盛敏峰

（中鐵二十二局集團第三工程有限公司，福建 廈門 361000）

1 工程概況

寧波穿山港鐵路穿山港集裝箱貨運站瀕臨寧波舟山港四期國際碼頭，進站方向及咽喉區(qū)約1km 設計為路塹九級高邊坡，高度達88m，挖方約210 萬m3。一級邊坡及以下支擋結構設計為擋土墻、樁板墻和樁間擋墻結構，抗滑樁142 根，約1.8 萬m3。

1.1 支擋結構及邊坡防護設計

路塹高邊坡一級邊坡以下支擋結構設計為路塹擋土墻、樁板墻和樁間擋墻結構： 1）路塹擋土墻。深路塹兩側段高度8.5m 及以下支擋結構設計為C30 片石混凝土擋墻，墻高3.0m～8.5m，墻胸、背坡率1：0.25。2）樁板墻及樁間擋墻。路塹中間段高度大于8.5m 支擋結構設計為C40 鋼筋混凝土抗滑樁及C30 片石混凝土樁間擋墻支護，樁間板采用預制C40混凝土槽形板，抗滑樁間距5.0m，樁長16m～20m，樁截面為2m×2.25m 和2.25m×2.5m 兩種類型。3）路塹邊坡防護。①框架梁、錨墩預應力錨索護坡。預應力錨索長15m～17m，縱向間距3.0m，豎向垂直間距3.0m、3.5m，傾角15°，錨固段長8m?；鶐r強風化塹坡采用框架梁錨索；基巖弱風化塹坡采用“錨墩+錨索”結構。②框架梁錨桿護坡。錨桿長12m，單孔采用2 根Φ25mmHRB400 鋼筋。

1.2 工程現(xiàn)場巖層巖性特征

自上而下依次為：1）Q粉質黏土?；尹S色，硬塑，σ=180kPa；2）J熔結凝灰?guī)r。全風化，灰黃色，=250kPa；3）J熔結凝灰?guī)r。強風化，黃褐色，=500kPa；4）J熔結凝灰?guī)r。弱風化，青灰色，=1000kPa。

地下水主要為第四孔隙潛水，不甚發(fā)育，水位埋深0.5m～2m。地下水環(huán)境作用等級：二氧化碳侵蝕H1，氯鹽環(huán)境L2。

深路塹邊坡開挖至第三級時，組織地質工程師對路塹邊坡開挖面的巖層節(jié)理發(fā)育情況進行調查，并對節(jié)理裂隙的走向、傾向、傾角和條數進行統(tǒng)計，繪制節(jié)理玫瑰花圖。發(fā)現(xiàn)塹坡巖層為凝灰?guī)r，巖性較好，巖體較完整，裂隙弱發(fā)育，無裂隙水。調查成果發(fā)現(xiàn)邊坡不存在順層和不利的結構面?，F(xiàn)場地質調查統(tǒng)計表見表1。

表1 現(xiàn)場地質調查統(tǒng)計表

2 方案優(yōu)化的目的

為解決施工環(huán)境干擾、工期、安全等風險，進行支擋結構的方案優(yōu)化勢在必行，優(yōu)化目的：1）地下有限空間作業(yè)，基巖裂隙水較發(fā)育，避免地下與地上交叉施工帶來的安全風險。2）避免樁體開挖爆破對附近老舊房屋和已完工的防護結構帶來嚴重爆破振動危害。3）有利于節(jié)約施工工期。解決抗滑樁爆破施工工期長，無法滿足通車工期的問題。4）有利于高邊坡施工快挖快防護，降低施工安全風險。5）有利于坡面防護結構形式統(tǒng)一，更加美觀。工程地處國際港口區(qū)，保持邊坡綠化美觀對提升港口區(qū)環(huán)境生態(tài)有重要意義。

3 方案優(yōu)化的設想

3.1 優(yōu)化原則

堅持有利于高邊坡穩(wěn)定，保障工程質量安全以及降低工程造價、減少施工工期、節(jié)約施工成本的原則。

3.2 優(yōu)化方案設想

根據現(xiàn)場工程地質特性、路基支擋工程經驗及類似工程案例，將支擋結構方案進行優(yōu)化。

一級邊坡以下支擋結構樁板墻、樁間擋墻優(yōu)化為“預應力框架錨索+土釘墻”復合結構。

一～三級邊坡防護采用“錨索+錨墩”結構的方案變更“錨索框架梁”結構，與三級邊坡以上防護結構相統(tǒng)一，有利于結構穩(wěn)定和美觀。

4 土釘驗算

根據《鐵路路基支擋結構設計規(guī)范》（TB 10025—2012）進行土釘墻結構設計研究。

4.1 水平土壓力計算

土釘墻最大高度為=11m，根據邊坡及土體相關參數，由式（1）計算庫倫土壓力系數。

式中：λ為庫倫土壓力系數；為墻背土體內摩擦角，取=45°；為墻背摩擦角，取=22.5°；為墻頂邊坡與水平夾角（一級平臺1 ∶1 坡度），取=45°；為墻背與豎直面夾角（墻體坡比1 ∶0.2），取=11.31°；為土的容重，取=20kN/m。

由式（1）計算得庫倫主動土壓力系數λ=0.326。

作用于土釘墻面板土壓應力呈梯形分布（圖1），計算水平土壓力如下。

圖1 土壓應力計算模型

式中：為水平土壓應力；λ為庫倫主動土壓力系數；為墻背摩擦角，取=22.5°；為墻背與豎直面夾角（墻體坡比1 ∶0.2），取=11.31°；為邊坡巖土體重度，取=20kN/m。

由式（2）計算可得，水平土壓力=46.39kPa。

4.2 土釘拉力計算

由式（3）計算土釘水平拉應力。

式中：E為第層土釘的計算拉力；S為土釘水平距離，取1m；S為土釘垂直距離，取1m；為土釘與水平面夾角，取=15°。

由式（3）計算可得，E=48.59kN。

4.3 土釘墻內部穩(wěn)定計算

土釘選用Φ28mm 的HRB400 鋼筋，其抗拉強度設計值f=360kN·m。

土釘抗拉力由式（4）求得。

式中：T為土釘釘材抗拔力；d為土釘直徑，取28mm；f為土釘抗拉強度設計值，取360kN·m。由式（4）計算得：T=221.7kN。

式中：為土釘抗拉斷安全系數），滿足要求。

取土釘有效錨固長度l=4.5m（巖層中的有效錨固長度不宜小于4.0m），鉆孔直徑d=110mm，土釘與孔壁界面巖土抗剪強度，根據規(guī)范土釘與注漿體之間黏結強度設計值取=300kPa，土釘直徑d=28mm，

土釘與砂漿間的黏結強度，根據規(guī)范取τ=2700kPa，土釘的抗拔穩(wěn)定計算：

式中：F為土釘有效錨固力；d為土釘鉆孔直徑；l為土釘有效錨固長度；為土釘與注漿體之間黏結強度設計值。由式（5）計算得：F=466.5kN。

式中：F為土釘有效錨固力；d為土釘直徑；l為土釘有效錨固長度；τ為土釘與砂漿間的黏結強度。由式（6）計算得：F=1069kN，取F和F中最小值F=466.5kN 計算，則F/E=9.601＞=1.8（土釘抗拔安全系數），滿足要求。

土釘錨固區(qū)與非錨固區(qū)分界面（潛在破裂面）如圖2 所示。潛在破裂面的距離應按下式計算。

圖2 錨固區(qū)與非錨固區(qū)分界面示意圖

土釘墻內部穩(wěn)定性計算模型如圖3 所示。

圖3 擋土墻內部穩(wěn)定性計算模型圖

式中：為巖土的黏聚力；為巖土的內摩擦角；為分條（塊）的潛在破裂面長度；為分條（塊）質量；為破裂面與水平面夾角；為土釘軸線與破裂面的夾角；為土釘的抗拔能力，取和中的小值；為實設土釘排數；為土釘水平間距；為施工階段及使用階段整體穩(wěn)定系數。

由式（7）計算得=5.33＞（施工階段取1.3，使用階段取1.5），滿足要求。

土釘墻外部穩(wěn)定性檢算可將土釘及其加固視為重力式擋墻進行計算，根據規(guī)范穩(wěn)定性檢算方法進行抗傾覆、抗滑動及基底承載力檢算。經計算，結果滿足要求。因此，土釘選用28mm 的HRB400 鋼筋，長度8.5m，有效錨固長度4.5m，縱、橫間距均為1m。

5 實施方案的確定

5.1 一級邊坡及以下支擋結構方案

一級邊坡及以下支擋結構采用“預應力框架錨索+土釘墻”結構方案。

土釘墻。土釘墻高6m～10m，墻面胸坡坡率1 ∶0.2，土釘采用1 根28mm 的HRB400 鋼筋，長8.5m，縱、橫向間距1.0m，與水平方向夾角15°，土釘孔直徑110mm，孔內灌注M40 水泥砂漿。墻體面板采用C35 鋼筋混凝土，厚度50cm，內配雙層鋼筋網片，采用16mmHRB400 鋼筋，間距200mm；墻體設50mmPVC 管泄水孔，間距2.0m，梅花形布置，墻身沿線路方向每隔6m～10m 設一道伸縮縫。

5.2 預應力框架錨索

土釘墻面板上設預應力框架錨索，框架梁采用C40 鋼筋混凝土現(xiàn)澆，縱、橫梁截面尺寸均為0.4m×0.4m，預應力錨索縱、豎向間距為3.0m，錨索與水平面夾角15°，錨索孔深16.5m～20.5m，錨固長度9m，錨索采用4 根1860MPa 的φ15.24mm 鋼絞線制作，錨孔直徑130mm，內灌注M40 水泥砂漿。

5.3 一～三級邊坡防護進一步加強的措施

因支擋結構方案的優(yōu)化以及一、二、三級邊坡巖質破碎，巖層裂隙較發(fā)育，為了進一步加強一、二、三級邊坡的防護措施，將原設計的“錨索+錨墩”結構采用進一步加強的措施：第一～三級整個邊坡原設計的錨索防護“錨索+錨墩”結構優(yōu)化為“錨索框架梁”結構，錨索長度均加長1m。

5.4 主要工程數量對比

方案優(yōu)化前后主要工程數量對比見表2。

表2 樁板墻原設計與調整后工程數量對比表

5.5 優(yōu)化效果

經方案優(yōu)化后，對鋼筋混凝土工程數量明顯節(jié)約，降低了工程造價，達到施工質量可控、安全風險降低、工期節(jié)約、避免了爆破擾民，取得了良好的工期和經濟效益。

根據優(yōu)化方案的工程數量變化情況，該方案調整費用節(jié)約85 萬元。

6 結語

該工程瀕臨寧波-舟山港國際碼頭，屬于濱海灘涂地段的高路塹邊坡防護及支擋工程，高達88m 的鐵路工程高路塹在國內較罕見，通過對支擋結構的原設計工程措施提出優(yōu)化設想，經過現(xiàn)場地質調整，土釘墻結構計算分析以及召開專家論證會，最終使“土釘墻+預應力框架錨索”的工程方案成功應用并實施，可得出以下結論：1）對濱海地區(qū)凝灰?guī)r質路塹高邊坡在一級邊坡及以下的支擋結構采用“土釘墻+預應力錨索框架梁”的工程方案是可靠的。2）“土釘墻+預應力錨索框架梁”的工程支擋方案與樁板墻支擋結構方案相比，具有經濟優(yōu)勢明顯，施工工期較短，對既有邊坡的擾動較小，施工完成后結構較美觀的優(yōu)點。3）支擋結構完成后，可在框架梁網格中采用種植爬山虎以及掛網噴播植草等綠化方案，使混凝土圬工邊坡更加美觀，與濱海既有山坡生態(tài)相協(xié)調。該文對路塹高邊坡支擋結構工程方案進行優(yōu)化的過程總結，可為類似工程起到借鑒和支撐作用。