韓曉強(qiáng)，何志軍，江忠貴，薛紅云

(中國(guó)鐵路總公司 工程管理中心，北京 100844)

高速鐵路橋墩偏移成因分析及防治對(duì)策

韓曉強(qiáng)，何志軍，江忠貴，薛紅云

(中國(guó)鐵路總公司 工程管理中心，北京 100844)

一在建高速鐵路簡(jiǎn)支橋梁上軌道觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，連續(xù)5座橋墩均發(fā)生橫向偏移，最大偏移量已達(dá)22 mm。本文結(jié)合橋梁地質(zhì)資料，分析了相鄰隧道棄渣對(duì)橋址巖堆體的影響及巖堆體的蠕動(dòng)滑移對(duì)橋墩基礎(chǔ)的破壞作用，提出了針對(duì)性的處理措施，保證了橋梁結(jié)構(gòu)的安全。研究結(jié)果可為以后的設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)參考。

高速鐵路 橋墩偏移 巖堆體 橋梁樁基 處理措施

1 概述

1.1 工程概況

一在建高速鐵路橋梁全長(zhǎng)381.649 m，橋上鋪設(shè)CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)速度250 km/h，孔跨布置為(2×32+2×24+7×32+1×24)m的簡(jiǎn)支箱梁。該橋于2011年5月開(kāi)始施工，2013年10月完成架梁，2014年6月完成無(wú)砟軌道鋪設(shè)。全橋1#，10#，11#橋墩為圓端形實(shí)體墩，2#～9#墩為圓端形空心墩?；A(chǔ)為柱樁基礎(chǔ)，樁底嵌入頁(yè)巖，其基本承載力為0.45 MPa，極限抗壓強(qiáng)度為5 MPa。小里程橋臺(tái)接隧道出口，樁基經(jīng)檢測(cè)滿足要求。小里程側(cè)隧道在正洞施工過(guò)程中，曾多次發(fā)生突水突泥現(xiàn)象，故在正洞左側(cè)增設(shè)泄水洞。正洞隧道棄渣場(chǎng)位于橋梁右側(cè)，設(shè)計(jì)泄水洞棄渣場(chǎng)位于橋梁左側(cè)最小距離40 m以外。

1.2 地質(zhì)概況

橋址處屬構(gòu)造剝蝕中山河谷地貌，地形起伏較大。地面高程675～790 m，溝谷寬緩開(kāi)闊，呈“U”字形，兩岸岸坡地勢(shì)較陡，基巖多裸露，緩坡地帶多為第四系覆土所覆蓋。

小里程隧道洞口上方存在高達(dá)50 m的陡崖。0#～7#墩臺(tái)段發(fā)育有巖堆，巖堆主軸長(zhǎng)約190 m，寬300～400 m，體積約38萬(wàn)m3，主軸與線路夾角約25°。堆積體物質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土、碎塊石土，線路附近巖堆厚2～10 m，石質(zhì)成分以白云巖為主，粒徑200～600 mm，個(gè)別達(dá)2～4 m，下伏基巖為奧陶系下統(tǒng)頁(yè)巖夾砂巖。

2 橋墩偏移成因分析

2.1 橋墩偏移

2014年7月初泄水洞施工，至11月中旬，現(xiàn)場(chǎng)棄渣約2.1萬(wàn)m3，碴場(chǎng)實(shí)際堆高約10 m。11月中旬，泄水洞施工時(shí)，發(fā)生突泥，隨后發(fā)現(xiàn)泄水洞棄渣場(chǎng)附近地表出現(xiàn)裂縫，立即停止棄渣，將泄水洞剩余棄渣運(yùn)至新碴場(chǎng)。2015年1月工務(wù)部門在長(zhǎng)軌精調(diào)工程中發(fā)現(xiàn)3#～6#墩上無(wú)砟軌道中心線偏移，5#墩 CPⅢ偏移最大達(dá)22 mm。施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1。

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)

2.2 成因分析

近年來(lái)鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，也發(fā)生過(guò)橋墩偏移現(xiàn)象，但多在軟土地區(qū)的橋墩周圍堆載，使橋墩附近的軟土產(chǎn)生了滑移失穩(wěn)，從而導(dǎo)致橋墩偏移。本橋所在地層未見(jiàn)軟土，同時(shí)橋墩周圍40 m范圍內(nèi)無(wú)堆土，因此本橋偏移原因與常規(guī)橋墩偏移有所不同，但可以確定的是要使橋墩發(fā)生偏移需要較大外力作用。

根據(jù)地形、地質(zhì)特征，結(jié)合橋墩40 m外堆放的隧道泄水洞棄渣，對(duì)泄水洞施工時(shí)發(fā)生突泥、棄渣場(chǎng)附近地表出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象進(jìn)行綜合分析。分析發(fā)現(xiàn)，裂縫是在橋址附近巖堆受棄渣堆載作用和隧道突水滲入后發(fā)生，說(shuō)明橋址附近巖堆有蠕動(dòng)變形才可能出現(xiàn)地面裂縫;橋墩偏移與裂縫方向垂直，說(shuō)明偏移與巖堆的變形方向一致。因此棄渣堆載以及突泥水誘發(fā)了巖堆開(kāi)裂、蠕動(dòng)，致使橋墩發(fā)生變位。需通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖堆位移監(jiān)測(cè)以及橋墩偏移理論分析來(lái)驗(yàn)證橋墩偏移的原因。

2.3 巖堆位移監(jiān)測(cè)

橋面發(fā)生偏移后，在橋梁周圍布設(shè)了12個(gè)巖堆位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成2個(gè)斷面。2月7日開(kāi)始觀測(cè)變形情況:巖堆監(jiān)測(cè)第1斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向累計(jì)最大位移27.2 mm，縱向累計(jì)最大位移23.5 mm。該點(diǎn)位于5#墩左前方。從斷面整體看，都有向大里程變化的趨勢(shì)。測(cè)量數(shù)據(jù)表明巖堆正在發(fā)生位移，同時(shí)與橋墩的偏移方向一致。

3 橋墩偏移數(shù)值分析

3.1 天然狀態(tài)下巖堆主軸穩(wěn)定性檢算

取巖堆主軸II—II斷面進(jìn)行穩(wěn)定檢算，見(jiàn)圖2。采用參數(shù):粉質(zhì)黏土重度19 kN/m3，黏聚力35 kPa，內(nèi)摩擦角12°;頁(yè)巖夾泥巖及砂巖重度24 kN/m3，內(nèi)摩擦角50°;巖堆與基巖面間綜合內(nèi)摩擦角16°。

圖2 巖堆主軸及輔軸平面

采用傳遞系數(shù)Fs法進(jìn)行穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算，傳遞系數(shù)法(顯式)Fs=1.245 2，傳遞系數(shù)法(隱式)Fs= 1.245 1?？梢?jiàn)天然狀態(tài)下巖堆整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 棄渣后巖堆主軸穩(wěn)定性檢算

取泄水洞棄渣范圍巖堆主軸斷面進(jìn)行檢算。參數(shù)及穩(wěn)定性系數(shù)檢算方法同上，傳遞系數(shù)法(隱式)Fs= 0.980 8，表明堆載后，巖堆主軸整體處于失穩(wěn)狀態(tài)。

3.3 樁基受損分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況判斷，使4#墩產(chǎn)生縱橫向偏移的主要荷載為巖堆體的滑動(dòng)力。計(jì)算假定巖堆體在承臺(tái)及巖堆體范圍內(nèi)的樁身產(chǎn)生均布荷載，該荷載的作用導(dǎo)致墩產(chǎn)生縱(橫)向偏移，可從墩頂偏移值反算巖堆荷載，以該荷載作為恒載與其他荷載疊加后對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行受力計(jì)算。

3.3.1 模型建立

4#墩墩高28.5 m，為圓端形空心橋墩，墩頂尺寸3.0 m×7.8 m，墩頸尺寸3.0 m×6.8m，墩頸處壁厚0.5 m，墩身外坡40∶1，內(nèi)坡50∶1，墊塊尺寸4.75 m (縱)×8.55 m(橫)×1.0 m(高)，承臺(tái)尺寸 9.1 m (縱)×12.3 m(橫)×2.5 m(高)，樁基為9φ1.25 m柱樁，樁長(zhǎng)11 m。

以4#墩為例，采用MIDAS建立有限元模型，其中梁?jiǎn)卧?18個(gè)，節(jié)點(diǎn)127個(gè)，承臺(tái)與樁基礎(chǔ)采用主從約束方式。對(duì)樁基與土之間的相互作用，將土對(duì)樁的支承作用轉(zhuǎn)化為彈簧，按土彈簧連接來(lái)模擬，樁底固結(jié)。

3.3.2 檢算荷載

1)巖堆荷載

根據(jù)假定，導(dǎo)致4#墩縱向產(chǎn)生17 mm偏移的巖堆體的縱向均布荷載為510 kPa。該荷載等效于承臺(tái)底板受到縱向水平荷載22 835 kN。

2)承臺(tái)底板荷載組合

承臺(tái)底板荷載組合(原始荷載)見(jiàn)表1。

表1 承臺(tái)底板荷載組合(原始荷載)

將巖堆體滑動(dòng)力作為恒載疊加至承臺(tái)底板得到的承臺(tái)底板荷載組合滑動(dòng)見(jiàn)表2。

表2 承臺(tái)底板荷載組合(疊加巖堆體滑動(dòng)力)

3.3.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)樁基礎(chǔ)受力

樁基礎(chǔ)的單樁承載力為7 920 kN，樁側(cè)最大土壓力176.81 kPa大于允許值(172.52 kPa)，在不利工況下樁身的鋼筋應(yīng)力為1 084.0 MPa，樁身混凝土的壓應(yīng)力為60.9 MPa，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。綜合判斷樁身已經(jīng)斷裂。

2)與現(xiàn)場(chǎng)樁基檢測(cè)對(duì)比

對(duì)4#墩的8根混凝土樁進(jìn)行開(kāi)挖檢查，5根有明顯斷裂痕跡，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。

4 防治對(duì)策

4.1 處理方法

橋墩偏移的加固措施較多，比較常見(jiàn)的有卸荷減載、堆載反壓和應(yīng)力釋放孔聯(lián)合糾偏、水平頂推結(jié)合應(yīng)力釋放孔糾偏、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁糾偏加固、高壓旋噴樁加固等措施。

由于巖堆體的蠕動(dòng)變形引起橋梁的變位，故首先整治巖堆體的滑動(dòng)，采取減載、修建良好的排水系統(tǒng)以及抗滑樁加固等措施消除外部對(duì)橋梁的影響，其次是對(duì)橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行加固。

4.2 工程措施

1)清除橋下棄渣。清理線路左右兩側(cè)40 m范圍內(nèi)棄渣，恢復(fù)橋下地面原貌。

2)基坑錨固樁防護(hù)。在2#～6#橋墩基坑的左側(cè)及小里程側(cè)設(shè)置抗滑樁加固，見(jiàn)圖3?？够瑯恫捎秒p面布筋，以確保橋梁墩臺(tái)補(bǔ)強(qiáng)施工安全。

圖3 2#～6#橋墩抗滑樁加固示意

3)3#～6#墩加樁設(shè)計(jì)。其中3#，4#墩增加5根直徑1.5 m樁，5#，6#墩增加6根直徑1.5 m樁。加樁承臺(tái)加深至既有承臺(tái)以下2 m，頂面與既有承臺(tái)頂齊平，新老承臺(tái)聯(lián)結(jié)。

橋梁基坑開(kāi)挖時(shí)，采用鋼軌樁對(duì)基坑進(jìn)行維護(hù)，插打鋼軌樁之前，先鉆孔，以減少對(duì)土層的擠壓效應(yīng)。加樁基礎(chǔ)施工完成后，基坑回填時(shí)間稍推后，待巖堆預(yù)加固樁全部施工完成，巖堆完全穩(wěn)定后再回填基坑。

5 結(jié)論與建議

1)經(jīng)過(guò)整治后本橋測(cè)量數(shù)據(jù)均符合規(guī)范要求。

2)棄渣堆載和排水是引起巖堆體蠕動(dòng)的主要原因，巖堆體蠕動(dòng)引起橋梁樁基斷裂和橋梁偏移。

3)巖堆地段的工程地質(zhì)選線原則:對(duì)于地面和巖堆基底坡度較陡、地下水發(fā)育、工程處理困難的大型巖堆地段，線路宜繞避之;對(duì)于基本穩(wěn)定巖堆，采用必要工程措施后，線路亦可在巖堆體的適當(dāng)部位通過(guò)。

［1］李前名，鄒向農(nóng).受地面堆載影響發(fā)生偏移鐵路橋墩的修復(fù)設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(8):67-70.

［2］楊正虎，尹紫紅，彭文件，等.客運(yùn)專線群樁基礎(chǔ)橋梁沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)方法研究［J］.鐵道建筑，2012(9):1-4.

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(責(zé)任審編 鄭 冰)

U445.7+1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.09

2015-08-24;

:2015-09-30

韓曉強(qiáng)(1974— )，男，高級(jí)工程師。

1003-1995(2015)11-0030-03