既有鐵路路肩加寬設計探究

李珊珊

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司東北分院，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

朔黃鐵路，西起山西省朔州站，東至河北省滄州市黃驊港港口貨場。正線總長近598km，設計為重載雙線電氣化鐵路，設計年運輸能力為近期3.5 億t（2013），遠期4.5 億t。朔黃鐵路于2000年5月18日開通運煤，隨著朔黃鐵路運量的逐年增加，既有鐵路路基由于修建時技術標準低、路基填筑較高等原因導致路基下沉，路基下沉以后，通過填補道砟的方式增加道床厚度，使軌道保持既有的高程及縱向坡度，導致路肩寬度嚴重不足。此次以朔黃鐵路K64+000～K82+000 范圍路堤路肩加寬為設計實例，闡述設計理念及思路。

1 工程概況

朔黃鐵路K64+000～K82+000 范圍內路堤填高0.5～26.0m。既有路肩寬度一般0.2～0.6m，局部地段無路肩，道床直至路基邊緣，路肩寬度嚴重不足；附近居民穿越線路，存在交通事故等隱患。

2 路肩加寬設計原則

為了確保行車及人身安全，對全線路基路肩進行了加固加寬整治，加寬原則：其一，路肩加寬設計執行現行的重載鐵路標準[1]；其二，路肩邊緣距離線路中心不小于4.5m；其三，對全線進行平網封閉。

3 路肩加寬設計方案

3.1 采用旋噴樁結合C30 混凝土擋墻設計方案

第一，距離線路中心4.5m 處加設寬1.5m×厚1mC30 混凝土路肩墻加寬路肩，路肩墻基礎采用0.6m 樁徑旋噴樁，樁間距為1.2m，C30 混凝土路肩墻沿線路方向每12m 設置寬3cm 沉降縫。

第二，旋噴樁施工完成時在樁頭預埋鋼筋，接觸網桿處旋噴樁間距為0.6m，且每處接觸網桿增加2 根旋噴樁，旋噴樁破樁頭后，上排旋噴樁破樁頭鋼筋與混凝土擋墻砌為一體，路肩墻外側安裝防護網。

第三，旋噴樁水泥采用PO32.5 水泥，水泥≥220kg/m，水泥漿液的水灰比為1∶1，外加0.5% 擴散劑NNO 及0.3%711 型水泥速凝劑。

3.2 采用L 型現澆鋼筋混凝土擋墻

3.2.1 設計方案

第一，距離線路中心4.5m 處沿線路方向加設厚0.2m、高0.7～1.2m 現澆鋼筋混凝土L 型擋土墻，擋土墻底板寬0.6m，厚0.2m，沿線路方向每9m 設置寬3cm 沉降縫。

第二，擋土墻直墻與道床間回填水泥灰土(石灰與土比例為3∶7，水泥按總體積4%摻加）、碎石加砂(碎石與砂比例為6∶4)。路肩加寬后水泥灰土頂面做成4%的向外排水橫坡。

第三，擋土墻沿線路方向每1m 設置孔徑為10cm泄水孔，澆筑過程中，泄水孔底面低于L 型墻底板頂面3cm，遇伸縮縫適當調整泄水孔。

3.2.2 設計檢算

（1）L 墻的土壓力計算理論

第一，如果不出現第二破裂角，用墻踵下緣與墻頂內緣（立壁）連線作為假想墻背，按庫倫公式計算，此時δ 值應取土的內摩擦角[2]。

第二，當墻踵下邊緣與墻頂內緣（立壁）連線大于臨界角，在墻后填土中將會出現第二破裂面，則應按第二破裂面理論計算，如圖1。

圖1 擬定截面尺寸

（2）L 墻結構設計

（a）無荷載的情況：

第一，土壓力計算

計算高度H 為0.700m 處的庫侖主動土壓力

按假想墻背計算得到：

第1 破裂角：29.394°

Ea=4.899kN，Ex=0.800kN，Ey=4.833kN，作用點高度 Zy=0.233m

因為俯斜墻背，需判斷第二破裂面是否存在，計算后發現第二破裂面存在：

第2 破裂角=24.994o，第1 破裂角=25.002o

Ea=2.521kN，Ex=1.065kN，Ey=2.284kN 作用點高度Zy=0.233m

墻身截面積=0.260m2，重量=6.500kN

整個墻踵上的土重(不包括超載)=3.902kN，重心坐標為0.401，-0.275(相對于墻面坡上角點)

第二，滑動穩定性驗算

基底摩擦系數=0.500

滑移力=1.065kN，抗滑力=6.343kN

滑移驗算滿足：Kc=5.953＞1.300

第三，傾覆穩定性驗算

驗算擋土墻繞墻趾的傾覆穩定性

傾覆力矩=0.249kN·m 抗傾覆力矩=4.993kN·m

傾覆驗算滿足：K0=20.085＞1.600

第四，地基應力及偏心距驗算

基礎為天然地基，驗算墻底偏心距及壓應力

作用于基底的合力偏心距驗算滿足：e=0.026≤0.167×0.800=0.133m

墻趾處地基承載力驗算滿足：壓應力=18.950≤156.000kPa

墻踵處地基承載力驗算滿足：壓應力=12.766≤169.000kPa

地基平均承載力驗算滿足：壓應力=15.858≤130.000kPa

（b）所有荷載都作用的情況

第一，土壓力計算

計算高度H 為0.700(m)處的庫侖主動土壓力

按假想墻背計算得到：

第1 破裂角：39.258°

Ea=16.123kN，Ex=2.633kN，Ey=15.907kN，作用點高度Zy=0.145(m)

因為俯斜墻背，需判斷第二破裂面是否存在，計算后發現第二破裂面存在：

第2 破裂角=0.000o，第1 破裂角=35.226o

Ea=5.787kN，Ex=4.433kN，Ey=3.720kN，作用點高度Zy=0.213m

墻身截面積=0.260m2，重量=6.500kN

整個墻踵上的土重(不包括超載)=6.000kN，重心坐標為0.500，-0.250(相對于墻面坡上角點)

第二，滑動穩定性驗算

基底摩擦系數=0.500

滑移力=4.433kN，抗滑力=8.110kN

滑移驗算滿足：Kc=1.830＞1.300

第三，傾覆穩定性驗算

驗算擋土墻繞墻趾的傾覆穩定性

傾覆力矩=0.942(kN·m) 抗傾覆力矩=7.826(kN·m)

傾覆驗算滿足：K0=8.305＞1.600

第四，地基應力及偏心距驗算

基礎為天然地基，驗算墻底偏心距及壓應力

作用于基底的合力偏心距驗算滿足：e=-0.024≤0.167×0.800=0.133m

墻趾處地基承載力驗算滿足：壓應力=16.567≤156.000kPa

墻踵處地基承載力驗算滿足：壓應力=23.982≤169.000kPa

地基平均承載力驗算滿足：壓應力=20.274≤130.000kPa

3.3 采用混凝土冠梁加寬路肩

3.3.1 設計方案

第一，根據既有路肩形式中線路中心距離路肩邊緣≥3.7m，在既有路肩外加設寬0.8m×厚0.3m 鋼筋混凝土冠梁加寬路肩，冠梁基礎采用人工挖孔500mm×500mm×4000mm 鋼筋混凝土灌注樁，樁間距為3.0m，鋼筋混凝土冠梁沿線路方向每9m 設置寬3cm 沉降縫。

第二，根據既有路肩形式中線路中心距離路肩邊緣＜3.7m 地段，在既有路肩外加設寬1.1m×厚0.3m鋼筋混凝土冠梁加寬路肩，冠梁基礎采用人工挖孔500mm×500mm×4000mm 鋼筋混凝土灌注樁，樁間距為3.0m，鋼筋混凝土冠梁沿線路方向每9m 設置寬3cm 沉降縫。

第三，冠梁與路肩之間混凝土預制塊的鋪設根據冠梁與路肩的高差設置不同類型的預制塊。混凝土預制塊尺寸為0.5m×0.3m×0.25m 及0.5m×0.3m×0.2m 兩種規格，預制塊中心預留孔徑為10cm 泄水孔，鋪設時泄水孔附近回填大粒徑碎石過濾層。冠梁與路肩之間鋪設C25 混凝土預制塊后，冠梁與道床間回填水泥灰土(石灰與土比例為3∶7，水泥按總體積4%摻加）、碎石加砂(碎石與砂比例為6∶4)。路肩加寬后水泥灰土頂面做成4%的向外排水橫坡。冠梁加寬后與既有路肩密貼的每1m 設置孔徑為10cm 泄水孔，遇伸縮縫適當調整泄水孔。

第四，挖孔灌注樁外側露于路堤邊坡面以上至冠梁底面設混凝土補齊帶，補齊帶與挖孔灌注樁采用C30 混凝土同時澆筑。

3.3.2 設計檢算

（1）樁檢算：首先采用理正巖土計算軟件計算樁體尺寸，包括樁徑、樁長等。根據計算所得樁體所受最大彎矩對樁進行配筋計算。

(a)基礎數據

樁型檢算采用理正巖土計算，按抗滑樁設計。樁體計算選擇參數按表1 取值。

表1 樁體計算參數

第一，樁間距選擇：樁間距實際應為3m，理正軟件中，每根樁體承受的土壓力為樁間距范圍內土體所提供。在該工點中，原邊坡線為路基穩定邊坡，樁間土體為穩定土體，無滑動力傳遞給樁體。因此樁間距選擇0.8m，保守設計樁體范圍內所承受的滑動力。

第二，土體M 值選擇：樁后土體為路基填筑土，壓實度較高，根據《鐵路路基支擋結構設計規范》（TB 10025-2019）中抗滑樁土質地基系數中：堅硬的粉質黏土及黏土取值，取水平方向m=7000kPa/m2。

第三，安全系數：樁型檢算過程中，內力計算時，滑坡推力、庫侖土壓力分項(安全)系數為1.20。

（b）計算結果

樁身內力計算

計算方法：m 法

背側——為擋土側；面側——為非擋土側。

背側最大彎矩=21.845(kN·m)，距離樁頂為2.720m

最大剪力=27.420kN，距離樁頂為3.680m

最大位移=40mm

樁體穩定性檢算中，穩定條件需考慮樁頂位移、地面處樁的水平位移及側壁應力該工點中，樁頂設置冠梁，對樁頂位移起到約束作用，而計算可得，樁側壁應力較小。因此，控制條件為地面處樁的水平位移。地面處樁的水平位移控制為不大于20mm。

（2）冠梁計算：將冠梁自重及冠梁上部荷載轉化為均布荷載，采用TUSDOC 軟件進行冠梁的彎矩及配筋計算。

冠梁頂部所受荷載考慮兩部分：上部行人等造成的附加荷載和冠梁本身的自重荷載。

附加荷載采用均布荷載，大小為20kN·m。

鋼筋混凝土容重取25kN，自重均布荷載為25×h（冠梁厚度）。

計算采用軟件TUSDOC2.0，考慮兩種情況計算。

第一，考慮冠梁為簡支梁。此時冠梁下部鋼筋受拉，為主筋，采用最大彎矩進行配筋。

第二，考慮冠梁為連續梁。此時冠梁產生負彎矩，采用冠梁兩端支撐點處最大負彎矩檢算冠梁上部鋼筋配筋[3]。

冠梁計算結果：配筋均可按構造配筋。

4 結語

采用旋噴樁結合C30 混凝土路肩墻、路肩設L 型現澆鋼筋混凝土擋墻、人工挖孔樁結合冠梁等方案加寬路肩，加寬路肩的同時兼顧平網基礎功能，經過反復檢算論證，在結構安全基礎上、技術上有較大創新，避免以往路基幫寬的方法進行路肩加寬投資大，且需要征地拆遷等問題，對既有線運營影響小，節約工程投資，工程效益明顯，比照挖臺階填土等路肩加寬方案施工周期短對生態及環境破壞小，取得了良好的社會效益。