軟土地區鐵路橋梁墩臺滑移病害整治技術研究

李 濤

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

1 概述

寧啟鐵路位于江蘇省，經過長江以北沖積平原，所處地區軟土覆蓋層較厚，易發生橋梁墩臺病害。2010年，在進行寧啟鐵路增建二線某中橋建設過程中，發現一側的既有線中橋出現梁縫減小甚至頂死、墩臺向河中心滑移、橋臺支座螺栓剪斷、個別支座脫空等病害，影響既有線列車運營安全，不得已對通過列車采取了限速45 km/h的臨時措施。按照上海鐵路局工務部門要求，中鐵上海設計院根據現場測試資料，對該橋的病害機理及發生原因進行了研究分析，并結合新建二線橋梁完成了整體治理加固設計，希望通過實施過程中的不斷調整優化，為類似病害橋梁的整治加固提供借鑒參考。

2 既有線工程

2.1 橋梁結構

既有線中橋建成于2002年，全長62.42 m，線路垂線與河道交角 42°。橋位處線路為直線段，坡度4.3‰。上部結構為3-16 m預應力混凝土簡支T梁，圓柱面鋼支座。鋼筋混凝土圓柱形橋墩，直徑2.0 m。T形橋臺。墩臺基礎均采用φ0.8 m鉆孔灌注樁，持力層位于砂巖層。

新建二線中橋建成于2010年，與既有橋梁并行，線間距為9.5 m。全長61.47 m，直線平坡。為了與既有線橋墩對孔布置，上部結構亦采用3-16 m預應力混凝土簡支T梁，盆式橡膠支座。鋼筋混凝土圓柱形橋墩，直徑2.50 m。空心矩形橋臺。墩臺基礎均采用φ1.0 m鉆孔灌注樁。

2.2 臺后路基軟土處理

既有線橋梁臺后路基高5.5 m，臺后及橋臺錐體處地基軟土采用粉噴樁加固處理。樁間距1.1 m，直徑0.5 m，樁深8.5～14 m，粉噴樁打穿軟土底部0.2 m以上;新建二線橋梁臺后路基軟土地基以及橋臺錐體范圍內地基也采用了水泥攪拌樁加固，樁徑0.5 m，樁間距1.0～1.3 m，樁長9～14.0 m。

2.3 橋址處地質情況

地質勘探資料揭示，橋址處30.0 m厚度內為第四系全新統沖積黏性土、第三系上新統圓礫土以及白堊系泥質砂巖。地面下約15 m范圍內均為流塑狀淤泥質黏土，承載力低，為典型的軟土地基。河道及岸坡穩定性較差，稍遇外界干擾，即可發生岸坡滑移，造成橋梁病害。各土層特征分別見表1。

表1 地質分層及相關設計參數

3 橋墩臺位移病害

2011年9月、2012年5月，上海鐵路局工務檢測部門對既有線橋墩臺的位移情況進行了2次檢測，并給出了鑒定評估意見。

3.1 外形觀測

(1)梁縫:全橋各孔間梁縫與竣工圖梁縫相比均明顯縮小。其中，0號臺前墻右側上緣與梁端頂死，梁端局部開裂;1號墩梁端上緣不規則頂緊;2號墩梁端上緣頂緊，橫隔板開裂;3號臺前墻左側與梁端頂緊，橫隔板開裂。

(2)支座:第一孔梁固定支座下板螺栓剪斷，下板松動、支座吊空，局部有平面內扭轉。

(3)橋臺后路基:兩橋臺后路基沉降明顯，護錐與臺后路基已形成明顯臺階，護錐頂部破裂。

3.2 梁縫測量值

從2011年9月、2012年5月2次梁縫測量值比較(表2)看出，在不到1年的時間內，既有線橋梁梁縫有不斷減小的趨勢。

表2 梁縫測量值 mm

3.3 墩臺位移量分析

根據支座下板縱向中心距測量結果，與理論設計值相對比，可推測墩臺水平變形情況，見表3及圖1。

表3 墩臺水平變形推測值

圖1 既有線橋墩橫向位移平面示意

由上看出，墩臺縱向位移為22～77 mm，已經超出了鐵路橋梁設計規范中規定的活載作用下容許值20 mm。橫向最大位移也達到110 mm，對線路平面影響較大，必須進行整治處理，確保行車安全。

4 病因分析

4.1 有關計算方法

根據已發生的墩臺頂實際位移病害，通過對路基－橋臺土體整體的最不利滑弧檢算和土壓力計算對比分析，確定臺背土壓力是控制荷載。對造成本橋墩臺過大位移的可能因素，如樁基持力土層約束作用、臺背土壓力計算參數選取、樁身水平土推力荷載等進行了計算研究。按照現行鐵路橋梁設計和檢定規范［1-2］及常用計算分析方法［3-4］，建立樁基計算模型，采用“m法”進行理論分析，探討各種因素影響的權重值。例如，對縱向位移值最大的0號橋臺，針對樁基持力層軟土經粉噴樁實際加固后的不同效果，選取不同的側向地基比例系數進行模擬計算。最不利時完全不考慮側向土體的約束作用，按高樁承臺計算，分析樁身可能出現的自由端長度。

參照國內對類似病害橋梁的分析資料［5-11］，分析時將目前橋梁設計規范中沒有明確規定的樁側土體水平推力作為外荷載計入，采用側壓力系數法計算［12］。該方法基于彈性半無限空間理論，考慮臺背路基填土自重對地基產生的附加豎向壓力，然后乘以相應的側壓力系數，得到作用在樁側的附加水平側壓力(圖2)。其地面以下深度為z的附加水平側壓力為

式中，ξ為側壓力系數;Ks為豎向壓力分布系數;γh為路基填土容重;H為路基填土高。

圖2 臺背土壓力及樁側附加水平力計算示意

4.2 計算工況及分析

本次分析共采用了4種計算工況，將所得計算結果與實際測量值進行對比，判斷可能發生的最大影響因素。表4為各計算工況組成情況，表5為0號臺頂水平位移計算結果。

表4 計算工況

表5 0號橋臺臺頂位移計算值

從表5中看出，工況4情況下，即不考慮地面下7.5 m范圍內的約束作用時(假定自由樁長 l0=7.5 m)，臺頂位移達到74.4 mm，與實測最大值77 mm比較接近，說明樁基持力層土體的約束作用極弱，是引起墩臺位移較大變形的主要原因。計算結果還表明，此時樁身混凝土應力最大8.7 MPa，鋼筋應力最大148.7 MPa，均在設計規范允許范圍內，可以推斷結構尚未出現大變形和損害。

根據上述實測及分析結果，可以初步判斷本橋病害原因是由于地基軟弱，在臺背土推力或其他外界因素的作用下，原有土體的相對平衡失穩，導致河岸兩側土體向河中心處緩慢滑移，推動橋臺及橋墩水平變形所致。因線路與河流斜交，故墩臺同時發生縱向及橫向位移。現場調查還表明，在新建橋梁施工前，既有線橋墩臺已發生滑移，而新建橋施工時又擾動了周圍土體，加劇了河道的滑移趨勢。由于兩橋相距較近，共處于一個整體的滑移帶內，故新建橋梁也發生了墩臺的滑移，應采用針對性的方法進行整體治理。

5 整治加固工程

5.1 橋梁加固方案

對既有線、新建二線的橋墩基礎均采用“縱向頂撐，橫向限位”的加固原則，阻止其繼續位移。同時采用頂推等方法，將已經產生滑移的墩臺盡量復位，恢復原有梁縫，滿足橋梁上部結構的伸縮功能要求。

具體做法是，加固橋梁基礎結構和周邊土體，固定墩臺以防止其繼續滑移;對臺后土體進行減載，減小水平推力，并通過頂推復位或結構整治，恢復梁縫，必要時采用鏈鋸鋸除橋臺部分胸墻，滿足列車運營時所需要的梁縫要求;更換支座，保證結構受力正常及安全。對結構的加固方法，考慮了以下3個設計方案。

方案一，墩臺之間設置縱向水平系梁，在承臺處形成強大的水平支撐，提高墩臺的水平抗推剛度，效果最好，可有效阻止其繼續滑移。

方案二，在原墩臺基礎上增加新樁，加大基礎抗推剛度，抵抗水平位移。同時在橋臺及橋墩靠近河心側采用高壓旋噴樁加固軟土層，提高土體的側向承載力。

方案三，對橋位處河床進行高壓旋噴樁地基加固，全橋范圍內加固軟土層，整體性改變軟土地基的性質，阻止滑移的繼續發展。

經比選，方案一具有效果明確、對建成橋墩的影響小、施工難度小以及工程投資較省等優越性，推薦采用。

5.2 加固設計要點

(1)縱向頂撐

既有線橋、新建二線橋梁各墩臺之間設置2道100 cm×100 cm鋼筋混凝土縱向水平系梁，保證各墩臺之間不再發生相對位移，進而限制墩臺的繼續滑移。在系梁下設φ80 cm鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，平衡系梁受力時可能產生的豎向上拔力。系梁之間加設100 cm×100 cm鋼筋混凝土橫梁，保證共同受力，詳見圖3。

圖3 既有橋加固設計示意(單位:cm)

(2)橫向限位

在既有橋3號橋臺、新建橋0號橋臺外側設置鋼筋混凝土承臺，承臺下為φ100 cm鉆孔樁，限制可能繼續發生的橋臺橫向位移。

(3)臺后應力釋放

橋臺后土體卸載、結構恢復就位過程中，可在臺后施打2排φ60 cm應力釋放孔，孔間距1 m，按正方形布置。此項措施是為釋放臺后地基中的應力，幫助橋臺復位。橋臺復位后，在鉆孔內填充輕質混凝土。

(4)橋墩包箍

增加既有橋橋墩截面，提高墩身橫向剛度。采用橋墩植筋、并在原墩身包箍鋼筋混凝土結構外層的方法，將橋墩直徑加大至2.5 m。

(5)橋臺補強

在橋臺復位時，如果梁縫恢復達不到標準要求，則應鋸除橋臺部分胸墻，保證必須的梁縫，并根據受力要求在相關部位采用植筋、澆筑鋼筋混凝土的方式進行結構補償。

6 結語

(1)本橋墩臺滑動方向基本指向河中心，位移較大，為典型的軟土地區橋梁基礎滑移病害，必須進行整治處理以確保列車運營安全。

(2)理論分析表明，墩臺樁基持力層土體的約束作用極弱，是引起墩臺位移變形病害的主要原因，外界施工干擾則進一步加劇了病害發展。分析計算時采用自由樁長的假定能夠較好說明實際病害情況。

(3)提出的“縱向頂撐、橫向限位”設計思路具有較強針對性，實施中采用了墩臺之間設置水平系梁、橋臺外側設置橫向限位樁、臺后地基鉆孔釋放應力等整治和施工方法。

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［2］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］120號 鐵路橋梁檢定規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［3］鐵道第三勘察設計院.鐵路工程設計技術手冊·橋涵地基與基礎［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

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