包头至西安段铁路路堑挡护病害整治工程方案设计与研究

2013-09-04胡三喜

铁道标准设计 2013年1期

胡三喜

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 工程概述

包西铁路通道K564+050～+150(勘测里程为DK494+050～+910)段路基工程位于延安至延安北之间，左侧靠山，右侧为延河。该段左线为既有线，右线为新建二线。因既有线曲线半径为1 200 m，不满足时速160 km的最小曲线半径1 600 m的要求，在增建二线时对本段既有线向山侧进行了拨移改建，拨移量3～10 m，两线间距约14～20 m，详见图1。本段地层上部为冲积砂质黄土，底部为三叠系上统页岩夹砂岩，地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度六度，地震动反应谱特征周期为0.35 s。土壤最大冻结深度100 cm。

图1 K564+050～+150段线路平面

2 原工程设计与病害情况

2.1 原工程设计

(1)原工程设计地质特征

K564+050～+150段共实施了钻探127.5 m/4孔。钻探成果显示该处上覆砂质黄土厚约11～18 m，基岩埋深较大，该段基岩上部的黄土呈硬塑状态，斜坡稳定。

砂质黄土(Qal33):分布于黄土梁峁区，厚5～20 m，浅黄色，具有孔隙，垂直节理发育，土质均一，硬塑，Ⅱ级普通土，σ0=120～150 kPa。具Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷性，湿陷厚度10～15 m。砂质黄土试验数据为c=17.4 kPa，φ =22.4°。

(2)原工程设计边坡工程措施

既有线改建后K564+050～+150段左侧最大挖方边坡高18 m，路基工程设计时比照了既有线的工程设置及使用情况，并适当进行了加强，挖方边坡坡率采用1∶1，边坡下部设一级10 m高的浆砌片石护墙防护，护墙以上边坡设骨架护坡，两级间设有2.5 m边坡平台。边坡稳定性检算:沿土石界面的K=1.25，路堑坡脚处K=1.17，满足边坡稳定性安全要求

勘察与施工中未发现不良地质，且施工与设计地层情况相符。

本段线路于2009年年中开始施工，2010年年初施工完毕，于2010年年底通车运营，自开通运营至2011年12月初期间线路运营良好，一直未发现异常，也未发现有病害。

2.2 病害情况

2011年12月13日发现K564+065～K564+145段一级护墙距路肩高程以上5～7 m处浆砌片石被挤开错台，错台宽度达10 cm以上(图2)，部分被挤开的片石已掉落路堑坡脚处;K564+050～K564+150段左侧路堑顶自然山坡表面发现3道环形裂缝，最外侧环形裂缝(F5)位于堑顶外侧50～56 m处，裂缝宽度约5～10 cm，局部有错台高差约3～8 cm(图3、图4)。

图2 K564+065～+145段边坡错台

图3 K564+065～+145段堑顶外地表裂缝

图4 K564+050～+150段堑顶地表裂缝

对堑顶设置的观测桩监测数据对比分析发现，堑顶裂缝每天的位移值为2～3 mm，该段左侧路堑边坡变形还在继续。

3 病害原因分析

病害发生后，通过现场会勘，并在收集该段路基初、定测勘察资料及施工过程中相关资料的基础上，经过大范围的现场地质调查访问及勘探，基本查明了K564+050～+150段路堑病害的原因如下。

3.1 地形变化(水土流失)因素的影响

延安地区是黄土高原水土流失最为严重的地区之一，加之人为改造，地形微地貌发生明显的变化。从2005年和2009年卫片对比可以看出(图5、图6)，2009年卫片显示的黄土冲沟溯源侵蚀相对明显，垂向冲沟侵蚀加深，黄土坡面相对支离破碎，人造梯田的地貌特征相对明显，将相对完整的斜坡体分割成块状，同时人为活动及水土流失对地形的改变影响地表水地下水的径流，因此，水土流失造成地形变化，导致地表水地下水径流条件改变，而基底土石界面略有倾斜，对高陡的黄土边坡稳定性存在影响。

图5 2005年卫星图

图6 2009年卫星图

3.2 气候环境因素的影响

延安地区属半湿润易旱区气候，降雨量主要集中在6～10月，占到了全年降雨量的85%以上。同时年降雨量和月降雨量均存在显著差异。通过对延安地区气温、降水及相对湿度的变化特征分析，近10年以来陕北植被覆盖率逐年增加，降水量总体呈上升趋势(图7)。

根据现场调查包西铁路K563+850～K564+150左侧(靠山侧)140～210 m范围内黄土平台(高程约为1 000～1 015 m)附近喜水植物(以芦苇为主)比较茂盛，尤其在 K563+960、K564+060、K564+120 左侧冲沟内和沟脑喜水植物极为茂密，而在K564+350左侧150 m附近(高程约为990 m)三叠系页岩出露，以上调查资料说明喜水植物茂盛为基岩埋深较浅造成地下水埋藏较浅在黄土陡坎(或斜坡)渗出，2011年降水量7～10月降水量增加较为明显，11月份气温骤降，造成该段地下水径流的改变，使得该段黄土斜坡地下水富集，致使界面土体力学强度大大降低，而沿土石界面蠕动形成的牵引式路堑斜坡变形。

图7 2005～2011年降雨量

3.3 土体物理力学性质因素的影响

径流特征是降雨及其下相对隔水层特征的综合反映，同时也反映了地下水的变化特征。每年11月份气温下降，沟谷及河道逐渐冻结，地下水相对富集，径流量出现下降，3月之后气温上升，浅埋段地下水及河道解冻，径流量出现小高峰。根据2006年7月初地质外业调查及勘探资料显示，三叠系页岩以上的黄土(含土石界面)均为硬塑状态。而2011年11月19日至29日钻探在土石界面附近均出现了3～5 m的软塑层，钻进过程中缩孔严重，沿土石界面软塑层易形成牵引式路堑斜坡变形。

病害原因分析:近几年来由于气候环境因素的变化，特别是2011年延安地区降水量明显增加，大气降水通过土体下渗，在土石界面附近聚集，导致土体被软化，力学强度大大降低，路堑斜坡上部土体沿倾斜土石界面的软塑层形成由下至上的逐级牵引式滑动。

4 病害整治设计方案研究

4.1 应急措施

(1)加强看守。

(2)于K564+050～+160段线路左侧路肩装设防护排架。

(3)对K564+050～+160段范围内的接触网塔杆及拉线进行防护。(4)拆除目前已破坏的护墙墙体，以防落石砸车。(5)设置观测网，并定时观测，形成系统的观测报告。

(6)对堑顶外裂缝采用灰土进行夯填，做好临时排水设施。

(7)根据工务部门的山坡裂缝观测桩监测数据资料，如果发现裂缝变形持续发展且有加大迹象时，应于K564+065～+150段左侧护墙顶堑坡平台上设置加固桩进行临时支挡。

4.2 整治方案措施

K564+050～+150段:本段上覆土层厚11～8 m，下部为页岩夹砂岩，根据病害的类型，考虑了设置抗滑桩及清方两类共3个方案。

4.2.1 方案一

拟于线路左侧堑顶处设置抗滑桩进行整治，抗滑桩截面2 m×3 m，桩间距5～6.0 m，最大桩长27 m，最小桩长17 m，共设置20根(图8)，于路堑边坡平台处加设钢管桩加固，并于土石界面附近设置横向排水管疏排地下水。主要工程量钢筋混凝土4 558 m3，投资估算约478万元。

4.2.2 方案二

图8 沿堑顶设桩横断面(方案一)

拟于线路左侧既有一级边坡平台处设置抗滑桩进行整治，抗滑桩截面2 m×3 m，桩间距5～6.0 m，最大桩长23 m，最小桩长16 m，共设置20根(图9)。施工过程中需设置临时支挡工程。主要工程量钢筋混凝土4 197 m3，投资估算约423万元。

图9 沿平台设桩横断面(方案二)

4.2.3 方案三

拟自线路左侧一级平台边沿始，按4%的排水坡对变形体进行清方，对清方后缘边坡设置挡护工程(图10)。主要工程量:清除土方42 055 m3，片石混凝土2 250 m3，征地14亩，增修施工便道2 km，投资约347.4万元(不含电力改迁)。

4.2.4 方案比选

于平台处设置抗滑桩方案(方案二)虽较堑顶设置抗滑桩方案(方案一)抗滑桩桩长有所减小，但桩体距边坡过近，锚固端锚固效果差、桩顶以上土体存在自桩顶滑出的可能，施工场地位于既有边坡上施工困难，施工过程中临时防护工程巨大，且距离接触网较近施工中钢筋笼吊装易发生危险;清方方案(方案三)虽施工简单但存在清方后易发生次生灾害，且施工过程中需要进行二次征地，对清方范围内的通信、电力电杆进行改移，修建大型施工机械运输道路等问题，弃土困难。故推荐于堑顶处设置抗滑桩(方案一)。

5 工程设计与施工

5.1 工程设计

(1)于左线K564+055～+150段左侧24～29.5 m堑顶处设抗滑桩工程，共设置20根，5号～16号抗滑桩桩截面采用2.5 m×3.0 m，1号～4号抗滑桩及17号～20号抗滑桩截面采用2.0 m×3.0 m，桩长17～27 m，桩中心间距5 m。抗滑桩桩体采用C35钢筋混凝土浇筑［1］。

(2)1号～20号抗滑桩护壁采用C20钢筋混凝土浇筑，护壁厚度采用0.25 m。地面上下0.5 m范围设0.5 m厚锁口。

(3)对左侧堑顶外自然山坡表面的裂缝、坑洞等采用二八灰土夯填密实，对抗滑桩桩顶以上空桩用二八灰土夯填至地表。

(4)于左线K564+060～+150段左侧护墙顶部堑坡平台坡脚位置设置钢管加固桩进行支挡，加固桩需锚入目前护墙顶平台以下不小于11 m。加固桩桩间距1.25 m，长度11 m，采用钻机成孔，桩径15 cm，土体中钻孔加套管。采用M35砂浆灌注后再插入外径8.3 cm、壁厚7 mm的钢管，钢管接头必须采用焊接，但接头不得位于目前护墙开裂线附近。如应急工程时已施作钢管加固桩，本次施工应进行加密、加强。钢管加固桩自每根抗滑桩桩中心开始向外布置。

(5)于5号～15号桩桩间对应的边坡平台以下护墙背后各设置1道渗沟，采用袋装碎石码砌而成(袋子采用土工织物，土工织物主要技术标准:刺破强度和撕裂强度不小于400 N，CBR顶破强度不应小于1.5 kN)。渗沟宽1.2 m，深度为平台外缘向内至平台钢管加固桩前，背坡1∶0.5，胸坡与护墙背坡坡面一致，渗沟沟底置于土石界面。基坑开挖过程做好临时支护。

(6)于开挖的渗沟沟槽后壁(靠山侧)上各设置2孔横向引水孔(孔径10.8 cm，长度15.0 m)，泄水孔横向设成4%的排水坡，横向引水孔孔内用土工膜包裹的渗排水管材(管材外径8 cm)填塞，采用人工或机械成孔，成孔过程中加花套管。

(7)对拆除的护墙予以修复，重建的护墙纵横向应每间隔2～3 m交错设置泄水孔，最下排泄水孔需设置于土石分界面附近，另在渗沟位置处泄水孔需加密。护墙泄水孔后设0.3 m×0.3 m的土工渗排水板材。

(8)对目前已开裂或施工时损坏的平台截水沟及平台拆除、重建。

(9)对K564+050～+160段内已损坏的或施工中损坏的天沟予以拆除重建，并于最外侧裂缝外缘及二三道裂缝间设环形截水沟。水沟采用0.4 m×0.6 m梯形断面，用M7.5浆砌片石砌筑，厚0.3 m。水沟底设0.15 m厚的二八灰土垫层防渗。

5.2 抗滑桩设计

土体物理性能指标取值为:地表以下5.0 m范围滑带土采用c=10 kPa，φ=15°，地表5 m以下滑带土采用 c=8 kPa，φ =11°，γ =19.7 kN/m3。桩设计荷载为滑坡推力，滑坡推力附加安全系数K=1.20，荷载分项系数 K=1.35［2］。滑坡推力采用值1 245 kN/m，桩设计采用极限状态理论，桩的内力按弹性地基梁“K”［3，4］法计算，地基抗力比例系数 m=50 000 ～70 000 kPa/m2，桩底支撑条件为铰接。

挠曲方程为

式中，P为土作用于桩上的水平反力。

通过数学求解得到桩的位移、剪力及弯矩［5］。

桩身C35混凝土，其轴心抗压设计强度［6］fc=16.7 MPa，弹性模量 Ec=3.15 ×104MPa。

受拉钢筋采用HRB400钢筋，其设计强度值fy=360 MPa，弹性模量 Es=2.0 ×105kPa。

箍筋采用 HRB335钢筋，其设计强度 fy=300 MPa，弹性模量 Es=2.1 ×105MPa。

桩露出地面部分长12 m，地面以下埋入15 m。

病害整治平面示意见图11。

图11 病害整治平面

5.3 施工流程及工艺

该段工程地质条件较差，施工难度大，为了能按期保质地完成工程施工，特制定施工工艺流程［8］。

(1)施工流程

①做好应急工程。

②分3批进行抗滑桩桩孔开挖、抗滑桩桩体灌注施工。第1批先施工1号、4号、7号、13号、16号、19号号抗滑桩，第2批施工3号、6号、9号、12号、15号、18号抗滑桩，第3批施工2号、5号、8号、11号、14号、17号、20号抗滑桩;待前一批抗滑桩桩体强度达到设计值的70%后方可进行下一批抗滑桩桩孔的开挖施工。

③待第3批抗滑桩桩体强度达到设计强度后方可夯填裂缝，恢复天沟、增设环形排水沟。

④进行护墙顶边坡平台坡脚处钢管加固桩的施工。

⑤待以上工程完工后进行渗沟沟槽开挖，施作横向引水孔及排水管材的填塞，采用袋装碎石回填渗沟沟槽。

⑥恢复施作护墙及平台截水沟及平台。

(2)桩及护壁的施工工艺

①桩孔采用跳桩开挖，桩孔开挖前应设置地表截、排水及防渗设施、自然边坡的临时防护工程。雨季施工时孔口应搭建临时遮雨棚，做好锁口;备齐井下排水、通风、照明设施，做好施工组织;安排专职人员对K564+050.00～K564+160.00之间山体边坡进行实时监测，及时掌握边坡变形情况，如有异常变形应及时采取相应处理措施。［9］

②桩井开挖应分节开挖、分节设置护壁支护，护壁每节高0.5～1 m，两节护壁间竖向应采用接茬钢筋相连接;护壁混凝土应紧贴孔壁岩体灌注，灌注前应清除孔壁上的松动浮土。护壁采用C20钢筋混凝土浇筑，护壁厚度0.25 m。

③灌注桩身混凝土前，清除基坑内松土，夯实基底，检查断面净空。

④将钢筋笼吊入基坑内，按设计要求入位;钢筋宜预制成笼，也可在桩孔内搭接，但接头不得设在土石分界面上下各2.0 m范围内。纵向受力钢筋的焊接接头应相互错开，钢筋焊接接头连接区的长度为35d(d为纵向受力钢筋的直径)且不小于500 mm，凡接头中点位于该连接区段长度内的焊接接头均属于同一连接段，位于同一连接区段内纵向受力钢筋的焊接接头面积百分率，对纵向受拉钢筋接头不应大于50%。

⑤混凝土灌注必须连续进行，以防出现断桩。护壁、桩体在寒冷天气施工时应做好冬季施工措施。

⑥为便于对抗滑桩桩体进行质量检测，各抗滑桩的四角各预埋设1根声测管(钢管、外径50 mm，声测管管底至抗滑桩桩底，声测管管顶高出抗滑桩桩顶0.3 m)，声测管固定于抗滑桩钢筋笼上。声测管接头宜采用螺纹连接，埋设前应检测声测管是否通畅、管壁是否破损。声测管管底及接头必须密封，对声测管外漏管头采用木塞等物体临时封堵，保持声测管管内通畅。［7］

(3)施工注意事项

①在既有电气化铁路旁边及高压电线下施工，应做好安全防护措施，保证施工安全和铁路运营安全。

②施工时应注意避免对通讯信号等既有管线、管道的破坏。寒冷天气施工应做好冬季施工措施。

③施工前应做好测量放线工作，桩定位采用仪器放样，确保桩位准确。核对抗滑桩位置、桩顶地面高程是否与设计吻合。

④施工前应做好临时排水设施，以防雨水流入基坑。

⑤挖孔、吊装、灌注作业施工，一定要确保人员机具的安全，做好安全防护措施。

⑥为保证桩孔开挖的施工安全和护壁质量，桩孔采取边挖边护方法施工，护壁衬砌必须及时紧跟开挖，避免在地层变化处分节。桩护壁施工过程中，在立模灌注每节钢筋混凝土前，注意清除岩壁上的浮土和松动石块，使护壁混凝土紧贴孔壁，两节间预埋接茬钢筋相连。每节开挖应在上节护壁终凝后进行，而且开挖不宜过深，以免上节护壁悬空过高，当孔壁周边土体软弱时，应调整桩孔开挖及护壁衬砌的分节高度，不得于土石界面处分节。确保施工安全。开挖桩孔时不能放炮，以免造成震动，桩孔内配备软梯，以便施工人员迅速撤离桩井。［10］

⑦在开挖桩孔过程中，若发现现场地形、地质情况与设计图纸不符时，请尽快与设计人员联系，以便及时进行处理。

⑧桩身截面尺寸、中心位置、孔底高程必须符合工程质量评定验收标准。主筋焊接和混凝土灌注必须严格执行有关技术规范和操作规程。竖向主筋或其他钢材的搭接应避免设在土石分界面上下2 m范围，搭接接头应错开。

⑨桩孔如基础有超挖，其超挖部分必须用C35混凝土与桩身一同灌注。

⑩由于桩是侧向受力受弯结构，因此桩身灌注时应连续进行，不得间歇，并用振捣器捣固密实，以免形成施工缝。

(11)各种材料及施工器材距井口应有一定距离，以防落入井内伤人，井上设专人指挥，桩身施工前应设置观测设施，有专人负责观测。

(12))施工中桩截面尺寸的施工误差只能为正，不能为负，以保证主筋的混凝土保护层厚度大于7 cm。

(13)渗沟在施作时应先做好袋装碎石，待坑槽开挖完横向引水孔施工后应及时码砌，应做好基坑临时支撑防护。

(14)钢管加固桩施工时桩的位置误差不大于5 cm，垂直度不应超过1.5%，钢管插入后应确保钢管内外砂浆饱满、均匀，钢管接头应联接牢固。

(15)横向引水孔在施工时应注意采用避开平台处的钢管加固桩及对抗滑桩的损坏。在施工钻孔时应注意保持施工机械与接触网的安全距离，注意施工及行车安全。

(16)恢复的天沟及增设的环形截水沟均应于既有的桥、涵洞、侧沟等排水系统连接，以便排水顺畅。

(17)恢复的护墙与既有护墙应良好衔接，避免墙体形成水平通缝。