既有橋改建對拉錨桿加固橋后路基新技術

鄒維國

1 概述

既有京張立交橋中心里程為大秦鐵路K261+049.73[公路里程K81+224(S216)］，為4孔鋼筋混凝土框構雙線橋。既有大秦鐵路輕、重車線上跨通過，被交道路110輔線(S216)與大秦線交角38°，是北京與張家口之間的交通要道，平均流量380輛/h。該橋的布孔方案為 12.2 m+15.7 m+15.7 m+12.2 m。

本次改建系因大秦鐵路擴能改造，車站到發線延長、輕重車線右移引起，改建形式為單側(大秦線右側)接長，接長部分維持原布孔方案和角度不變。改建后既有橋部分保留1股軌道通過，新建橋部分3股軌道通過。新舊橋接縫按沉降縫處理，秦皇島端接縫距大秦輕車正線外軌0.72 m，該段線路為800 m半徑曲線，根據設計須拆除既有橋翼墻才能保證新橋結構尺寸(見圖1)。因拆除翼墻影響翼墻背后路基穩定，因此必須進行加固處理。在不影響列車運營的條件下，采用對拉鋼筋錨桿加固路基無需封鎖、慢行，不必架空線路，卻達到同樣目的。

圖1 既有橋改建圖

2 加固方案比較與選擇

2.1 以往類似工程的處理方法簡介

以往類似工程采取的處理方法著重于對軌道進行加固或軌道路基綜合加固，通常采用扣軌法、橫縱抬梁或D型便梁法架空線路，鋼板樁、工字鋼樁或挖孔樁加固路基，但這些方法的弊端在于需要列車慢行甚至中斷行車。

大秦線晝夜行車100對，行車間隙只有7 min，普通列車車長120節，萬噸列車車長220節，2005年運量達到2 030萬t，凡封鎖、慢行施工均會影響運量，因此以往方案不會得到路局的同意。

2.2 加固方案重點分析

本工程的加固重點在于既有橋翼墻拆除后，原來位于翼墻之后的路基土體臨空暴露，易造成塌方從而危及既有線行車。因此保證土體穩定是加固方案的著眼點。新建橋基坑開挖后路基高度5.4 m豎直暴露，只要想辦法保證路基穩定就不會影響既有線行車。也就是說利用另一種方式抵御土體側壓力代替原橋翼墻就能達到這一目的。以往的路基加固方法如挖孔樁可以達到這一目的，但新舊橋接縫點距離外股鋼軌只有0.72 m，在此處任何作業均侵入行車限界，因此不能采納。

翼墻的作用是對土體的側壓力給予反作用力，只要不改變這個反作用力方向，而是由土體內部向內拉住土體即能起到翼墻的作用，因此利用鋼筋穿過土體內部形成對拉可以解決這一難題。

2.3 加固方案確定

1)翼墻自上而下拆除，每次拆高1 m，每拆除1 m高后即采用錨桿鉆機鉆透路基至路基對面，每次鉆4個孔(見圖2)，孔內穿入16 mm螺紋鋼筋，路基對面邊坡預先挖好錨固樁基坑，鋼筋穿入后兩端安裝鋼板，并焊接牢固。依次類推直至拆除翼墻最底部。

2)翼墻拆除后土體暴露面有坑洼不平與鋼板間產生間隙的采用砂漿填實。

3)翼墻腳較低處采用打入工字鋼樁防護。

圖2 對拉防護圖（單位：m）

3 關鍵技術及可行性分析

3.1 防護結構的安裝

錨桿孔成型后，立即穿入錨桿并拉直，當四根錨桿全部安裝完后，用砂漿將土體暴露面的坑洼不平處填實，處理完后，將加工好的鋼板(角鋼已焊接好)穿過錨桿緊靠土體安裝好，對錨桿兩側同時施加一定的力，先將拆除翼墻側的錨桿焊接在角鋼上，然后將另一側的錨桿同樣焊在角鋼上。

3.2 防護結構的受力分析

3.2.1 受力結構

鋼板、角鋼、錨桿三者形成一組合結構，共同承受土壓力。

3.2.2 受力計算

1)計算資料。

a.翼墻加固高度H=4 m;

b.翼墻后填料為碎石類土，其單位容重r=19 kN/m3，內摩擦角 φ =40°;

c.根據《路基支擋結構設計規范》列車和軌道荷載換算高度h=3.2 m;

d.鋼板長 a=2.4 m，寬 b=1 m。

2)受力計算。

土應力圖見圖3。

a.土壤破裂角 θ。

b.推力系數λ。

c.最下面一塊鋼板承受的平均主動土壓強P(見圖3)。

d.最下面一塊鋼板承受的壓力F(考慮1.3的安全系數)。

e.錨桿鋼筋的直徑。

選用普通鋼筋作為錨桿，鋼筋的抗拉計算強度 R=19 000 kN/cm2，則所需鋼筋面積A:

每塊鋼板上用4根鋼筋，每根鋼筋的截面積為:

考慮鋼筋需要焊接，質量不易保證，選用較大鋼筋，采用直徑16的螺紋鋼，每根面積為2.01 cm2。

f.鋼板的強度計算。

鋼板選用16Mn鋼，厚度t=14 mm，容許應力[σ］=315 MPa;

角鋼間距1.4 m，鋼板計算跨度l1=1.4 m，每塊鋼板寬1 m，計算寬度b=1 m。

鋼板承受的均布荷載q1(取安全系數1.3):

最大彎矩 M1=q1×l21/8=36.08×1.42/8=8.84 kN/m。

截面抵抗矩 W1=b×t2/6=100 ×1.42/6=32.67 cm3。

彎拉應力 σ1=M1/W1=8.84 ×103/(32.67 ×10－8)=270 MPa＜315 MPa。

鋼板彎拉應力滿足要求。

g.角鋼的強度計算。

角鋼型號采用∠80×6 mm，其鋼材的容許彎拉應力[σ］=315 MPa，剪應力[τ］=185 MPa;

角鋼的計算跨度l2=0.6 m;

其截面抵抗矩查手冊W2=9.87 cm3(最小值)。

角鋼承受的平均均布荷載q2(取安全系數1.3):

q2=P × a/2 ×1.3=27.75 ×2.4/2 ×1.3=43.29 kN/m2。

最大彎矩 M2=q2×l22/8=43.29×0.62/8=1.95 kN/m。彎拉應力 σ2=M2/W2=1.95 ×103/(9.87 ×10－8)=198 MPa＜315 MPa。

角鋼的彎拉應力滿足要求。

角鋼最大剪應力 V=F/4=86.58/4=21.65 kN。

假定剪應力全部由角鋼與錨桿焊接的邊承受:

角鋼的剪應力滿足要求。

4 加固方案實施

4.1 施工工藝簡述

鉆機采用可移動錨桿鉆機，并搭設腳手桿排架固定，以防止鉆機后坐。選擇鉆頭直徑0.05 m，鉆桿可接長，根據路基寬度，共需鉆桿 11.5 m。

圖3 土應力圖

施工前應試鉆一個孔以確定鉆孔所用的時間，如鉆孔時間過長，翼墻拆除后1 m高路基暴露的時間也相應增長，此時應作一些其他輔助措施或調整方案。比如可以先將混凝土翼墻鉆透再鉆路基，穿入錨桿并臨時焊接后再拆除翼墻。

錨桿采用16 mm螺紋鋼筋，每根長12 m，共計16根，鋼板尺寸為2 400 mm×1 000 mm×14 mm。鋼筋與鋼板連接方式為:先在鋼板上鉆好眼，鋼筋穿過鋼板后用角鋼(∠80×6 mm)將四個鋼筋頭焊接牢固。待所有鋼筋穿入并與鋼板連接固定好之后，用混凝土將錨固樁坑填平，以免雨水浸泡土體，使土體軟化。

4.2 控制重點

1)所有施工順序必須是由上而下進行;

2)必須待每對鋼板上四根鋼筋全部焊接牢固形成對拉體系之后方可進行下一節翼墻拆除;

3)鋼筋必須是經過檢驗并且合格的，抗拉強度滿足190 MPa以上。

5 加固效果

此方案經過路局工務處審批后實施，歷時3 d完成秦皇島端路基加固并拆除翼墻，僅投入資金1.5萬元。橋體施工自開挖基礎，歷經基底換填，混凝土墊層澆筑，框構底板鋼筋綁扎、支模、混凝土澆筑、養生，邊墻頂板支撐加固、鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑共計25 d時間未發生任何險情。

6 結語

對拉鋼筋錨桿加固路基施工技術，具有加固結構簡單，機具設備簡陋，施工方法簡便，加固周期短，方案安全可靠，加固費用低等優點。因此，該技術是一種在營業線施工中值得推薦的比較實用的方法。

[1]橋涵頂進設計與施工[M］.北京:中國鐵道出版社，1983.

[2]郭秉山.建筑結構工程師手冊[M］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

[3]TB 10025-2006，鐵路路基支擋結構設計規范[S］.