鐵路橋梁基礎(chǔ)沖刷的主要成因及防治措施

祝名偉 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司合肥工務(wù)段

目前，鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，使得橋梁建設(shè)的需求不斷增大，跨越大江大河、行洪溝谷的橋梁也越來越多。橋梁基礎(chǔ)沖刷成為我們經(jīng)常面臨的問題，關(guān)乎著橋梁結(jié)構(gòu)安全，不僅嚴(yán)重影響著鐵路橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性、耐久性，而且會造成橋梁上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響鐵路運輸安全。為此，如何更好地防治鐵路橋梁基礎(chǔ)沖刷問題已經(jīng)成為了當(dāng)前鐵路橋梁工程施工中的重中之重，這就需要針對于鐵路橋梁基礎(chǔ)沖刷問題的主要成因，來制定出相應(yīng)的防治措施。

1 鐵路橋梁基礎(chǔ)沖刷的主要成因分析

1.1 自然條件變化的因素

（1）河道的自然變遷

河道的自然變遷是由于河流的天然改道或改向使河流的邊界發(fā)生水平遷移的現(xiàn)象。自然變遷的原因較多，主要受地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的地殼升降運動的影響，以及河床由于淤積抬高，河曲發(fā)育良好，裁彎取直等因素的影響。河道的自然變遷造成河道寬度、位置等發(fā)生變化，使得橋墩基礎(chǔ)局部沖刷加劇。例如：合九線皖水河特大橋河床斷面不斷變寬，導(dǎo)致主河道由以前的37#-41#墩變?yōu)楝F(xiàn)在的36#-41#墩，由于今年汛期水流沖刷嚴(yán)重。36#墩基礎(chǔ)沖刷嚴(yán)重，基礎(chǔ)埋深嚴(yán)重不足。

（2）頻繁遭遇特大洪水

由于全球氣候變暖，近些年來極端天氣頻發(fā)，我國季節(jié)性短時強降雨增多，較往年而言洪水發(fā)生次數(shù)增多且規(guī)模更大。而以前老橋的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，很容易就達(dá)到了設(shè)計水位，橋下暴漲的河水沖刷橋墩基礎(chǔ)，導(dǎo)致基礎(chǔ)沖空。

1.2 人類活動的影響

（1）人工采砂的影響

河水流動時總會攜帶著泥沙，泥沙的流失和補充達(dá)到一個微弱的平衡，可以看做為一個穩(wěn)定的河道。由于人工采砂等活動的影響，泥沙的流失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于補充速度，導(dǎo)致河床斷面下切。河床下切嚴(yán)重會導(dǎo)致河水局部流速變大，沖刷橋墩基礎(chǔ)，從而影響橋梁設(shè)備安全。尤其是在橋梁下游進(jìn)行挖沙取土，采砂坑上游河床沉積物被水流攜帶到采砂坑中，從而使橋梁基礎(chǔ)外露部分增多

（2）河道改造后未對鐵路橋梁順接

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，拓寬河道用來提升航道等級和運輸能力。河道改造設(shè)計時未結(jié)合上下游鐵路抗洪能力建設(shè)河流調(diào)節(jié)建筑物，或因日常養(yǎng)護(hù)維修不到位造成河底淤積，造成河道底部標(biāo)高高于鐵路橋橋墩承臺頂標(biāo)高，且河道坡度大。而且在鐵路橋梁修建之后建設(shè)了很多的水庫，把隨著河水留下的泥沙攔截住，不能填補下游被沖空的泥沙。

（3）周圍地勢的變化

在城市周邊的河道，為做到土地資源利用率最大化，住宅樓、商業(yè)街等各類建筑物拔地而起，既有地表水(雨水)路徑被破壞，匯集后短時河道流量增加、水位升高，對跨越城市河道的鐵路增添防洪安全風(fēng)險,不符合當(dāng)下防災(zāi)減災(zāi)工作精神。

1.3 橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低

鐵路橋梁基礎(chǔ)沖刷導(dǎo)致基底沖空的橋梁大多為上個世紀(jì)修建，由于當(dāng)時社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求不高，出現(xiàn)了橋梁與河道斜交角度過大、跨度過小、橋梁凈空不足等問題，致使行洪時水流不及、向下尋找出路，局部沖刷加重、河床斷面逐年下切，易造成橋墩基礎(chǔ)沖空的后果。

城市河道與上下游鐵路橋防洪標(biāo)準(zhǔn)不一致。城市河道防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為重要城鎮(zhèn)、工業(yè)中心、大城市為1/100 洪水頻率，最大洪水頻率為1/200，一般城鎮(zhèn)按照1/20-1/50洪水頻率設(shè)計；而運營中的普速鐵路行洪橋孔徑應(yīng)能通過1/100 頻率的檢定洪水，對技術(shù)復(fù)雜、修復(fù)困難或重要的特大、大橋,還應(yīng)能安全通過1/300 校驗頻率洪水。就防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)而言，城市河道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)一般低于鐵路橋梁，當(dāng)發(fā)生洪水時，河道的疏浚能力不足，造成洪水流速過快，橋墩基礎(chǔ)沖刷加劇。造成跨越河道的鐵路橋梁防洪安全隱患大，不利于鐵路行車安全。

1.4 橋梁施工質(zhì)量缺陷

一些鐵路橋梁施工時為了按時完成工期、沒有按照規(guī)范要求施工、且施工人員技術(shù)水平不一而足，致使橋梁質(zhì)量不過關(guān)也是造成基礎(chǔ)沖刷的主要原因之一。施工時存在基礎(chǔ)開挖深度不符合要求，基礎(chǔ)底部沒有放在承載力較強的土層上，混凝土澆筑較少、養(yǎng)護(hù)不到位等問題，造成基礎(chǔ)質(zhì)量差，抗沖刷能力不強。

2 鐵路橋梁基礎(chǔ)沖刷的預(yù)防措施

2.1 做好洪水的預(yù)判

與氣象部門、上游水庫及河道管理部門建立聯(lián)系，遇有上游流域強降雨或上游水庫即將開閘泄洪時，應(yīng)當(dāng)及時采取防范措施。在橋梁上游匯水區(qū)域和行洪河流分別安裝雨量計和水位監(jiān)測裝置，在降雨量或水位超過預(yù)警值以后迅速對行洪橋梁采取應(yīng)急措施。

2.2 加強橋梁上、下游河道的檢查

針對鐵路橋梁維護(hù)中的基礎(chǔ)沖刷問題，應(yīng)加強橋梁下游河道的檢查工作。對于有不合理的挖沙取土及在禁止采砂區(qū)域內(nèi)挖沙行為，應(yīng)當(dāng)及時向河道管理部門和鐵路公安反應(yīng)，及時制止。禁止采砂區(qū)域見表1。

2.3 設(shè)計要因地制宜

設(shè)計要根據(jù)現(xiàn)場情況，因地制宜，制作切實可行的方案。首先需要調(diào)研選址區(qū)域內(nèi)的水文、氣候及人類活動情況，做好水文分析和計算。對于特大橋及技術(shù)復(fù)雜的橋梁需要進(jìn)行水力試驗?zāi)M，分析河流的水力特性，制定合適的橋墩布置施工方案，為科學(xué)的確定橋梁施工方案提供參考。對于河道不固定，季節(jié)性左右擺動的河流，應(yīng)重新選定橋址設(shè)法避開，如果實在無法避開，需要通過現(xiàn)場調(diào)研和查找歷史水位資料判斷其河道最有可能出現(xiàn)的方位，重新設(shè)計橋跨布置方案。對于受自然氣候變化影響嚴(yán)重的地區(qū)，洪水多發(fā)的河流，在查找歷史水位資料的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該著重把近期洪水的因素考慮進(jìn)去，精準(zhǔn)有效的判斷出洪水的趨勢和方向，通過相應(yīng)的設(shè)計提高橋梁的抗洪能力；對于上下游存在采砂情況或者有擋水建筑物的的河流，應(yīng)準(zhǔn)確的調(diào)研人類活動對河流的影響，計算沖刷深度并確定合理的基礎(chǔ)埋置深度。

2.4 提高施工質(zhì)量

施工前對橋梁選址區(qū)域的水文情況以及地形地貌等進(jìn)行現(xiàn)場勘查，確認(rèn)與設(shè)計不符的，及時協(xié)商進(jìn)行變更設(shè)計。施工時嚴(yán)格把好質(zhì)量關(guān)。首先嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量，對進(jìn)場材料進(jìn)行檢驗，保證砂石水泥驗收一批使用一批。其次確保工程按照鐵路施工規(guī)范的要求進(jìn)行施工，質(zhì)量符合要求。橋墩基礎(chǔ)施工時開挖深度一定要足夠，確保基礎(chǔ)底部承載能力達(dá)到設(shè)計的要求，并且埋置深度滿足規(guī)范。最后工程竣工后，嚴(yán)格按照鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范規(guī)定的要求進(jìn)行驗收。

3 鐵路橋梁基礎(chǔ)沖刷的整治措施

為了更好地提高鐵路橋梁的保養(yǎng)運營水平，就需要針對鐵路橋梁基礎(chǔ)沖刷的主要成因，提出相應(yīng)的整治措施，來有效解決鐵路橋梁工程維護(hù)運營中存在的基礎(chǔ)沖刷問題，從而才能更好的推動鐵路運營的長效發(fā)展。

3.1 采取防護(hù)措施減緩沖刷

針對橋墩基礎(chǔ)沖刷，可以對橋墩基礎(chǔ)設(shè)置防護(hù)措施來減緩沖刷。鐵路橋梁通常采用整孔防護(hù)和局部防護(hù)。

（1）整孔防護(hù)

整孔防護(hù)多用于小橋，是指在全橋或者部分范圍內(nèi)幾孔設(shè)置防護(hù)，以防止洪水沖刷墩臺基礎(chǔ)。防護(hù)采用的措施有石籠防護(hù)、板樁防護(hù)、漿砌片石護(hù)底、混凝土預(yù)制塊等。

對于較窄或季節(jié)性河流來說，增強河床的鋪砌可以有效防止橋墩基礎(chǔ)的沖刷。石籠防護(hù)適用于較穩(wěn)定，沖刷范圍較小的河床，以竹子或鋼筋編織成石籠，石籠間要相互勾連；板樁防護(hù)適用于較穩(wěn)定，沖刷范圍較小并且為土質(zhì)河床時，在基礎(chǔ)周邊打板樁作圍堰,其內(nèi)填砂、石；漿砌片石和混凝土預(yù)制塊防護(hù)適用于基礎(chǔ)埋置較淺，沖刷范圍較大的河床，應(yīng)在整個河床平面鋪砌；其中混凝土預(yù)制塊需要較穩(wěn)定的河床，且不能只施工部分。鋪砌防護(hù)方法如圖1～圖4所示。

圖1 石籠防護(hù)圖

圖2 板樁防護(hù)

圖3 漿砌片石防護(hù)圖

圖4 砼預(yù)制塊防護(hù)

（2）局部防護(hù)

大中橋通常采用局部防護(hù)，一般在河流沖刷達(dá)到平衡，河床較穩(wěn)定的區(qū)段上使用此防護(hù)措施。防護(hù)體的頂面宜設(shè)在一般沖刷線以下。防護(hù)采用的方案有石籠防護(hù)、鉆孔樁防護(hù)、鋪砌防護(hù)、旋噴樁防護(hù)等。鐵路常采用的為石籠防護(hù)，它的優(yōu)點是操作簡單，適應(yīng)河床的變化，防止基礎(chǔ)局部沖刷加重。

（3）墩前增設(shè)防護(hù)樁

在橋墩上游的多個方向均設(shè)置圓樁,如圖5 所示。河道中水流流經(jīng)防護(hù)樁時，水流速度降低，對橋墩基礎(chǔ)的沖刷力減弱，從而更好地防護(hù)橋墩基礎(chǔ)不被沖刷。這一措施使得水流的沖刷力主要集中在墩前的群樁上，這些樁作為防護(hù)樁來保護(hù)橋墩基礎(chǔ)。

圖5 防護(hù)樁示意

3.2 病害基礎(chǔ)加固消除隱患

一些橋梁基礎(chǔ)沖空嚴(yán)重，造成基底承載能力不足等影響橋梁運營安全的問題，不僅要防護(hù)橋墩緩解沖刷，還需要對基礎(chǔ)進(jìn)行加固，消除安全隱患。通常采用的加固措施有高壓旋噴法、增補基樁法、鋼筋混凝土套箍、擴(kuò)大基礎(chǔ)法加固等。

高壓旋噴樁加固法，是在既有基礎(chǔ)下用高壓旋轉(zhuǎn)的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合，形成連續(xù)搭接的水泥加固體，改善基礎(chǔ)承載力。施工占地少、振動小、對鐵路安全影響較弱，但對于特殊的土體（淤泥質(zhì)土等）不宜采用。增補基樁加固法，是指在基礎(chǔ)周圍補加鉆孔樁，或打入鋼筋混凝土預(yù)制樁，與原承臺或基礎(chǔ)相連，以此增強基礎(chǔ)穩(wěn)定性。通常適用于橋墩基礎(chǔ)下土體較軟，基底未落在承載力強的巖石層上，墩臺發(fā)生沉降。鋼筋混凝土套箍或護(hù)套加固法，當(dāng)橋墩由于基礎(chǔ)埋深不夠，或施工質(zhì)量問題造成墩臺開裂時，可采用鋼筋混凝土套箍進(jìn)行加固。當(dāng)墩臺損壞嚴(yán)重，如墩身嚴(yán)重開裂或大面積表面破損、掉塊時，則可采用鋼筋混凝土護(hù)套的方法加固。擴(kuò)大基礎(chǔ)加固法，適用于水流沖刷不嚴(yán)重的淺水地區(qū)，地基不均勻沉降且承載力滿足要求。通常利用混凝土砌筑成臺階形式，且厚寬比足夠大的剛性基礎(chǔ)。一般為明挖基坑施工，在水中需要先筑圍堰再開挖。

4 結(jié)束語

橋梁基礎(chǔ)沖刷對鐵路運營安全的影響不容忽視，該病害往往不是單一因素造成的。橋梁基礎(chǔ)出現(xiàn)沖刷時，在保障鐵路運營安全的前提下，認(rèn)真分析研判，查找基礎(chǔ)沖刷病害成因，因地制宜、采取恰當(dāng)方式進(jìn)行整治。要想徹底解決橋梁基礎(chǔ)沖刷問題，必須事先防范，從設(shè)計和施工兩個方面把握。橋墩基礎(chǔ)防沖刷設(shè)計是橋梁正常運營的重要保障之一，在設(shè)計時應(yīng)高度重視，還要兼顧施工的質(zhì)量和工期。