既有鐵路路肩加寬設(shè)計(jì)探究

李珊珊

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司東北分院，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

朔黃鐵路，西起山西省朔州站，東至河北省滄州市黃驊港港口貨場。正線總長近598km，設(shè)計(jì)為重載雙線電氣化鐵路，設(shè)計(jì)年運(yùn)輸能力為近期3.5 億t（2013），遠(yuǎn)期4.5 億t。朔黃鐵路于2000年5月18日開通運(yùn)煤，隨著朔黃鐵路運(yùn)量的逐年增加，既有鐵路路基由于修建時(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低、路基填筑較高等原因?qū)е侣坊鲁?，路基下沉以后，通過填補(bǔ)道砟的方式增加道床厚度，使軌道保持既有的高程及縱向坡度，導(dǎo)致路肩寬度嚴(yán)重不足。此次以朔黃鐵路K64+000～K82+000 范圍路堤路肩加寬為設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述設(shè)計(jì)理念及思路。

1 工程概況

朔黃鐵路K64+000～K82+000 范圍內(nèi)路堤填高0.5～26.0m。既有路肩寬度一般0.2～0.6m，局部地段無路肩，道床直至路基邊緣，路肩寬度嚴(yán)重不足；附近居民穿越線路，存在交通事故等隱患。

2 路肩加寬設(shè)計(jì)原則

為了確保行車及人身安全，對全線路基路肩進(jìn)行了加固加寬整治，加寬原則：其一，路肩加寬設(shè)計(jì)執(zhí)行現(xiàn)行的重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)[1]；其二，路肩邊緣距離線路中心不小于4.5m；其三，對全線進(jìn)行平網(wǎng)封閉。

3 路肩加寬設(shè)計(jì)方案

3.1 采用旋噴樁結(jié)合C30 混凝土擋墻設(shè)計(jì)方案

第一，距離線路中心4.5m 處加設(shè)寬1.5m×厚1mC30 混凝土路肩墻加寬路肩，路肩墻基礎(chǔ)采用0.6m 樁徑旋噴樁，樁間距為1.2m，C30 混凝土路肩墻沿線路方向每12m 設(shè)置寬3cm 沉降縫。

第二，旋噴樁施工完成時(shí)在樁頭預(yù)埋鋼筋，接觸網(wǎng)桿處旋噴樁間距為0.6m，且每處接觸網(wǎng)桿增加2 根旋噴樁，旋噴樁破樁頭后，上排旋噴樁破樁頭鋼筋與混凝土擋墻砌為一體，路肩墻外側(cè)安裝防護(hù)網(wǎng)。

第三，旋噴樁水泥采用PO32.5 水泥，水泥≥220kg/m，水泥漿液的水灰比為1∶1，外加0.5% 擴(kuò)散劑NNO 及0.3%711 型水泥速凝劑。

3.2 采用L 型現(xiàn)澆鋼筋混凝土擋墻

3.2.1 設(shè)計(jì)方案

第一，距離線路中心4.5m 處沿線路方向加設(shè)厚0.2m、高0.7～1.2m 現(xiàn)澆鋼筋混凝土L 型擋土墻，擋土墻底板寬0.6m，厚0.2m，沿線路方向每9m 設(shè)置寬3cm 沉降縫。

第二，擋土墻直墻與道床間回填水泥灰土(石灰與土比例為3∶7，水泥按總體積4%摻加）、碎石加砂(碎石與砂比例為6∶4)。路肩加寬后水泥灰土頂面做成4%的向外排水橫坡。

第三，擋土墻沿線路方向每1m 設(shè)置孔徑為10cm泄水孔，澆筑過程中，泄水孔底面低于L 型墻底板頂面3cm，遇伸縮縫適當(dāng)調(diào)整泄水孔。

3.2.2 設(shè)計(jì)檢算

（1）L 墻的土壓力計(jì)算理論

第一，如果不出現(xiàn)第二破裂角，用墻踵下緣與墻頂內(nèi)緣（立壁）連線作為假想墻背，按庫倫公式計(jì)算，此時(shí)δ 值應(yīng)取土的內(nèi)摩擦角[2]。

第二，當(dāng)墻踵下邊緣與墻頂內(nèi)緣（立壁）連線大于臨界角，在墻后填土中將會出現(xiàn)第二破裂面，則應(yīng)按第二破裂面理論計(jì)算，如圖1。

圖1 擬定截面尺寸

（2）L 墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（a）無荷載的情況：

第一，土壓力計(jì)算

計(jì)算高度H 為0.700m 處的庫侖主動(dòng)土壓力

按假想墻背計(jì)算得到：

第1 破裂角：29.394°

Ea=4.899kN，Ex=0.800kN，Ey=4.833kN，作用點(diǎn)高度 Zy=0.233m

因?yàn)楦┬眽Ρ?，需判斷第二破裂面是否存在，?jì)算后發(fā)現(xiàn)第二破裂面存在：

第2 破裂角=24.994o，第1 破裂角=25.002o

Ea=2.521kN，Ex=1.065kN，Ey=2.284kN 作用點(diǎn)高度Zy=0.233m

墻身截面積=0.260m2，重量=6.500kN

整個(gè)墻踵上的土重(不包括超載)=3.902kN，重心坐標(biāo)為0.401，-0.275(相對于墻面坡上角點(diǎn))

第二，滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

基底摩擦系數(shù)=0.500

滑移力=1.065kN，抗滑力=6.343kN

滑移驗(yàn)算滿足：Kc=5.953＞1.300

第三，傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

驗(yàn)算擋土墻繞墻趾的傾覆穩(wěn)定性

傾覆力矩=0.249kN·m 抗傾覆力矩=4.993kN·m

傾覆驗(yàn)算滿足：K0=20.085＞1.600

第四，地基應(yīng)力及偏心距驗(yàn)算

基礎(chǔ)為天然地基，驗(yàn)算墻底偏心距及壓應(yīng)力

作用于基底的合力偏心距驗(yàn)算滿足：e=0.026≤0.167×0.800=0.133m

墻趾處地基承載力驗(yàn)算滿足：壓應(yīng)力=18.950≤156.000kPa

墻踵處地基承載力驗(yàn)算滿足：壓應(yīng)力=12.766≤169.000kPa

地基平均承載力驗(yàn)算滿足：壓應(yīng)力=15.858≤130.000kPa

（b）所有荷載都作用的情況

第一，土壓力計(jì)算

計(jì)算高度H 為0.700(m)處的庫侖主動(dòng)土壓力

按假想墻背計(jì)算得到：

第1 破裂角：39.258°

Ea=16.123kN，Ex=2.633kN，Ey=15.907kN，作用點(diǎn)高度Zy=0.145(m)

因?yàn)楦┬眽Ρ常枧袛嗟诙屏衙媸欠翊嬖?，?jì)算后發(fā)現(xiàn)第二破裂面存在：

第2 破裂角=0.000o，第1 破裂角=35.226o

Ea=5.787kN，Ex=4.433kN，Ey=3.720kN，作用點(diǎn)高度Zy=0.213m

墻身截面積=0.260m2，重量=6.500kN

整個(gè)墻踵上的土重(不包括超載)=6.000kN，重心坐標(biāo)為0.500，-0.250(相對于墻面坡上角點(diǎn))

第二，滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

基底摩擦系數(shù)=0.500

滑移力=4.433kN，抗滑力=8.110kN

滑移驗(yàn)算滿足：Kc=1.830＞1.300

第三，傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

驗(yàn)算擋土墻繞墻趾的傾覆穩(wěn)定性

傾覆力矩=0.942(kN·m) 抗傾覆力矩=7.826(kN·m)

傾覆驗(yàn)算滿足：K0=8.305＞1.600

第四，地基應(yīng)力及偏心距驗(yàn)算

基礎(chǔ)為天然地基，驗(yàn)算墻底偏心距及壓應(yīng)力

作用于基底的合力偏心距驗(yàn)算滿足：e=-0.024≤0.167×0.800=0.133m

墻趾處地基承載力驗(yàn)算滿足：壓應(yīng)力=16.567≤156.000kPa

墻踵處地基承載力驗(yàn)算滿足：壓應(yīng)力=23.982≤169.000kPa

地基平均承載力驗(yàn)算滿足：壓應(yīng)力=20.274≤130.000kPa

3.3 采用混凝土冠梁加寬路肩

3.3.1 設(shè)計(jì)方案

第一，根據(jù)既有路肩形式中線路中心距離路肩邊緣≥3.7m，在既有路肩外加設(shè)寬0.8m×厚0.3m 鋼筋混凝土冠梁加寬路肩，冠梁基礎(chǔ)采用人工挖孔500mm×500mm×4000mm 鋼筋混凝土灌注樁，樁間距為3.0m，鋼筋混凝土冠梁沿線路方向每9m 設(shè)置寬3cm 沉降縫。

第二，根據(jù)既有路肩形式中線路中心距離路肩邊緣＜3.7m 地段，在既有路肩外加設(shè)寬1.1m×厚0.3m鋼筋混凝土冠梁加寬路肩，冠梁基礎(chǔ)采用人工挖孔500mm×500mm×4000mm 鋼筋混凝土灌注樁，樁間距為3.0m，鋼筋混凝土冠梁沿線路方向每9m 設(shè)置寬3cm 沉降縫。

第三，冠梁與路肩之間混凝土預(yù)制塊的鋪設(shè)根據(jù)冠梁與路肩的高差設(shè)置不同類型的預(yù)制塊。混凝土預(yù)制塊尺寸為0.5m×0.3m×0.25m 及0.5m×0.3m×0.2m 兩種規(guī)格，預(yù)制塊中心預(yù)留孔徑為10cm 泄水孔，鋪設(shè)時(shí)泄水孔附近回填大粒徑碎石過濾層。冠梁與路肩之間鋪設(shè)C25 混凝土預(yù)制塊后，冠梁與道床間回填水泥灰土(石灰與土比例為3∶7，水泥按總體積4%摻加）、碎石加砂(碎石與砂比例為6∶4)。路肩加寬后水泥灰土頂面做成4%的向外排水橫坡。冠梁加寬后與既有路肩密貼的每1m 設(shè)置孔徑為10cm 泄水孔，遇伸縮縫適當(dāng)調(diào)整泄水孔。

第四，挖孔灌注樁外側(cè)露于路堤邊坡面以上至冠梁底面設(shè)混凝土補(bǔ)齊帶，補(bǔ)齊帶與挖孔灌注樁采用C30 混凝土同時(shí)澆筑。

3.3.2 設(shè)計(jì)檢算

（1）樁檢算：首先采用理正巖土計(jì)算軟件計(jì)算樁體尺寸，包括樁徑、樁長等。根據(jù)計(jì)算所得樁體所受最大彎矩對樁進(jìn)行配筋計(jì)算。

(a)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

樁型檢算采用理正巖土計(jì)算，按抗滑樁設(shè)計(jì)。樁體計(jì)算選擇參數(shù)按表1 取值。

表1 樁體計(jì)算參數(shù)

第一，樁間距選擇：樁間距實(shí)際應(yīng)為3m，理正軟件中，每根樁體承受的土壓力為樁間距范圍內(nèi)土體所提供。在該工點(diǎn)中，原邊坡線為路基穩(wěn)定邊坡，樁間土體為穩(wěn)定土體，無滑動(dòng)力傳遞給樁體。因此樁間距選擇0.8m，保守設(shè)計(jì)樁體范圍內(nèi)所承受的滑動(dòng)力。

第二，土體M 值選擇：樁后土體為路基填筑土，壓實(shí)度較高，根據(jù)《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10025-2019）中抗滑樁土質(zhì)地基系數(shù)中：堅(jiān)硬的粉質(zhì)黏土及黏土取值，取水平方向m=7000kPa/m2。

第三，安全系數(shù)：樁型檢算過程中，內(nèi)力計(jì)算時(shí)，滑坡推力、庫侖土壓力分項(xiàng)(安全)系數(shù)為1.20。

（b）計(jì)算結(jié)果

樁身內(nèi)力計(jì)算

計(jì)算方法：m 法

背側(cè)——為擋土側(cè)；面?zhèn)取獮榉菗跬羵?cè)。

背側(cè)最大彎矩=21.845(kN·m)，距離樁頂為2.720m

最大剪力=27.420kN，距離樁頂為3.680m

最大位移=40mm

樁體穩(wěn)定性檢算中，穩(wěn)定條件需考慮樁頂位移、地面處樁的水平位移及側(cè)壁應(yīng)力該工點(diǎn)中，樁頂設(shè)置冠梁，對樁頂位移起到約束作用，而計(jì)算可得，樁側(cè)壁應(yīng)力較小。因此，控制條件為地面處樁的水平位移。地面處樁的水平位移控制為不大于20mm。

（2）冠梁計(jì)算：將冠梁自重及冠梁上部荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載，采用TUSDOC 軟件進(jìn)行冠梁的彎矩及配筋計(jì)算。

冠梁頂部所受荷載考慮兩部分：上部行人等造成的附加荷載和冠梁本身的自重荷載。

附加荷載采用均布荷載，大小為20kN·m。

鋼筋混凝土容重取25kN，自重均布荷載為25×h（冠梁厚度）。

計(jì)算采用軟件TUSDOC2.0，考慮兩種情況計(jì)算。

第一，考慮冠梁為簡支梁。此時(shí)冠梁下部鋼筋受拉，為主筋，采用最大彎矩進(jìn)行配筋。

第二，考慮冠梁為連續(xù)梁。此時(shí)冠梁產(chǎn)生負(fù)彎矩，采用冠梁兩端支撐點(diǎn)處最大負(fù)彎矩檢算冠梁上部鋼筋配筋[3]。

冠梁計(jì)算結(jié)果：配筋均可按構(gòu)造配筋。

4 結(jié)語

采用旋噴樁結(jié)合C30 混凝土路肩墻、路肩設(shè)L 型現(xiàn)澆鋼筋混凝土擋墻、人工挖孔樁結(jié)合冠梁等方案加寬路肩，加寬路肩的同時(shí)兼顧平網(wǎng)基礎(chǔ)功能，經(jīng)過反復(fù)檢算論證，在結(jié)構(gòu)安全基礎(chǔ)上、技術(shù)上有較大創(chuàng)新，避免以往路基幫寬的方法進(jìn)行路肩加寬投資大，且需要征地拆遷等問題，對既有線運(yùn)營影響小，節(jié)約工程投資，工程效益明顯，比照挖臺階填土等路肩加寬方案施工周期短對生態(tài)及環(huán)境破壞小，取得了良好的社會效益。