包頭至西安段鐵路路塹擋護病害整治工程方案設計與研究

胡三喜

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 工程概述

包西鐵路通道K564+050～+150(勘測里程為DK494+050～+910)段路基工程位于延安至延安北之間，左側靠山，右側為延河。該段左線為既有線，右線為新建二線。因既有線曲線半徑為1 200 m，不滿足時速160 km的最小曲線半徑1 600 m的要求，在增建二線時對本段既有線向山側進行了撥移改建，撥移量3～10 m，兩線間距約14～20 m，詳見圖1。本段地層上部為沖積砂質黃土，底部為三疊系上統頁巖夾砂巖，地震動峰值加速度為0.05g，相當于地震基本烈度六度，地震動反應譜特征周期為0.35 s。土壤最大凍結深度100 cm。

圖1 K564+050～+150段線路平面

2 原工程設計與病害情況

2.1 原工程設計

(1)原工程設計地質特征

K564+050～+150段共實施了鉆探127.5 m/4孔。鉆探成果顯示該處上覆砂質黃土厚約11～18 m，基巖埋深較大，該段基巖上部的黃土呈硬塑狀態，斜坡穩定。

砂質黃土(Qal33):分布于黃土梁峁區，厚5～20 m，淺黃色，具有孔隙，垂直節理發育，土質均一，硬塑，Ⅱ級普通土，σ0=120～150 kPa。具Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性，濕陷厚度10～15 m。砂質黃土試驗數據為c=17.4 kPa，φ =22.4°。

(2)原工程設計邊坡工程措施

既有線改建后K564+050～+150段左側最大挖方邊坡高18 m，路基工程設計時比照了既有線的工程設置及使用情況，并適當進行了加強，挖方邊坡坡率采用1∶1，邊坡下部設一級10 m高的漿砌片石護墻防護，護墻以上邊坡設骨架護坡，兩級間設有2.5 m邊坡平臺。邊坡穩定性檢算:沿土石界面的K=1.25，路塹坡腳處K=1.17，滿足邊坡穩定性安全要求

勘察與施工中未發現不良地質，且施工與設計地層情況相符。

本段線路于2009年年中開始施工，2010年年初施工完畢，于2010年年底通車運營，自開通運營至2011年12月初期間線路運營良好，一直未發現異常，也未發現有病害。

2.2 病害情況

2011年12月13日發現K564+065～K564+145段一級護墻距路肩高程以上5～7 m處漿砌片石被擠開錯臺，錯臺寬度達10 cm以上(圖2)，部分被擠開的片石已掉落路塹坡腳處;K564+050～K564+150段左側路塹頂自然山坡表面發現3道環形裂縫，最外側環形裂縫(F5)位于塹頂外側50～56 m處，裂縫寬度約5～10 cm，局部有錯臺高差約3～8 cm(圖3、圖4)。

圖2 K564+065～+145段邊坡錯臺

圖3 K564+065～+145段塹頂外地表裂縫

圖4 K564+050～+150段塹頂地表裂縫

對塹頂設置的觀測樁監測數據對比分析發現，塹頂裂縫每天的位移值為2～3 mm，該段左側路塹邊坡變形還在繼續。

3 病害原因分析

病害發生后，通過現場會勘，并在收集該段路基初、定測勘察資料及施工過程中相關資料的基礎上，經過大范圍的現場地質調查訪問及勘探，基本查明了K564+050～+150段路塹病害的原因如下。

3.1 地形變化(水土流失)因素的影響

延安地區是黃土高原水土流失最為嚴重的地區之一，加之人為改造，地形微地貌發生明顯的變化。從2005年和2009年衛片對比可以看出(圖5、圖6)，2009年衛片顯示的黃土沖溝溯源侵蝕相對明顯，垂向沖溝侵蝕加深，黃土坡面相對支離破碎，人造梯田的地貌特征相對明顯，將相對完整的斜坡體分割成塊狀，同時人為活動及水土流失對地形的改變影響地表水地下水的徑流，因此，水土流失造成地形變化，導致地表水地下水徑流條件改變，而基底土石界面略有傾斜，對高陡的黃土邊坡穩定性存在影響。

圖5 2005年衛星圖

圖6 2009年衛星圖

3.2 氣候環境因素的影響

延安地區屬半濕潤易旱區氣候，降雨量主要集中在6～10月，占到了全年降雨量的85%以上。同時年降雨量和月降雨量均存在顯著差異。通過對延安地區氣溫、降水及相對濕度的變化特征分析，近10年以來陜北植被覆蓋率逐年增加，降水量總體呈上升趨勢(圖7)。

根據現場調查包西鐵路K563+850～K564+150左側(靠山側)140～210 m范圍內黃土平臺(高程約為1 000～1 015 m)附近喜水植物(以蘆葦為主)比較茂盛，尤其在 K563+960、K564+060、K564+120 左側沖溝內和溝腦喜水植物極為茂密，而在K564+350左側150 m附近(高程約為990 m)三疊系頁巖出露，以上調查資料說明喜水植物茂盛為基巖埋深較淺造成地下水埋藏較淺在黃土陡坎(或斜坡)滲出，2011年降水量7～10月降水量增加較為明顯，11月份氣溫驟降，造成該段地下水徑流的改變，使得該段黃土斜坡地下水富集，致使界面土體力學強度大大降低，而沿土石界面蠕動形成的牽引式路塹斜坡變形。

圖7 2005～2011年降雨量

3.3 土體物理力學性質因素的影響

徑流特征是降雨及其下相對隔水層特征的綜合反映，同時也反映了地下水的變化特征。每年11月份氣溫下降，溝谷及河道逐漸凍結，地下水相對富集，徑流量出現下降，3月之后氣溫上升，淺埋段地下水及河道解凍，徑流量出現小高峰。根據2006年7月初地質外業調查及勘探資料顯示，三疊系頁巖以上的黃土(含土石界面)均為硬塑狀態。而2011年11月19日至29日鉆探在土石界面附近均出現了3～5 m的軟塑層，鉆進過程中縮孔嚴重，沿土石界面軟塑層易形成牽引式路塹斜坡變形。

病害原因分析:近幾年來由于氣候環境因素的變化，特別是2011年延安地區降水量明顯增加，大氣降水通過土體下滲，在土石界面附近聚集，導致土體被軟化，力學強度大大降低，路塹斜坡上部土體沿傾斜土石界面的軟塑層形成由下至上的逐級牽引式滑動。

4 病害整治設計方案研究

4.1 應急措施

(1)加強看守。

(2)于K564+050～+160段線路左側路肩裝設防護排架。

(3)對K564+050～+160段范圍內的接觸網塔桿及拉線進行防護。(4)拆除目前已破壞的護墻墻體，以防落石砸車。(5)設置觀測網，并定時觀測，形成系統的觀測報告。

(6)對塹頂外裂縫采用灰土進行夯填，做好臨時排水設施。

(7)根據工務部門的山坡裂縫觀測樁監測數據資料，如果發現裂縫變形持續發展且有加大跡象時，應于K564+065～+150段左側護墻頂塹坡平臺上設置加固樁進行臨時支擋。

4.2 整治方案措施

K564+050～+150段:本段上覆土層厚11～8 m，下部為頁巖夾砂巖，根據病害的類型，考慮了設置抗滑樁及清方兩類共3個方案。

4.2.1 方案一

擬于線路左側塹頂處設置抗滑樁進行整治，抗滑樁截面2 m×3 m，樁間距5～6.0 m，最大樁長27 m，最小樁長17 m，共設置20根(圖8)，于路塹邊坡平臺處加設鋼管樁加固，并于土石界面附近設置橫向排水管疏排地下水。主要工程量鋼筋混凝土4 558 m3，投資估算約478萬元。

4.2.2 方案二

圖8 沿塹頂設樁橫斷面(方案一)

擬于線路左側既有一級邊坡平臺處設置抗滑樁進行整治，抗滑樁截面2 m×3 m，樁間距5～6.0 m，最大樁長23 m，最小樁長16 m，共設置20根(圖9)。施工過程中需設置臨時支擋工程。主要工程量鋼筋混凝土4 197 m3，投資估算約423萬元。

圖9 沿平臺設樁橫斷面(方案二)

4.2.3 方案三

擬自線路左側一級平臺邊沿始，按4%的排水坡對變形體進行清方，對清方后緣邊坡設置擋護工程(圖10)。主要工程量:清除土方42 055 m3，片石混凝土2 250 m3，征地14畝，增修施工便道2 km，投資約347.4萬元(不含電力改遷)。

4.2.4 方案比選

于平臺處設置抗滑樁方案(方案二)雖較塹頂設置抗滑樁方案(方案一)抗滑樁樁長有所減小，但樁體距邊坡過近，錨固端錨固效果差、樁頂以上土體存在自樁頂滑出的可能，施工場地位于既有邊坡上施工困難，施工過程中臨時防護工程巨大，且距離接觸網較近施工中鋼筋籠吊裝易發生危險;清方方案(方案三)雖施工簡單但存在清方后易發生次生災害，且施工過程中需要進行二次征地，對清方范圍內的通信、電力電桿進行改移，修建大型施工機械運輸道路等問題，棄土困難。故推薦于塹頂處設置抗滑樁(方案一)。

5 工程設計與施工

5.1 工程設計

(1)于左線K564+055～+150段左側24～29.5 m塹頂處設抗滑樁工程，共設置20根，5號～16號抗滑樁樁截面采用2.5 m×3.0 m，1號～4號抗滑樁及17號～20號抗滑樁截面采用2.0 m×3.0 m，樁長17～27 m，樁中心間距5 m。抗滑樁樁體采用C35鋼筋混凝土澆筑［1］。

(2)1號～20號抗滑樁護壁采用C20鋼筋混凝土澆筑，護壁厚度采用0.25 m。地面上下0.5 m范圍設0.5 m厚鎖口。

(3)對左側塹頂外自然山坡表面的裂縫、坑洞等采用二八灰土夯填密實，對抗滑樁樁頂以上空樁用二八灰土夯填至地表。

(4)于左線K564+060～+150段左側護墻頂部塹坡平臺坡腳位置設置鋼管加固樁進行支擋，加固樁需錨入目前護墻頂平臺以下不小于11 m。加固樁樁間距1.25 m，長度11 m，采用鉆機成孔，樁徑15 cm，土體中鉆孔加套管。采用M35砂漿灌注后再插入外徑8.3 cm、壁厚7 mm的鋼管，鋼管接頭必須采用焊接，但接頭不得位于目前護墻開裂線附近。如應急工程時已施作鋼管加固樁，本次施工應進行加密、加強。鋼管加固樁自每根抗滑樁樁中心開始向外布置。

(5)于5號～15號樁樁間對應的邊坡平臺以下護墻背后各設置1道滲溝，采用袋裝碎石碼砌而成(袋子采用土工織物，土工織物主要技術標準:刺破強度和撕裂強度不小于400 N，CBR頂破強度不應小于1.5 kN)。滲溝寬1.2 m，深度為平臺外緣向內至平臺鋼管加固樁前，背坡1∶0.5，胸坡與護墻背坡坡面一致，滲溝溝底置于土石界面。基坑開挖過程做好臨時支護。

(6)于開挖的滲溝溝槽后壁(靠山側)上各設置2孔橫向引水孔(孔徑10.8 cm，長度15.0 m)，泄水孔橫向設成4%的排水坡，橫向引水孔孔內用土工膜包裹的滲排水管材(管材外徑8 cm)填塞，采用人工或機械成孔，成孔過程中加花套管。

(7)對拆除的護墻予以修復，重建的護墻縱橫向應每間隔2～3 m交錯設置泄水孔，最下排泄水孔需設置于土石分界面附近，另在滲溝位置處泄水孔需加密。護墻泄水孔后設0.3 m×0.3 m的土工滲排水板材。

(8)對目前已開裂或施工時損壞的平臺截水溝及平臺拆除、重建。

(9)對K564+050～+160段內已損壞的或施工中損壞的天溝予以拆除重建，并于最外側裂縫外緣及二三道裂縫間設環形截水溝。水溝采用0.4 m×0.6 m梯形斷面，用M7.5漿砌片石砌筑，厚0.3 m。水溝底設0.15 m厚的二八灰土墊層防滲。

5.2 抗滑樁設計

土體物理性能指標取值為:地表以下5.0 m范圍滑帶土采用c=10 kPa，φ=15°，地表5 m以下滑帶土采用 c=8 kPa，φ =11°，γ =19.7 kN/m3。樁設計荷載為滑坡推力，滑坡推力附加安全系數K=1.20，荷載分項系數 K=1.35［2］。滑坡推力采用值1 245 kN/m，樁設計采用極限狀態理論，樁的內力按彈性地基梁“K”［3，4］法 計 算，地 基 抗 力 比 例 系 數 m=50 000 ～70 000 kPa/m2，樁底支撐條件為鉸接。

撓曲方程為

式中，P為土作用于樁上的水平反力。

通過數學求解得到樁的位移、剪力及彎矩［5］。

樁身C35混凝土，其軸心抗壓設計強度［6］fc=16.7 MPa，彈性模量 Ec=3.15 ×104MPa。

受拉鋼筋采用HRB400鋼筋，其設計強度值fy=360 MPa，彈性模量 Es=2.0 ×105kPa。

箍筋采用 HRB335鋼筋，其設計強度 fy=300 MPa，彈性模量 Es=2.1 ×105MPa。

樁露出地面部分長12 m，地面以下埋入15 m。

病害整治平面示意見圖11。

圖11 病害整治平面

5.3 施工流程及工藝

該段工程地質條件較差，施工難度大，為了能按期保質地完成工程施工，特制定施工工藝流程［8］。

(1)施工流程

①做好應急工程。

②分3批進行抗滑樁樁孔開挖、抗滑樁樁體灌注施工。第1批先施工1號、4號、7號、13號、16號、19號號抗滑樁，第2批施工3號、6號、9號、12號 、15號、18號 抗滑樁，第3批施工2號、5號、8號、11號、14號、17號、20號抗滑樁;待前一批抗滑樁樁體強度達到設計值的70%后方可進行下一批抗滑樁樁孔的開挖施工。

③待第3批抗滑樁樁體強度達到設計強度后方可夯填裂縫，恢復天溝、增設環形排水溝。

④進行護墻頂邊坡平臺坡腳處鋼管加固樁的施工。

⑤待以上工程完工后進行滲溝溝槽開挖，施作橫向引水孔及排水管材的填塞，采用袋裝碎石回填滲溝溝槽。

⑥恢復施作護墻及平臺截水溝及平臺。

(2)樁及護壁的施工工藝

①樁孔采用跳樁開挖，樁孔開挖前應設置地表截、排水及防滲設施、自然邊坡的臨時防護工程。雨季施工時孔口應搭建臨時遮雨棚，做好鎖口;備齊井下排水、通風、照明設施，做好施工組織;安排專職人員對K564+050.00～K564+160.00之間山體邊坡進行實時監測，及時掌握邊坡變形情況，如有異常變形應及時采取相應處理措施。［9］

②樁井開挖應分節開挖、分節設置護壁支護，護壁每節高0.5～1 m，兩節護壁間豎向應采用接茬鋼筋相連接;護壁混凝土應緊貼孔壁巖體灌注，灌注前應清除孔壁上的松動浮土。護壁采用C20鋼筋混凝土澆筑，護壁厚度0.25 m。

③灌注樁身混凝土前，清除基坑內松土，夯實基底，檢查斷面凈空。

④將鋼筋籠吊入基坑內，按設計要求入位;鋼筋宜預制成籠，也可在樁孔內搭接，但接頭不得設在土石分界面上下各2.0 m范圍內。縱向受力鋼筋的焊接接頭應相互錯開，鋼筋焊接接頭連接區的長度為35d(d為縱向受力鋼筋的直徑)且不小于500 mm，凡接頭中點位于該連接區段長度內的焊接接頭均屬于同一連接段，位于同一連接區段內縱向受力鋼筋的焊接接頭面積百分率，對縱向受拉鋼筋接頭不應大于50%。

⑤混凝土灌注必須連續進行，以防出現斷樁。護壁、樁體在寒冷天氣施工時應做好冬季施工措施。

⑥為便于對抗滑樁樁體進行質量檢測，各抗滑樁的四角各預埋設1根聲測管(鋼管、外徑50 mm，聲測管管底至抗滑樁樁底，聲測管管頂高出抗滑樁樁頂0.3 m)，聲測管固定于抗滑樁鋼筋籠上。聲測管接頭宜采用螺紋連接，埋設前應檢測聲測管是否通暢、管壁是否破損。聲測管管底及接頭必須密封，對聲測管外漏管頭采用木塞等物體臨時封堵，保持聲測管管內通暢。［7］

(3)施工注意事項

①在既有電氣化鐵路旁邊及高壓電線下施工，應做好安全防護措施，保證施工安全和鐵路運營安全。

②施工時應注意避免對通訊信號等既有管線、管道的破壞。寒冷天氣施工應做好冬季施工措施。

③施工前應做好測量放線工作，樁定位采用儀器放樣，確保樁位準確。核對抗滑樁位置、樁頂地面高程是否與設計吻合。

④施工前應做好臨時排水設施，以防雨水流入基坑。

⑤挖孔、吊裝、灌注作業施工，一定要確保人員機具的安全，做好安全防護措施。

⑥為保證樁孔開挖的施工安全和護壁質量，樁孔采取邊挖邊護方法施工，護壁襯砌必須及時緊跟開挖，避免在地層變化處分節。樁護壁施工過程中，在立模灌注每節鋼筋混凝土前，注意清除巖壁上的浮土和松動石塊，使護壁混凝土緊貼孔壁，兩節間預埋接茬鋼筋相連。每節開挖應在上節護壁終凝后進行，而且開挖不宜過深，以免上節護壁懸空過高，當孔壁周邊土體軟弱時，應調整樁孔開挖及護壁襯砌的分節高度，不得于土石界面處分節。確保施工安全。開挖樁孔時不能放炮，以免造成震動，樁孔內配備軟梯，以便施工人員迅速撤離樁井。［10］

⑦在開挖樁孔過程中，若發現現場地形、地質情況與設計圖紙不符時，請盡快與設計人員聯系，以便及時進行處理。

⑧樁身截面尺寸、中心位置、孔底高程必須符合工程質量評定驗收標準。主筋焊接和混凝土灌注必須嚴格執行有關技術規范和操作規程。豎向主筋或其他鋼材的搭接應避免設在土石分界面上下2 m范圍，搭接接頭應錯開。

⑨樁孔如基礎有超挖，其超挖部分必須用C35混凝土與樁身一同灌注。

⑩由于樁是側向受力受彎結構，因此樁身灌注時應連續進行，不得間歇，并用振搗器搗固密實，以免形成施工縫。

(11)各種材料及施工器材距井口應有一定距離，以防落入井內傷人，井上設專人指揮，樁身施工前應設置觀測設施，有專人負責觀測。

(12))施工中樁截面尺寸的施工誤差只能為正，不能為負，以保證主筋的混凝土保護層厚度大于7 cm。

(13)滲溝在施作時應先做好袋裝碎石，待坑槽開挖完橫向引水孔施工后應及時碼砌，應做好基坑臨時支撐防護。

(14)鋼管加固樁施工時樁的位置誤差不大于5 cm，垂直度不應超過1.5%，鋼管插入后應確保鋼管內外砂漿飽滿、均勻，鋼管接頭應聯接牢固。

(15)橫向引水孔在施工時應注意采用避開平臺處的鋼管加固樁及對抗滑樁的損壞。在施工鉆孔時應注意保持施工機械與接觸網的安全距離，注意施工及行車安全。

(16)恢復的天溝及增設的環形截水溝均應于既有的橋、涵洞、側溝等排水系統連接，以便排水順暢。

(17)恢復的護墻與既有護墻應良好銜接，避免墻體形成水平通縫。

6 工程實施效果

本病害工點已于2012年3月2日施工完畢，通過對塹頂設置的觀測樁的監測數據分析，目前左側路塹邊坡變形已停止，達到了設計效果。

7 結語

本段地質情況為上覆砂質黃土，下部為頁巖夾砂巖，且基巖面近乎水平，勘察與施工時未發現不良地質，且與設計地層情況相符。通過本病害的原因分析與工程整治，不僅對今后在設計該類型工點時設計思路能有所開拓，也可為今后在此類路塹病害處理時有一定的借鑒。

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