高陡边坡桥台锥坡垮塌病害成因及加固措施

2022-05-05龚建辉

高速铁路技术 2022年2期

田辉龚建辉朱曦

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

作为桥梁的附属工程，桥台锥坡的稳定性对工程安全影响很大，若锥体发生塌陷、溜坡等病害[1]，则可能造成桥台台身和耳背墙出现裂缝或发生断裂，进而影响桥台处路基的稳定性和高速铁路的正常服役功能，甚至引发重大安全事故。

在工程领域，桥台锥坡安全是广大工程技术人员关注的热点之一，刘高喜[2]等系统分析了锥坡土体的病害形式、土体病害的影响因素和土体的防护方法；李晓亮等[3]通过分析山东济青高速公路工程的地理环境特点，探讨了桥台锥坡生态防护在济青高速公路工程中的适用性；于渊卓[4]结合高速公路扩建工程桥涵基础施工案例，通过对钢板桩组合锚杆防护、双级钢板桩防护、土钉支护、桩基础防护4种加固措施的比选，认为桩基础方案可彻底消除旧路基安全隐患；葛占钊[5]探讨了变高围墙锥坡在单孔通道、小桥或桥下净宽受限时的应用，解决了挡土墙的受力问题，并兼顾了经济、美观。

本文以成绵乐客运专线悦来乡大桥0号桥台(DK 281+080.3)锥坡垮塌病害为工程对象，提出了一种有效加固桥台锥坡的措施。

1 高陡桥台锥坡垮塌病害成因分析

1.1 工程概况

成绵乐客运专线悦来乡大桥于2010年10月开工建设，2013年3月建设完成。桥址处地形起伏变化大，相对高差约50 m，自然横坡10°～50°。0号台(DK281+080.3)位于一山脊下方斜坡地带，地面横坡较陡。

施工图设计阶段，在桥头路基右侧设置重力式路堤挡土墙收坡，挡墙端部与桥台之间设置了端墙和锥坡封闭。受长时间强降雨影响，0号台锥坡挡墙垮塌，锥体及局部桥头连接处路基填土随桥台锥坡体一起沿陡坡面滑落，路基护肩下出现3.0 m左右的空洞，桥路分界处电缆检查井处于半悬空状态，如不及时处理，将会对高速铁路运营带来极大的安全隐患。

1.2 工程地质

段内上覆第四系全新统滑坡堆积、人工弃土、人工填土、坡洪积松软土、粉质黏土等，坡残积粉质黏土，下伏基岩为白垩系下统夹关组砂岩(成岩作用差)。

桥台锥坡范围内滑坡堆积体主要为第四系全新统粉质黏土，呈灰褐、灰黄色，软塑，土质不均，以粉质粘土为主，部分为强风化砂岩碎石、角砾等。人工弃土粉质黏土呈褐黄、棕黄色，软塑、松散状，土质不均，以粉质粘土为主，部分为块石、碎石、角砾、混凝土等。人工填土角砾土呈褐灰、灰黄色，中密。砂岩(成岩作用差)呈紫红、褐黄色，粉细粒结构，薄～中厚层状，主要矿物成分为长石、石英，成岩作用差，遇水岩质较软，部分手折可断，胶结性差，局部为泥质胶结，锤击声哑，易风化，局部夹有薄层泥岩。

1.3 地震参数及水文气象条件

桥区地震动峰值加速度为0.10 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s。属亚热带湿润季风气候，四季分明，降雨丰沛，光照偏少，雨日多，湿度大。多年平均气温17.1 ℃，年平均降水量 1 384.8 mm，年均蒸发量617.1 mm，年均相对湿度81%。雨量多集中在6～9月，占年降雨量的78.5%，以暴雨、大雨为主。

1.4 病害成因分析

0号桥台处地面横坡陡峻，斜坡分布较厚的施工弃土，锥体右侧挡墙基础置于软质岩强风化层上。2019年入汛以后,段内雨日及降雨量较常年偏多，长时间连续降雨致使挡墙基底软化，地基岩土力学指标降低，外侧抗力失效，右侧部分锥体及挡墙发生坍滑，锥体后方填土失去支撑，部分填土失稳坍塌，已形成为小型滑坡。

2 桥台锥坡加固设计

病害发生时正值雨季，为避免病害进一步发展威胁高速铁路运营安全，先采用临时措施加固，再进行永久加固。

2.1 临时锚杆加固设计

临时加固措施包括：(1)路肩下漏空部分采用与路肩挡墙植筋后全空洞灌注C35混凝土封闭；(2)锥坡坡面不稳定部分采用大锚杆+喷锚网加固。

2.1.1 推力计算

按安全系数1.15进行计算，得出不稳定体的单位水平下滑推力为140 kN。

2.1.2 锚杆检算

采用“喷锚网”加固方案，锚杆下倾角(与水平面夹角)为20°。坡面自上而下共设置16排自钻式锚杆，锚杆水平和垂直间距均为1.1 m，水平方向左右交错布置。锚杆采用ZB38/26自钻式锚杆(锚杆外径38 mm，内径26 mm)，杆体抗拉强度不小于180 kN。钻头直径为φ60 mm，钻孔直径为φ65 mm。锚杆锚入滑动面以下稳定地层中不小于4 m。

①锚杆杆体检算：

单根锚杆承受轴力Nt可按式(1)计算：

Nt=FSxSy/cosβ

(1)

式中：F——单根锚杆范围内的水平下滑推力(kN)；

Sx、Sy——锚杆之间的水平和垂直间距(m)；

β——锚杆与水平面的夹角(下倾角)(°)。

则有Nt=140×1.1×1.1/cos20°/16=11.27 kN<180 kN(杆体轴向抗拉强度设计值)，杆体抗拉强度满足设计要求。

②锚杆锚固长度计算

锚杆锚固长度按式(2)和式(3)计算：

(2)

(3)

式中：La——锚固段长度；

K——安全系数，取2.5；

D——锚固体直径(mm)；

d——锚杆直径(mm)；

n——钢筋根数；

frb——注浆体与锚孔壁之间黏结强度设计值(MPa)；设计值可按标准值的0.8倍采用；标准值可根据文献[6]附表C.0.1采用，取0.05 MPa；

fb——砂浆与锚杆间的黏结强度设计值(MPa)，根据文献[6]附表C.0.2，取2.7 MPa；

ξ——采用两根或两根以上钢筋时，介面粘结强度降低系数，取0.6～0.85。

由式(1)计算可得，La=2.5×11.27×1 000/3.14/65/0.05/1 000=2.21 m<4 m，满足设计要求。由式(2)计算可得，La=2.5×11.27×1 000/1/3.14 /38/2.7/1 000=0.09 m<4 m，满足设计要求。因此，锚杆锚固段长度按规范[7]要求“土层锚杆的锚固段长度不应小于4 m”设计。

2.1.3 加固措施

清理浮土后，先在路肩挡土墙上植筋，再采用C35混凝土填补路肩下漏空部分平整。

桥台锥坡及斜坡坡面临时加固平面如图1所示，采用喷锚网护坡和喷射混凝土护坡进行加固。护坡混凝土厚度均为10 cm，分区对锥坡和斜坡坡面分两次喷射，混凝土中间夹一层镀锌机编钢丝网，镀锌钢丝抗拉强度不小于380 N/mm2，镀锌量不少于110 g/m2。喷锚网护坡范围内设置自钻式锚杆，锚杆与水平面夹角(下倾角)均为20°，间距均为1.1 m。A区桥台锥坡范围内锚杆长6 m，锚孔方向与线路平行，其余区域内锚杆方向与A-A轴平行，锚杆长度7～12 m，锚杆及锚孔内采用M35水泥砂浆灌注。临时加固横断面如图2所示。

图1 临时加固平面示意图

图2 临时加固断面图(m)

2.2 永久加固工程设计

待临时加固工程施工完成且达到设计要求后再永久加固工程。在挡墙端部设置翼缘桩，对墙背与桥台间空隙进行封闭。翼缘桩采用1.5 m×2.0 m的矩形截面，桩长20.0 m，两侧设置整体面板翼缘，厚0.5 m，采用C35混凝土与桩身一体浇筑。翼缘桩与线路呈55°夹角，桩身两侧翼缘分别与桥台和挡土墙相接，如图3所示。翼缘与桥台相接处设置2 cm宽的伸缩缝，采用沥青木板填塞。在与挡土墙相接处，采用植筋的方式预先在挡土墙端部植入两排0.7 m深HRB400φ25 mm连接钢筋，将挡土墙与挡土板连成一体。连接钢筋长1.4 m，竖向间距0.5 m，挡墙钢筋植入段钻孔内采用A类锚固胶填充。翼缘高度、宽度可根据桥台尺寸、实际地形进行调整，翼缘桩不得与桥台冲突。永久加固断面如图4所示。