既有铁路路肩加宽设计探究

李珊珊

（中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引言

朔黄铁路，西起山西省朔州站，东至河北省沧州市黄骅港港口货场。正线总长近598km，设计为重载双线电气化铁路，设计年运输能力为近期3.5 亿t（2013），远期4.5 亿t。朔黄铁路于2000年5月18日开通运煤，随着朔黄铁路运量的逐年增加，既有铁路路基由于修建时技术标准低、路基填筑较高等原因导致路基下沉，路基下沉以后，通过填补道砟的方式增加道床厚度，使轨道保持既有的高程及纵向坡度，导致路肩宽度严重不足。此次以朔黄铁路K64+000～K82+000 范围路堤路肩加宽为设计实例，阐述设计理念及思路。

1 工程概况

朔黄铁路K64+000～K82+000 范围内路堤填高0.5～26.0m。既有路肩宽度一般0.2～0.6m，局部地段无路肩，道床直至路基边缘，路肩宽度严重不足；附近居民穿越线路，存在交通事故等隐患。

2 路肩加宽设计原则

为了确保行车及人身安全，对全线路基路肩进行了加固加宽整治，加宽原则：其一，路肩加宽设计执行现行的重载铁路标准[1]；其二，路肩边缘距离线路中心不小于4.5m；其三，对全线进行平网封闭。

3 路肩加宽设计方案

3.1 采用旋喷桩结合C30 混凝土挡墙设计方案

第一，距离线路中心4.5m 处加设宽1.5m×厚1mC30 混凝土路肩墙加宽路肩，路肩墙基础采用0.6m 桩径旋喷桩，桩间距为1.2m，C30 混凝土路肩墙沿线路方向每12m 设置宽3cm 沉降缝。

第二，旋喷桩施工完成时在桩头预埋钢筋，接触网杆处旋喷桩间距为0.6m，且每处接触网杆增加2 根旋喷桩，旋喷桩破桩头后，上排旋喷桩破桩头钢筋与混凝土挡墙砌为一体，路肩墙外侧安装防护网。

第三，旋喷桩水泥采用PO32.5 水泥，水泥≥220kg/m，水泥浆液的水灰比为1∶1，外加0.5% 扩散剂NNO 及0.3%711 型水泥速凝剂。

3.2 采用L 型现浇钢筋混凝土挡墙

3.2.1 设计方案

第一，距离线路中心4.5m 处沿线路方向加设厚0.2m、高0.7～1.2m 现浇钢筋混凝土L 型挡土墙，挡土墙底板宽0.6m，厚0.2m，沿线路方向每9m 设置宽3cm 沉降缝。

第二，挡土墙直墙与道床间回填水泥灰土(石灰与土比例为3∶7，水泥按总体积4%掺加）、碎石加砂(碎石与砂比例为6∶4)。路肩加宽后水泥灰土顶面做成4%的向外排水横坡。

第三，挡土墙沿线路方向每1m 设置孔径为10cm泄水孔，浇筑过程中，泄水孔底面低于L 型墙底板顶面3cm，遇伸缩缝适当调整泄水孔。

3.2.2 设计检算

（1）L 墙的土压力计算理论

第一，如果不出现第二破裂角，用墙踵下缘与墙顶内缘（立壁）连线作为假想墙背，按库伦公式计算，此时δ 值应取土的内摩擦角[2]。

第二，当墙踵下边缘与墙顶内缘（立壁）连线大于临界角，在墙后填土中将会出现第二破裂面，则应按第二破裂面理论计算，如图1。

图1 拟定截面尺寸

（2）L 墙结构设计

（a）无荷载的情况：

第一，土压力计算

计算高度H 为0.700m 处的库仑主动土压力

按假想墙背计算得到：

第1 破裂角：29.394°

Ea=4.899kN，Ex=0.800kN，Ey=4.833kN，作用点高度 Zy=0.233m

因为俯斜墙背，需判断第二破裂面是否存在，计算后发现第二破裂面存在：

第2 破裂角=24.994o，第1 破裂角=25.002o

Ea=2.521kN，Ex=1.065kN，Ey=2.284kN 作用点高度Zy=0.233m

墙身截面积=0.260m2，重量=6.500kN

整个墙踵上的土重(不包括超载)=3.902kN，重心坐标为0.401，-0.275(相对于墙面坡上角点)

第二，滑动稳定性验算

基底摩擦系数=0.500

滑移力=1.065kN，抗滑力=6.343kN

滑移验算满足：Kc=5.953＞1.300

第三，倾覆稳定性验算

验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性

倾覆力矩=0.249kN·m 抗倾覆力矩=4.993kN·m

倾覆验算满足：K0=20.085＞1.600

第四，地基应力及偏心距验算

基础为天然地基，验算墙底偏心距及压应力

作用于基底的合力偏心距验算满足：e=0.026≤0.167×0.800=0.133m

墙趾处地基承载力验算满足：压应力=18.950≤156.000kPa

墙踵处地基承载力验算满足：压应力=12.766≤169.000kPa

地基平均承载力验算满足：压应力=15.858≤130.000kPa

（b）所有荷载都作用的情况

第一，土压力计算

计算高度H 为0.700(m)处的库仑主动土压力

按假想墙背计算得到：

第1 破裂角：39.258°

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

因为俯斜墙背，需判断第二破裂面是否存在，计算后发现第二破裂面存在：

第2 破裂角=0.000o，第1 破裂角=35.226o

Ea=5.787kN，Ex=4.433kN，Ey=3.720kN，作用点高度Zy=0.213m

墙身截面积=0.260m2，重量=6.500kN

整个墙踵上的土重(不包括超载)=6.000kN，重心坐标为0.500，-0.250(相对于墙面坡上角点)

第二，滑动稳定性验算

基底摩擦系数=0.500

滑移力=4.433kN，抗滑力=8.110kN

滑移验算满足：Kc=1.830＞1.300

第三，倾覆稳定性验算

验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性

倾覆力矩=0.942(kN·m) 抗倾覆力矩=7.826(kN·m)

倾覆验算满足：K0=8.305＞1.600

第四，地基应力及偏心距验算

基础为天然地基，验算墙底偏心距及压应力

作用于基底的合力偏心距验算满足：e=-0.024≤0.167×0.800=0.133m

墙趾处地基承载力验算满足：压应力=16.567≤156.000kPa

墙踵处地基承载力验算满足：压应力=23.982≤169.000kPa

地基平均承载力验算满足：压应力=20.274≤130.000kPa

3.3 采用混凝土冠梁加宽路肩

3.3.1 设计方案

第一，根据既有路肩形式中线路中心距离路肩边缘≥3.7m，在既有路肩外加设宽0.8m×厚0.3m 钢筋混凝土冠梁加宽路肩，冠梁基础采用人工挖孔500mm×500mm×4000mm 钢筋混凝土灌注桩，桩间距为3.0m，钢筋混凝土冠梁沿线路方向每9m 设置宽3cm 沉降缝。

第二，根据既有路肩形式中线路中心距离路肩边缘＜3.7m 地段，在既有路肩外加设宽1.1m×厚0.3m钢筋混凝土冠梁加宽路肩，冠梁基础采用人工挖孔500mm×500mm×4000mm 钢筋混凝土灌注桩，桩间距为3.0m，钢筋混凝土冠梁沿线路方向每9m 设置宽3cm 沉降缝。

第三，冠梁与路肩之间混凝土预制块的铺设根据冠梁与路肩的高差设置不同类型的预制块。混凝土预制块尺寸为0.5m×0.3m×0.25m 及0.5m×0.3m×0.2m 两种规格，预制块中心预留孔径为10cm 泄水孔，铺设时泄水孔附近回填大粒径碎石过滤层。冠梁与路肩之间铺设C25 混凝土预制块后，冠梁与道床间回填水泥灰土(石灰与土比例为3∶7，水泥按总体积4%掺加）、碎石加砂(碎石与砂比例为6∶4)。路肩加宽后水泥灰土顶面做成4%的向外排水横坡。冠梁加宽后与既有路肩密贴的每1m 设置孔径为10cm 泄水孔，遇伸缩缝适当调整泄水孔。

第四，挖孔灌注桩外侧露于路堤边坡面以上至冠梁底面设混凝土补齐带，补齐带与挖孔灌注桩采用C30 混凝土同时浇筑。

3.3.2 设计检算

（1）桩检算：首先采用理正岩土计算软件计算桩体尺寸，包括桩径、桩长等。根据计算所得桩体所受最大弯矩对桩进行配筋计算。

(a)基础数据

桩型检算采用理正岩土计算，按抗滑桩设计。桩体计算选择参数按表1 取值。

表1 桩体计算参数

第一，桩间距选择：桩间距实际应为3m，理正软件中，每根桩体承受的土压力为桩间距范围内土体所提供。在该工点中，原边坡线为路基稳定边坡，桩间土体为稳定土体，无滑动力传递给桩体。因此桩间距选择0.8m，保守设计桩体范围内所承受的滑动力。

第二，土体M 值选择：桩后土体为路基填筑土，压实度较高，根据《铁路路基支挡结构设计规范》（TB 10025-2019）中抗滑桩土质地基系数中：坚硬的粉质黏土及黏土取值，取水平方向m=7000kPa/m2。

第三，安全系数：桩型检算过程中，内力计算时，滑坡推力、库仑土压力分项(安全)系数为1.20。

（b）计算结果

桩身内力计算

计算方法：m 法

背侧——为挡土侧；面侧——为非挡土侧。

背侧最大弯矩=21.845(kN·m)，距离桩顶为2.720m

最大剪力=27.420kN，距离桩顶为3.680m

最大位移=40mm

桩体稳定性检算中，稳定条件需考虑桩顶位移、地面处桩的水平位移及侧壁应力该工点中，桩顶设置冠梁，对桩顶位移起到约束作用，而计算可得，桩侧壁应力较小。因此，控制条件为地面处桩的水平位移。地面处桩的水平位移控制为不大于20mm。

（2）冠梁计算：将冠梁自重及冠梁上部荷载转化为均布荷载，采用TUSDOC 软件进行冠梁的弯矩及配筋计算。

冠梁顶部所受荷载考虑两部分：上部行人等造成的附加荷载和冠梁本身的自重荷载。

附加荷载采用均布荷载，大小为20kN·m。

钢筋混凝土容重取25kN，自重均布荷载为25×h（冠梁厚度）。

计算采用软件TUSDOC2.0，考虑两种情况计算。

第一，考虑冠梁为简支梁。此时冠梁下部钢筋受拉，为主筋，采用最大弯矩进行配筋。

第二，考虑冠梁为连续梁。此时冠梁产生负弯矩，采用冠梁两端支撑点处最大负弯矩检算冠梁上部钢筋配筋[3]。

冠梁计算结果：配筋均可按构造配筋。

4 结语

采用旋喷桩结合C30 混凝土路肩墙、路肩设L 型现浇钢筋混凝土挡墙、人工挖孔桩结合冠梁等方案加宽路肩，加宽路肩的同时兼顾平网基础功能，经过反复检算论证，在结构安全基础上、技术上有较大创新，避免以往路基帮宽的方法进行路肩加宽投资大，且需要征地拆迁等问题，对既有线运营影响小，节约工程投资，工程效益明显，比照挖台阶填土等路肩加宽方案施工周期短对生态及环境破坏小，取得了良好的社会效益。