韓曉強，何志軍，江忠貴，薛紅云

(中國鐵路總公司 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策

韓曉強，何志軍，江忠貴，薛紅云

(中國鐵路總公司 工程管理中心，北京 100844)

一在建高速鐵路簡支橋梁上軌道觀測數(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22 mm。本文結(jié)合橋梁地質(zhì)資料，分析了相鄰隧道棄渣對橋址巖堆體的影響及巖堆體的蠕動滑移對橋墩基礎的破壞作用，提出了針對性的處理措施，保證了橋梁結(jié)構(gòu)的安全。研究結(jié)果可為以后的設計和施工提供技術參考。

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381.649 m，橋上鋪設CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，設計速度250 km/h，孔跨布置為(2×32+2×24+7×32+1×24)m的簡支箱梁。該橋于2011年5月開始施工，2013年10月完成架梁，2014年6月完成無砟軌道鋪設。全橋1#，10#，11#橋墩為圓端形實體墩，2#～9#墩為圓端形空心墩。基礎為柱樁基礎，樁底嵌入頁巖，其基本承載力為0.45 MPa，極限抗壓強度為5 MPa。小里程橋臺接隧道出口，樁基經(jīng)檢測滿足要求。小里程側(cè)隧道在正洞施工過程中，曾多次發(fā)生突水突泥現(xiàn)象，故在正洞左側(cè)增設泄水洞。正洞隧道棄渣場位于橋梁右側(cè)，設計泄水洞棄渣場位于橋梁左側(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，溝谷寬緩開闊，呈“U”字形，兩岸岸坡地勢較陡，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50 m的陡崖。0#～7#墩臺段發(fā)育有巖堆，巖堆主軸長約190 m，寬300～400 m，體積約38萬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，個別達2～4 m，下伏基巖為奧陶系下統(tǒng)頁巖夾砂巖。

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)場棄渣約2.1萬m3，碴場實際堆高約10 m。11月中旬，泄水洞施工時，發(fā)生突泥，隨后發(fā)現(xiàn)泄水洞棄渣場附近地表出現(xiàn)裂縫，立即停止棄渣，將泄水洞剩余棄渣運至新碴場。2015年1月工務部門在長軌精調(diào)工程中發(fā)現(xiàn)3#～6#墩上無砟軌道中心線偏移，5#墩 CPⅢ偏移最大達22 mm。施工現(xiàn)場見圖1。

圖1 施工現(xiàn)場

2.2 成因分析

近年來鐵路建設和運營過程中，也發(fā)生過橋墩偏移現(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)，從而導致橋墩偏移。本橋所在地層未見軟土，同時橋墩周圍40 m范圍內(nèi)無堆土，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，對泄水洞施工時發(fā)生突泥、棄渣場附近地表出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象進行綜合分析。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，說明橋址附近巖堆有蠕動變形才可能出現(xiàn)地面裂縫;橋墩偏移與裂縫方向垂直，說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)了巖堆開裂、蠕動，致使橋墩發(fā)生變位。需通過對現(xiàn)場巖堆位移監(jiān)測以及橋墩偏移理論分析來驗證橋墩偏移的原因。

2.3 巖堆位移監(jiān)測

橋面發(fā)生偏移后，在橋梁周圍布設了12個巖堆位移監(jiān)測點，形成2個斷面。2月7日開始觀測變形情況:巖堆監(jiān)測第1斷面監(jiān)測點橫向累計最大位移27.2 mm，縱向累計最大位移23.5 mm。該點位于5#墩左前方。從斷面整體看，都有向大里程變化的趨勢。測量數(shù)據(jù)表明巖堆正在發(fā)生位移，同時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斷面進行穩(wěn)定檢算，見圖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法進行穩(wěn)定性系數(shù)計算，傳遞系數(shù)法(顯式)Fs=1.245 2，傳遞系數(shù)法(隱式)Fs= 1.245 1?？梢娞烊粻顟B(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力。計算假定巖堆體在承臺及巖堆體范圍內(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樁基礎進行受力計算。

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)，承臺尺寸 9.1 m (縱)×12.3 m(橫)×2.5 m(高)，樁基為9φ1.25 m柱樁，樁長11 m。

以4#墩為例，采用MIDAS建立有限元模型，其中梁單元118個，節(jié)點127個，承臺與樁基礎采用主從約束方式。對樁基與土之間的相互作用，將土對樁的支承作用轉(zhuǎn)化為彈簧，按土彈簧連接來模擬，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。該荷載等效于承臺底板受到縱向水平荷載22 835 kN。

2)承臺底板荷載組合

承臺底板荷載組合(原始荷載)見表1。

表1 承臺底板荷載組合(原始荷載)

將巖堆體滑動力作為恒載疊加至承臺底板得到的承臺底板荷載組合滑動見表2。

表2 承臺底板荷載組合(疊加巖堆體滑動力)

3.3.3 計算結(jié)果分析

1)樁基礎受力

樁基礎的單樁承載力為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力為1 084.0 MPa，樁身混凝土的壓應力為60.9 MPa，均遠遠超過允許值。綜合判斷樁身已經(jīng)斷裂。

2)與現(xiàn)場樁基檢測對比

對4#墩的8根混凝土樁進行開挖檢查，5根有明顯斷裂痕跡，驗證了計算結(jié)果。

4 防治對策

4.1 處理方法

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

由于巖堆體的蠕動變形引起橋梁的變位，故首先整治巖堆體的滑動，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橋梁的影響，其次是對橋墩基礎進行加固。

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，恢復橋下地面原貌。

2)基坑錨固樁防護。在2#～6#橋墩基坑的左側(cè)及小里程側(cè)設置抗滑樁加固，見圖3?？够瑯恫捎秒p面布筋，以確保橋梁墩臺補強施工安全。

圖3 2#～6#橋墩抗滑樁加固示意

3)3#～6#墩加樁設計。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。加樁承臺加深至既有承臺以下2 m，頂面與既有承臺頂齊平，新老承臺聯(lián)結(jié)。

橋梁基坑開挖時，采用鋼軌樁對基坑進行維護，插打鋼軌樁之前，先鉆孔，以減少對土層的擠壓效應。加樁基礎施工完成后，基坑回填時間稍推后，待巖堆預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)過整治后本橋測量數(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的主要原因，巖堆體蠕動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部位通過。

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(責任審編 鄭 冰)

U445.7+1

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

2015-08-24;

:2015-09-30

韓曉強(1974— )，男，高級工程師。

1003-1995(2015)11-0030-03