fā)進(jìn)一步向西南的大江大河、高山峽谷推進(jìn)，很多工程位于大(巨)型滑坡附近，無法規(guī)避，必須進(jìn)行治理。大(巨)型滑坡下滑力大，在采取截水、排水等措施基礎(chǔ)上，往往還需要配合采用大截面抗滑樁進(jìn)行治理。由于配筋率和鋼筋抗拉強(qiáng)度的限制，大截面抗滑樁混凝土抗壓強(qiáng)度并沒有得到充分發(fā)揮。采用抗拉強(qiáng)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(qiáng)、工程費(fèi)用省的鋼軌抗滑樁，但將鋼軌應(yīng)用于大截面抗滑樁中作為受力鋼筋，存在以下幾個(gè)問題[8-9]：

(1) 鋼軌特別是舊鋼軌抗拉強(qiáng)度取值難以確定。

(2) 鋼軌表面是光滑的，類似于Ⅰ級(jí)光圓鋼筋，與混凝土握裹力不足(受力鋼筋要求用Ⅱ級(jí)及以上帶肋鋼筋)，抗滑樁承受滑坡推力產(chǎn)生變形后鋼軌與混凝土可能脫開，發(fā)生“抽芯”現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼軌與混凝土不能聯(lián)合受力。

(3) 在鐵路上，魚尾板(接頭夾板)主要起導(dǎo)向作用，兩根鋼軌通過魚尾板夾緊使其對(duì)準(zhǔn)連接，防止錯(cuò)位導(dǎo)致火車出軌；為適應(yīng)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(dòng)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(xiàn)行的《43 kg/m～75 kg/m鋼軌接頭夾板訂貨技術(shù)條件》[10](TB/T 2345—2008)中，魚尾板抗拉強(qiáng)度較鋼軌偏低(抗拉強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)長度一般為12.5 m或25.0 m，超過標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械強(qiáng)度的薄弱處，不符合抗滑樁中鋼軌需要等強(qiáng)連接的要求。

綜上所述，目前大截面鋼軌抗滑樁應(yīng)用存在鋼軌強(qiáng)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(qiáng)度偏低等問題。

1 舊鋼軌抗拉強(qiáng)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(shù)條件》[11](TB/T2344—1993)系列標(biāo)準(zhǔn)，但除了斷面尺寸外，冶金系統(tǒng)采用的還是《鐵路用每米38～50公斤鋼軌技術(shù)條件》[12](GB 2585—1981)。直到2003年，鐵路系統(tǒng)和冶金系統(tǒng)仍分別采用本行業(yè)制定的標(biāo)準(zhǔn)。

2003年，鐵道部組織鐵道科學(xué)研究院等單位，對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重大修訂，借鑒歐洲鋼軌標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國鋼軌生產(chǎn)廠技術(shù)改造實(shí)際情況和工藝技術(shù)水平，制定了《43 kg/m～75 kg/m鋼軌訂貨技術(shù)條件》[13](TB/T 2344—2003)(以下簡稱“舊標(biāo)準(zhǔn)”)，用于運(yùn)營速度為160 km/h及以下鐵路鋼軌的生產(chǎn)、采購和驗(yàn)收檢驗(yàn)。自2003年以來，舊標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛應(yīng)用，在我國鐵路建設(shè)中發(fā)揮了巨大作用，并取得良好社會(huì)效果。舊標(biāo)準(zhǔn)中鋼軌的力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 舊標(biāo)準(zhǔn)中鋼軌和HRB400鋼筋力學(xué)性能

為適應(yīng)我國高鐵發(fā)展的需要，舊規(guī)范進(jìn)行了修訂，目前現(xiàn)行有效版本為《43 kg/m～75 kg/m 鋼軌訂貨技術(shù)條件》[14](TB/T 2344—2012)(以下簡稱“新標(biāo)準(zhǔn)”)。新標(biāo)準(zhǔn)中鋼軌的力學(xué)性能指標(biāo)見表2和表3。

表2 新標(biāo)準(zhǔn)中熱軋鋼軌力學(xué)性能

表3 新標(biāo)準(zhǔn)中熱處理鋼軌力學(xué)性能

對(duì)比表1、表2及表3中鋼軌和我們常用的HRB400的Ⅲ級(jí)鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)，鋼軌抗拉強(qiáng)度是鋼筋的1.63倍～2.37倍?？紤]鋼軌長時(shí)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(xué)性能指標(biāo)相比新鋼軌肯定有一定程度的下降，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，舊鋼軌抗拉強(qiáng)度按新鋼軌抗拉強(qiáng)度的70%考慮；同時(shí)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(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度約為極限抗拉強(qiáng)度60%，最終推薦工程應(yīng)用中舊鋼軌設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度取值見表4及表5。

表4 熱軋舊鋼軌抗拉強(qiáng)度值

表5 熱處理舊鋼軌抗拉強(qiáng)度值

根據(jù)表4、表5可知，即使是舊鋼軌，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度也在369 MPa～537 MPa，比我們常用的HRB400的Ⅲ級(jí)鋼筋抗拉強(qiáng)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(duì)舊鋼軌表面進(jìn)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(yán)重的舊鋼軌。然后，采用超聲波對(duì)鋼軌內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)[20-21]，排除存在內(nèi)部損傷的舊鋼軌；必要時(shí)可以進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。經(jīng)過檢查合格后的舊鋼軌清除表面污物，做除銹處理后準(zhǔn)備加糙。

(2) 鋼軌加糙。沿鋼軌上、下、左、右共4個(gè)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(jù)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(xù)閃光焊[22-23]，焊后在干燥環(huán)境下自然冷卻至常溫。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)焊接試驗(yàn)多次比較，鐵路鋼軌專用焊條焊接質(zhì)量最佳。加糙不得對(duì)鋼軌本身造成損傷，加糙后鋼軌表面不應(yīng)有裂紋、明顯壓痕、劃痕、踫痕、打磨灼傷等傷損。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，本鋼軌抗滑樁的鋼軌加糙工藝，簡單易行、經(jīng)濟(jì)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(fā)生“抽芯”現(xiàn)象，解決了鋼軌抗滑樁工程應(yīng)用中存在的安全隱患。

3 鋼軌制安

經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(shí)應(yīng)注意，配置在鋼軌抗滑樁“同一水平截面內(nèi)”受拉區(qū)的鋼軌接頭數(shù)(鋼軌連接器的個(gè)數(shù))不超過鋼軌總數(shù)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(yè)的魚尾板連接，它有以下優(yōu)點(diǎn)：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(qiáng)材質(zhì)。專用鋼軌連接器屬于機(jī)械連接，施工簡單快捷、連接牢固可靠，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

(2) 鋼軌下放。因井內(nèi)焊接作業(yè)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?qū)Ｓ每ň呦路拧?/p>

(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(shí)在井內(nèi)每5 m～8 m設(shè)一道定位鋼筋。定位鋼筋一般兩端插入護(hù)壁混凝土土內(nèi)，鋼軌定位準(zhǔn)確后采用鐵絲綁扎固定。

鋼軌的軌底應(yīng)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(yīng)用

構(gòu)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(guī)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(dá)58.3 m。

構(gòu)皮灘水電站開工前，石棺材崩坡積體未出現(xiàn)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(duì)崩坡積體構(gòu)成較大擾動(dòng)，加上暴雨作用，2002年曾誘發(fā)了崩坡積體局部變形，產(chǎn)生了6個(gè)變形體，其中以1#和4#變形體最為危險(xiǎn)。后經(jīng)采用抗滑樁、回填反壓、排水、坡面防護(hù)等措施對(duì)其進(jìn)行了綜合治理，治理完成后整體穩(wěn)定性較好，但仍存在局部變形。

由于構(gòu)皮灘通航建筑物布置需要，將對(duì)石棺材崩坡積體坡腳壓重進(jìn)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(nèi)側(cè)漿砌石擋墻及格構(gòu)護(hù)坡，挖除4#變形體坡腳抗滑樁，將對(duì)石棺材崩坡積體產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，極有可能再次引發(fā)變形體變形，甚至誘發(fā)崩坡積體的整體失穩(wěn)。

(1) 工程治理方案。經(jīng)過大量計(jì)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(hù)措施及監(jiān)測(cè)設(shè)施布置見圖4。

圖4 石棺材崩坡積體治理及監(jiān)測(cè)布置示意圖

(2) 監(jiān)測(cè)成果分析。石棺材崩坡積體布置了測(cè)斜孔、多點(diǎn)位移計(jì)等監(jiān)測(cè)設(shè)施，工程完工后，經(jīng)過近8年運(yùn)行期監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)如下:

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

圖5 EL.661.18 m測(cè)斜管IN09SGC位移曲線

② 多點(diǎn)位移計(jì)。整體變形量不大，最大變形量為-0.98 mm～8.41 mm,現(xiàn)基本已趨于穩(wěn)定狀態(tài)。典型多點(diǎn)位移計(jì)位移過程曲線見圖6。

圖6 典型多點(diǎn)位移計(jì)位移過程曲線

(3)運(yùn)行情況。2014年7月14日—18日，4 d時(shí)間內(nèi)烏江渡—構(gòu)皮灘區(qū)間面降雨量181.3 mm，構(gòu)皮灘水電站樞紐區(qū)降雨量254 mm，降雨強(qiáng)度約為100年一遇，崩坡積體內(nèi)地下水位超過設(shè)計(jì)穩(wěn)定計(jì)算地下水位，但是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，石棺材崩坡積體變形較小，依然保持穩(wěn)定。

(4) 結(jié)論。經(jīng)過8年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及2014年暴雨工況檢驗(yàn)，可得出結(jié)論：石棺材崩坡積體采用大截面鋼軌抗滑樁進(jìn)行治理是十分成功的。

5 結(jié) 語

(1) 類比鋼筋強(qiáng)度比值關(guān)系，舊鋼軌根據(jù)鋼排號(hào)不同，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度可取為369 MPa～537 MPa，比我們常用的HRB400的Ⅲ級(jí)鋼筋抗拉強(qiáng)度高2.50%～49.17%，且價(jià)格較HRB400鋼筋便宜，經(jīng)濟(jì)性更好。

(2) 鋼軌抗滑樁的鋼軌加糙工藝，簡單易行、經(jīng)濟(jì)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(fā)生“抽芯”現(xiàn)象，解決了鋼軌抗滑樁工程應(yīng)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(yīng)用。