穿山港鐵路路塹高邊坡支擋結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化案例

盛敏峰

（中鐵二十二局集團(tuán)第三工程有限公司，福建 廈門 361000）

1 工程概況

寧波穿山港鐵路穿山港集裝箱貨運(yùn)站瀕臨寧波舟山港四期國(guó)際碼頭，進(jìn)站方向及咽喉區(qū)約1km 設(shè)計(jì)為路塹九級(jí)高邊坡，高度達(dá)88m，挖方約210 萬(wàn)m3。一級(jí)邊坡及以下支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為擋土墻、樁板墻和樁間擋墻結(jié)構(gòu)，抗滑樁142 根，約1.8 萬(wàn)m3。

1.1 支擋結(jié)構(gòu)及邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)

路塹高邊坡一級(jí)邊坡以下支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為路塹擋土墻、樁板墻和樁間擋墻結(jié)構(gòu)： 1）路塹擋土墻。深路塹兩側(cè)段高度8.5m 及以下支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為C30 片石混凝土擋墻，墻高3.0m～8.5m，墻胸、背坡率1：0.25。2）樁板墻及樁間擋墻。路塹中間段高度大于8.5m 支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為C40 鋼筋混凝土抗滑樁及C30 片石混凝土樁間擋墻支護(hù)，樁間板采用預(yù)制C40混凝土槽形板，抗滑樁間距5.0m，樁長(zhǎng)16m～20m，樁截面為2m×2.25m 和2.25m×2.5m 兩種類型。3）路塹邊坡防護(hù)。①框架梁、錨墩預(yù)應(yīng)力錨索護(hù)坡。預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)15m～17m，縱向間距3.0m，豎向垂直間距3.0m、3.5m，傾角15°，錨固段長(zhǎng)8m。基巖強(qiáng)風(fēng)化塹坡采用框架梁錨索；基巖弱風(fēng)化塹坡采用“錨墩+錨索”結(jié)構(gòu)。②框架梁錨桿護(hù)坡。錨桿長(zhǎng)12m，單孔采用2 根Φ25mmHRB400 鋼筋。

1.2 工程現(xiàn)場(chǎng)巖層巖性特征

自上而下依次為：1）Q粉質(zhì)黏土?；尹S色，硬塑，σ=180kPa；2）J熔結(jié)凝灰?guī)r。全風(fēng)化，灰黃色，=250kPa；3）J熔結(jié)凝灰?guī)r。強(qiáng)風(fēng)化，黃褐色，=500kPa；4）J熔結(jié)凝灰?guī)r。弱風(fēng)化，青灰色，=1000kPa。

地下水主要為第四孔隙潛水，不甚發(fā)育，水位埋深0.5m～2m。地下水環(huán)境作用等級(jí)：二氧化碳侵蝕H1，氯鹽環(huán)境L2。

深路塹邊坡開挖至第三級(jí)時(shí)，組織地質(zhì)工程師對(duì)路塹邊坡開挖面的巖層節(jié)理發(fā)育情況進(jìn)行調(diào)查，并對(duì)節(jié)理裂隙的走向、傾向、傾角和條數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制節(jié)理玫瑰花圖。發(fā)現(xiàn)塹坡巖層為凝灰?guī)r，巖性較好，巖體較完整，裂隙弱發(fā)育，無(wú)裂隙水。調(diào)查成果發(fā)現(xiàn)邊坡不存在順層和不利的結(jié)構(gòu)面。現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

2 方案優(yōu)化的目的

為解決施工環(huán)境干擾、工期、安全等風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行支擋結(jié)構(gòu)的方案優(yōu)化勢(shì)在必行，優(yōu)化目的：1）地下有限空間作業(yè)，基巖裂隙水較發(fā)育，避免地下與地上交叉施工帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。2）避免樁體開挖爆破對(duì)附近老舊房屋和已完工的防護(hù)結(jié)構(gòu)帶來(lái)嚴(yán)重爆破振動(dòng)危害。3）有利于節(jié)約施工工期。解決抗滑樁爆破施工工期長(zhǎng)，無(wú)法滿足通車工期的問(wèn)題。4）有利于高邊坡施工快挖快防護(hù)，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。5）有利于坡面防護(hù)結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)一，更加美觀。工程地處國(guó)際港口區(qū)，保持邊坡綠化美觀對(duì)提升港口區(qū)環(huán)境生態(tài)有重要意義。

3 方案優(yōu)化的設(shè)想

3.1 優(yōu)化原則

堅(jiān)持有利于高邊坡穩(wěn)定，保障工程質(zhì)量安全以及降低工程造價(jià)、減少施工工期、節(jié)約施工成本的原則。

3.2 優(yōu)化方案設(shè)想

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)特性、路基支擋工程經(jīng)驗(yàn)及類似工程案例，將支擋結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化。

一級(jí)邊坡以下支擋結(jié)構(gòu)樁板墻、樁間擋墻優(yōu)化為“預(yù)應(yīng)力框架錨索+土釘墻”復(fù)合結(jié)構(gòu)。

一～三級(jí)邊坡防護(hù)采用“錨索+錨墩”結(jié)構(gòu)的方案變更“錨索框架梁”結(jié)構(gòu)，與三級(jí)邊坡以上防護(hù)結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一，有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和美觀。

4 土釘驗(yàn)算

根據(jù)《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10025—2012）進(jìn)行土釘墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

4.1 水平土壓力計(jì)算

土釘墻最大高度為=11m，根據(jù)邊坡及土體相關(guān)參數(shù)，由式（1）計(jì)算庫(kù)倫土壓力系數(shù)。

式中：λ為庫(kù)倫土壓力系數(shù)；為墻背土體內(nèi)摩擦角，取=45°；為墻背摩擦角，取=22.5°；為墻頂邊坡與水平夾角（一級(jí)平臺(tái)1 ∶1 坡度），取=45°；為墻背與豎直面夾角（墻體坡比1 ∶0.2），取=11.31°；為土的容重，取=20kN/m。

由式（1）計(jì)算得庫(kù)倫主動(dòng)土壓力系數(shù)λ=0.326。

作用于土釘墻面板土壓應(yīng)力呈梯形分布（圖1），計(jì)算水平土壓力如下。

圖1 土壓應(yīng)力計(jì)算模型

式中：為水平土壓應(yīng)力；λ為庫(kù)倫主動(dòng)土壓力系數(shù)；為墻背摩擦角，取=22.5°；為墻背與豎直面夾角（墻體坡比1 ∶0.2），取=11.31°；為邊坡巖土體重度，取=20kN/m。

由式（2）計(jì)算可得，水平土壓力=46.39kPa。

4.2 土釘拉力計(jì)算

由式（3）計(jì)算土釘水平拉應(yīng)力。

式中：E為第層土釘?shù)挠?jì)算拉力；S為土釘水平距離，取1m；S為土釘垂直距離，取1m；為土釘與水平面夾角，取=15°。

由式（3）計(jì)算可得，E=48.59kN。

4.3 土釘墻內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算

土釘選用Φ28mm 的HRB400 鋼筋，其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=360kN·m。

土釘抗拉力由式（4）求得。

式中：T為土釘釘材抗拔力；d為土釘直徑，取28mm；f為土釘抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取360kN·m。由式（4）計(jì)算得：T=221.7kN。

式中：為土釘抗拉斷安全系數(shù)），滿足要求。

取土釘有效錨固長(zhǎng)度l=4.5m（巖層中的有效錨固長(zhǎng)度不宜小于4.0m），鉆孔直徑d=110mm，土釘與孔壁界面巖土抗剪強(qiáng)度，根據(jù)規(guī)范土釘與注漿體之間黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取=300kPa，土釘直徑d=28mm，

土釘與砂漿間的黏結(jié)強(qiáng)度，根據(jù)規(guī)范取τ=2700kPa，土釘?shù)目拱畏€(wěn)定計(jì)算：

式中：F為土釘有效錨固力；d為土釘鉆孔直徑；l為土釘有效錨固長(zhǎng)度；為土釘與注漿體之間黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。由式（5）計(jì)算得：F=466.5kN。

式中：F為土釘有效錨固力；d為土釘直徑；l為土釘有效錨固長(zhǎng)度；τ為土釘與砂漿間的黏結(jié)強(qiáng)度。由式（6）計(jì)算得：F=1069kN，取F和F中最小值F=466.5kN 計(jì)算，則F/E=9.601＞=1.8（土釘抗拔安全系數(shù)），滿足要求。

土釘錨固區(qū)與非錨固區(qū)分界面（潛在破裂面）如圖2 所示。潛在破裂面的距離應(yīng)按下式計(jì)算。

圖2 錨固區(qū)與非錨固區(qū)分界面示意圖

土釘墻內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算模型如圖3 所示。

圖3 擋土墻內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算模型圖

式中：為巖土的黏聚力；為巖土的內(nèi)摩擦角；為分條（塊）的潛在破裂面長(zhǎng)度；為分條（塊）質(zhì)量；為破裂面與水平面夾角；為土釘軸線與破裂面的夾角；為土釘?shù)目拱文芰?，取和中的小值；為?shí)設(shè)土釘排數(shù)；為土釘水平間距；為施工階段及使用階段整體穩(wěn)定系數(shù)。

由式（7）計(jì)算得=5.33＞（施工階段取1.3，使用階段取1.5），滿足要求。

土釘墻外部穩(wěn)定性檢算可將土釘及其加固視為重力式擋墻進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)規(guī)范穩(wěn)定性檢算方法進(jìn)行抗傾覆、抗滑動(dòng)及基底承載力檢算。經(jīng)計(jì)算，結(jié)果滿足要求。因此，土釘選用28mm 的HRB400 鋼筋，長(zhǎng)度8.5m，有效錨固長(zhǎng)度4.5m，縱、橫間距均為1m。

5 實(shí)施方案的確定

5.1 一級(jí)邊坡及以下支擋結(jié)構(gòu)方案

一級(jí)邊坡及以下支擋結(jié)構(gòu)采用“預(yù)應(yīng)力框架錨索+土釘墻”結(jié)構(gòu)方案。

土釘墻。土釘墻高6m～10m，墻面胸坡坡率1 ∶0.2，土釘采用1 根28mm 的HRB400 鋼筋，長(zhǎng)8.5m，縱、橫向間距1.0m，與水平方向夾角15°，土釘孔直徑110mm，孔內(nèi)灌注M40 水泥砂漿。墻體面板采用C35 鋼筋混凝土，厚度50cm，內(nèi)配雙層鋼筋網(wǎng)片，采用16mmHRB400 鋼筋，間距200mm；墻體設(shè)50mmPVC 管泄水孔，間距2.0m，梅花形布置，墻身沿線路方向每隔6m～10m 設(shè)一道伸縮縫。

5.2 預(yù)應(yīng)力框架錨索

土釘墻面板上設(shè)預(yù)應(yīng)力框架錨索，框架梁采用C40 鋼筋混凝土現(xiàn)澆，縱、橫梁截面尺寸均為0.4m×0.4m，預(yù)應(yīng)力錨索縱、豎向間距為3.0m，錨索與水平面夾角15°，錨索孔深16.5m～20.5m，錨固長(zhǎng)度9m，錨索采用4 根1860MPa 的φ15.24mm 鋼絞線制作，錨孔直徑130mm，內(nèi)灌注M40 水泥砂漿。

5.3 一～三級(jí)邊坡防護(hù)進(jìn)一步加強(qiáng)的措施

因支擋結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化以及一、二、三級(jí)邊坡巖質(zhì)破碎，巖層裂隙較發(fā)育，為了進(jìn)一步加強(qiáng)一、二、三級(jí)邊坡的防護(hù)措施，將原設(shè)計(jì)的“錨索+錨墩”結(jié)構(gòu)采用進(jìn)一步加強(qiáng)的措施：第一～三級(jí)整個(gè)邊坡原設(shè)計(jì)的錨索防護(hù)“錨索+錨墩”結(jié)構(gòu)優(yōu)化為“錨索框架梁”結(jié)構(gòu)，錨索長(zhǎng)度均加長(zhǎng)1m。

5.4 主要工程數(shù)量對(duì)比

方案優(yōu)化前后主要工程數(shù)量對(duì)比見表2。

表2 樁板墻原設(shè)計(jì)與調(diào)整后工程數(shù)量對(duì)比表

5.5 優(yōu)化效果

經(jīng)方案優(yōu)化后，對(duì)鋼筋混凝土工程數(shù)量明顯節(jié)約，降低了工程造價(jià)，達(dá)到施工質(zhì)量可控、安全風(fēng)險(xiǎn)降低、工期節(jié)約、避免了爆破擾民，取得了良好的工期和經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)優(yōu)化方案的工程數(shù)量變化情況，該方案調(diào)整費(fèi)用節(jié)約85 萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

該工程瀕臨寧波-舟山港國(guó)際碼頭，屬于濱海灘涂地段的高路塹邊坡防護(hù)及支擋工程，高達(dá)88m 的鐵路工程高路塹在國(guó)內(nèi)較罕見，通過(guò)對(duì)支擋結(jié)構(gòu)的原設(shè)計(jì)工程措施提出優(yōu)化設(shè)想，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)整，土釘墻結(jié)構(gòu)計(jì)算分析以及召開專家論證會(huì)，最終使“土釘墻+預(yù)應(yīng)力框架錨索”的工程方案成功應(yīng)用并實(shí)施，可得出以下結(jié)論：1）對(duì)濱海地區(qū)凝灰?guī)r質(zhì)路塹高邊坡在一級(jí)邊坡及以下的支擋結(jié)構(gòu)采用“土釘墻+預(yù)應(yīng)力錨索框架梁”的工程方案是可靠的。2）“土釘墻+預(yù)應(yīng)力錨索框架梁”的工程支擋方案與樁板墻支擋結(jié)構(gòu)方案相比，具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，施工工期較短，對(duì)既有邊坡的擾動(dòng)較小，施工完成后結(jié)構(gòu)較美觀的優(yōu)點(diǎn)。3）支擋結(jié)構(gòu)完成后，可在框架梁網(wǎng)格中采用種植爬山虎以及掛網(wǎng)噴播植草等綠化方案，使混凝土圬工邊坡更加美觀，與濱海既有山坡生態(tài)相協(xié)調(diào)。該文對(duì)路塹高邊坡支擋結(jié)構(gòu)工程方案進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程總結(jié)，可為類似工程起到借鑒和支撐作用。