既有桥改建对拉锚杆加固桥后路基新技术

邹维国

1 概述

既有京张立交桥中心里程为大秦铁路K261+049.73[公路里程K81+224(S216)］，为4孔钢筋混凝土框构双线桥。既有大秦铁路轻、重车线上跨通过，被交道路110辅线(S216)与大秦线交角38°，是北京与张家口之间的交通要道，平均流量380辆/h。该桥的布孔方案为 12.2 m+15.7 m+15.7 m+12.2 m。

本次改建系因大秦铁路扩能改造，车站到发线延长、轻重车线右移引起，改建形式为单侧(大秦线右侧)接长，接长部分维持原布孔方案和角度不变。改建后既有桥部分保留1股轨道通过，新建桥部分3股轨道通过。新旧桥接缝按沉降缝处理，秦皇岛端接缝距大秦轻车正线外轨0.72 m，该段线路为800 m半径曲线，根据设计须拆除既有桥翼墙才能保证新桥结构尺寸(见图1)。因拆除翼墙影响翼墙背后路基稳定，因此必须进行加固处理。在不影响列车运营的条件下，采用对拉钢筋锚杆加固路基无需封锁、慢行，不必架空线路，却达到同样目的。

图1 既有桥改建图

2 加固方案比较与选择

2.1 以往类似工程的处理方法简介

以往类似工程采取的处理方法着重于对轨道进行加固或轨道路基综合加固，通常采用扣轨法、横纵抬梁或D型便梁法架空线路，钢板桩、工字钢桩或挖孔桩加固路基，但这些方法的弊端在于需要列车慢行甚至中断行车。

大秦线昼夜行车100对，行车间隙只有7 min，普通列车车长120节，万吨列车车长220节，2005年运量达到2 030万t，凡封锁、慢行施工均会影响运量，因此以往方案不会得到路局的同意。

2.2 加固方案重点分析

本工程的加固重点在于既有桥翼墙拆除后，原来位于翼墙之后的路基土体临空暴露，易造成塌方从而危及既有线行车。因此保证土体稳定是加固方案的着眼点。新建桥基坑开挖后路基高度5.4 m竖直暴露，只要想办法保证路基稳定就不会影响既有线行车。也就是说利用另一种方式抵御土体侧压力代替原桥翼墙就能达到这一目的。以往的路基加固方法如挖孔桩可以达到这一目的，但新旧桥接缝点距离外股钢轨只有0.72 m，在此处任何作业均侵入行车限界，因此不能采纳。

翼墙的作用是对土体的侧压力给予反作用力，只要不改变这个反作用力方向，而是由土体内部向内拉住土体即能起到翼墙的作用，因此利用钢筋穿过土体内部形成对拉可以解决这一难题。

2.3 加固方案确定

1)翼墙自上而下拆除，每次拆高1 m，每拆除1 m高后即采用锚杆钻机钻透路基至路基对面，每次钻4个孔(见图2)，孔内穿入16 mm螺纹钢筋，路基对面边坡预先挖好锚固桩基坑，钢筋穿入后两端安装钢板，并焊接牢固。依次类推直至拆除翼墙最底部。

2)翼墙拆除后土体暴露面有坑洼不平与钢板间产生间隙的采用砂浆填实。

3)翼墙脚较低处采用打入工字钢桩防护。

图2 对拉防护图（单位：m）

3 关键技术及可行性分析

3.1 防护结构的安装

锚杆孔成型后，立即穿入锚杆并拉直，当四根锚杆全部安装完后，用砂浆将土体暴露面的坑洼不平处填实，处理完后，将加工好的钢板(角钢已焊接好)穿过锚杆紧靠土体安装好，对锚杆两侧同时施加一定的力，先将拆除翼墙侧的锚杆焊接在角钢上，然后将另一侧的锚杆同样焊在角钢上。

3.2 防护结构的受力分析

3.2.1 受力结构

钢板、角钢、锚杆三者形成一组合结构，共同承受土压力。

3.2.2 受力计算

1)计算资料。

a.翼墙加固高度H=4 m;

b.翼墙后填料为碎石类土，其单位容重r=19 kN/m3，内摩擦角 φ =40°;

c.根据《路基支挡结构设计规范》列车和轨道荷载换算高度h=3.2 m;

d.钢板长 a=2.4 m，宽 b=1 m。

2)受力计算。

土应力图见图3。

a.土壤破裂角 θ。

b.推力系数λ。

c.最下面一块钢板承受的平均主动土压强P(见图3)。

d.最下面一块钢板承受的压力F(考虑1.3的安全系数)。

e.锚杆钢筋的直径。

选用普通钢筋作为锚杆，钢筋的抗拉计算强度 R=19 000 kN/cm2，则所需钢筋面积A:

每块钢板上用4根钢筋，每根钢筋的截面积为:

考虑钢筋需要焊接，质量不易保证，选用较大钢筋，采用直径16的螺纹钢，每根面积为2.01 cm2。

f.钢板的强度计算。

钢板选用16Mn钢，厚度t=14 mm，容许应力[σ］=315 MPa;

角钢间距1.4 m，钢板计算跨度l1=1.4 m，每块钢板宽1 m，计算宽度b=1 m。

钢板承受的均布荷载q1(取安全系数1.3):

最大弯矩 M1=q1×l21/8=36.08×1.42/8=8.84 kN/m。

截面抵抗矩 W1=b×t2/6=100 ×1.42/6=32.67 cm3。

弯拉应力 σ1=M1/W1=8.84 ×103/(32.67 ×10－8)=270 MPa＜315 MPa。

钢板弯拉应力满足要求。

g.角钢的强度计算。

角钢型号采用∠80×6 mm，其钢材的容许弯拉应力[σ］=315 MPa，剪应力[τ］=185 MPa;

角钢的计算跨度l2=0.6 m;

其截面抵抗矩查手册W2=9.87 cm3(最小值)。

角钢承受的平均均布荷载q2(取安全系数1.3):

q2=P × a/2 ×1.3=27.75 ×2.4/2 ×1.3=43.29 kN/m2。

最大弯矩 M2=q2×l22/8=43.29×0.62/8=1.95 kN/m。弯拉应力 σ2=M2/W2=1.95 ×103/(9.87 ×10－8)=198 MPa＜315 MPa。

角钢的弯拉应力满足要求。

角钢最大剪应力 V=F/4=86.58/4=21.65 kN。

假定剪应力全部由角钢与锚杆焊接的边承受:

角钢的剪应力满足要求。

4 加固方案实施

4.1 施工工艺简述

钻机采用可移动锚杆钻机，并搭设脚手杆排架固定，以防止钻机后坐。选择钻头直径0.05 m，钻杆可接长，根据路基宽度，共需钻杆 11.5 m。

图3 土应力图

施工前应试钻一个孔以确定钻孔所用的时间，如钻孔时间过长，翼墙拆除后1 m高路基暴露的时间也相应增长，此时应作一些其他辅助措施或调整方案。比如可以先将混凝土翼墙钻透再钻路基，穿入锚杆并临时焊接后再拆除翼墙。

锚杆采用16 mm螺纹钢筋，每根长12 m，共计16根，钢板尺寸为2 400 mm×1 000 mm×14 mm。钢筋与钢板连接方式为:先在钢板上钻好眼，钢筋穿过钢板后用角钢(∠80×6 mm)将四个钢筋头焊接牢固。待所有钢筋穿入并与钢板连接固定好之后，用混凝土将锚固桩坑填平，以免雨水浸泡土体，使土体软化。

4.2 控制重点

1)所有施工顺序必须是由上而下进行;

2)必须待每对钢板上四根钢筋全部焊接牢固形成对拉体系之后方可进行下一节翼墙拆除;

3)钢筋必须是经过检验并且合格的，抗拉强度满足190 MPa以上。

5 加固效果

此方案经过路局工务处审批后实施，历时3 d完成秦皇岛端路基加固并拆除翼墙，仅投入资金1.5万元。桥体施工自开挖基础，历经基底换填，混凝土垫层浇筑，框构底板钢筋绑扎、支模、混凝土浇筑、养生，边墙顶板支撑加固、钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇筑共计25 d时间未发生任何险情。

6 结语

对拉钢筋锚杆加固路基施工技术，具有加固结构简单，机具设备简陋，施工方法简便，加固周期短，方案安全可靠，加固费用低等优点。因此，该技术是一种在营业线施工中值得推荐的比较实用的方法。

[1]桥涵顶进设计与施工[M］.北京:中国铁道出版社，1983.

[2]郭秉山.建筑结构工程师手册[M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

[3]TB 10025-2006，铁路路基支挡结构设计规范[S］.