漳泉铁路K56路肩挡墙病害原因分析及综合治理

卓雄华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

漳泉铁路K56路肩挡墙病害原因分析及综合治理

卓雄华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

介绍漳泉铁路K56路肩挡墙病害情况，对挡墙的外倾变形原因进行分析，采用通用极限平衡法进行边坡稳定数值分析，计算搜索出最不利的滑面(即破裂面);采用库仑理论计算作用于挡墙上的主动土压力，并对挡墙病害进行检算。通过经济适用性、施工优越性、对既有路基的影响等方面综合对比，确定采用既有路肩墙墙体注浆+肋柱整板式锚索墙加固方案，对既有路肩墙病害进行综合治理，有效地解决了在一些客观条件受限情况下既有路肩墙变形病害问题。

铁路路基;路肩挡墙病害;注浆;肋柱整板式锚索墙

我国大部分单线低等级铁路始建于20世纪五六十年代至九十年代末，受当时社会经济发展水平的限制，设计采用的技术标准较低。特别是早期建设的山区单线铁路，为减小桥隧工程，节省投资，一般依山傍河而建，高填深挖路基、陡坡路基等较为常见。

由于当时施工水平受限，运营时间长，加之近年来随着重载及提速列车的大量开行，铁路路基病害频发，且具有分布广、治理难、多发性强的特点。既有山区铁路陡坡路基及深路堑的挡墙开裂、边坡滑移、垮塌是既有铁路常见病害类型，一般可以采用各种支挡防护形式进行病害治理。而在自然坡度陡峭的斜坡地段，采用肋柱整板式锚索墙对路肩墙变形加固处理，可以有效解决施工场地受限等问题。

本文介绍了漳泉铁路K56路肩挡墙病害情况，根据地形地质条件及病害特征，经过方案比选分析，采用小花管注浆加固既有路肩墙墙体+肋柱整板式锚索墙治理既有路肩挡墙变形病害，其措施经济合理、安全可靠，确保了路基结构的整体安全、稳定及既有线的运营安全，为以后类似工程积累了经验。

1 工程概况

漳泉铁路于20世纪五六十年代开始兴建，为客货共线铁路，线路运营时间较长。本段病害路基位于山体中下部，为陡坡路堤，左侧采用路肩墙收坡，墙高3～8m，采用浆砌片石砌筑。根据运营单位资料，线路里程K56+235～K56+280段左侧路肩挡墙，1993年时，路肩墙体外倾8 cm，1997年达18 cm，2003年达23.5 cm，2012年现场调查时，墙体整体外倾24.1 cm，下沉约2 cm，砂浆存在风化剥落现象，且不饱满。

路基病害工点所属剥蚀低山区，地形起伏较大，植被发育，多为茶叶林、灌木，交通不便。表层为第四系的粉质黏土局部夹碎石，厚约7m;其下为花岗岩全风化，厚约3m，下为花岗岩强～弱风化。地下水不发育，地表水主要为雨季坡面流水。既有路基代表性断面及地层岩性见图1。

图1 既有路基横断面及地层示意(单位:m)

2 路肩挡墙变形特征及原因分析

2.1 路肩挡墙变形特征

根据现场调查，路肩墙墙体主要为外倾，且外倾量较大，达24.1 cm，局部有下沉现象，下沉量较小，约2 cm，目前墙体外倾变形有了进一步发展的趋势，严重威胁既有线行车安全。

2.2 原因分析

该路基段位于山体中下部，地面横坡较陡，既有路肩墙坡脚处由于雨水常年冲刷，挡墙基础埋深存在不足，抗倾覆能力较差;路肩挡墙采用浆砌片石砌筑，根据现场调查，墙体存在水泥砂浆不饱满、局部存在空洞、墙体泄水孔堵塞排水不畅等缺陷。另结合地形地貌以及勘探揭示的地层分布情况，地面坡度与全～弱风化层的岩层界面基本平行，一旦外界条件发生变化，路基易发生失稳破坏。

在线路的长期运营过程中，路肩挡墙墙体出现外倾变形，主要诱发因素是列车运营产生的动荷载效应，使路肩挡墙墙背水平土压力增大，超出了路肩墙所能承受的范围，导致墙体产生外倾变形;而路肩挡墙本身砌筑质量较差，使墙体外倾变形进一步加剧。雨季时，雨水下渗，由于泄水孔排水不畅，下渗的雨水增大路基填筑体的容重，降低填筑体的力学指标，使墙背土压力增大，在列车动荷载的作用下，也将加剧路肩挡墙的外倾变形。

综上所述，此段路基的工程地质特征、路肩挡墙本身砌筑质量及基础埋深不足等是外倾变形病害产生的内在原因，列车动荷载作用、降雨等是外倾变形病害产生的外部原因。

3 分析计算及路基病害加固方案比选

3.1 分析计算

3.1.1 计算参数

通过现场地质调查及地质勘察资料，获取K56+235～K56+280处左侧路基病害的计算参数见表1。表1为既有路基各层岩土体计算的物理力学参数值。

表1 土层参数

3.1.2 设计计算方法

本工点设计思路，分为3步:①通过边坡稳定数值分析，搜索出最不利的滑面(即破裂面);②采用库仑理论计算作用于挡墙上的主动土压力，并进行挡墙检算;③加固方案比选，确定病害治理措施。

(1)边坡稳定数值分析

边坡稳定数值分析，理论基础为极限平衡法(GLE法)，它是建立在2个安全系数方程的基础上，并且允许条间力的剪切力－法向力在一定范围内变化。具体计算采用GeoSlope2012软件进行数值分析，它将搜索整个模型范围内可能产生的滑面，并计算沿各滑面滑移的安全系数，并取其最小值对应的滑面为最不利滑面。

①GLE法条间剪切力方程

式中 f(x)——表示函数;

λ——函数的权重(参与率)，即函数所用的百分数(小数形式);

E——条间法向力;

X——条间剪切力。

②GLE法力矩平衡的安全系数方程

③GLE法力平衡的安全系数方程

式中 c'——有效黏聚力;

φ′——有效摩擦角;

u——孔隙水压力;

N——土条底部法向力;

W——土条自重;

D——集中荷载;

β，R，x，f，d，ω——几何参数;

α——土条底面倾角。

④两个安全系数方程的重要变量N—各土条底部的法向力，方程由所有的竖向力的总和得到，竖向力的平衡也就得到了满足

式中，XR与XL为作用于条块两侧的剪切力，当N代入力矩的安全系数方程时，F即为Fm;当N代入力的安全系数方程时，F即为Ff。GLE法计算出了对应于一系列λ的Fm、Ff，并可给出 Fm、Ff随λ的变化曲线。通过曲线可以很好地理解不同求解方法所求得的安全系数的差别，理解条间力函数的影响。

⑤基于极限平衡法，对边坡稳定性进行建模及计算分析，竖向荷载包括两部分，一是路基整体自重荷载;二是列车和轨道荷载，列车和轨道荷载直接转换为土柱荷载。建立模型及计算结果见图2。图2是利用GeoSlope2012软件建立的数值模型并计算出的最不利滑面。

图2 既有边坡稳定性计算模型及结果

从图2中计算出最不利滑面对应的安全系数为1.009，处于临界失衡的状态。由滑面位置可以看出，这是发生在路基体的局部失稳引起的，路基本体没发生整体稳定性失稳，验证了此路基病害的原因为挡墙病害。进而可通过库仑理论与滑坡推力计算方法计算作用于挡墙上的土压力，进行挡墙稳定检算。

(2)挡墙检算

挡墙检算采用库仑理论计算主动土压力，并进行挡墙的滑移稳定、抗倾覆稳定、地基承载力及墙体强度检算。挡墙检算示意见图3，其列车和轨道荷载换算土柱(换算重度18 kN/m3)宽度3.4m，高度3.3m。

图3 挡墙检算示意(单位:m)

按实际墙背分上下两段墙体计算:上墙土压力计算时存在第2破裂角=3.818°，第1破裂角=31.486°，其主动土压力Ea1=73.659 kN，水平分力Ex1=57.391 kN，竖向分力Ey1=46.174 kN，作用点高度Zy1=1.337 m;下墙土压力按力多边形法计算得破裂角=27.978°，其主动土压力 Ea2=105.960 kN，水平分力 Ex2=105.343 kN，竖向分力Ey2=11.425 kN，作用点高度Zy2=2.080m。墙身截面积=10.95m2，重力=251.96 kN。

挡墙抗滑稳定系数

式中 ∑N——作用基底上的总垂直力，kN;

∑Ex——墙后主动土压力的总水平分力，kN;

E′x——墙前土压力的水平分力，kN;

α0—— 基底倾斜角，(°);

f——基底与地层间的摩擦系数。

挡墙抗倾覆稳定系数

式中 ∑My——稳定力系对墙趾的总力矩，kN·m;

∑M0——倾覆力系对墙趾的总力矩，kN·m。

经计算挡墙滑移安全系数Kc=1.136＜1.3;抗倾覆安全系数K0=1.106＜1.600;作用于基底的合力偏心距 e=0.353＞0.167×B(基底宽度)=0.270m，基底最大压应力σ=338.5 kPa＞基底容许承载力［σ］=250 kPa;墙体截面检算结果截面上的偏心距e=0.982＞0.3×B'(墙身截面宽度)=0.48m。均不满足《铁路路基支挡结构设计规范》的要求，故需要对挡墙进行加固。

3.2 加固方案比选

根据上述分析计算，该段路基病害主要是挡墙本身已经发生缺陷，挡墙抗滑、抗倾覆不足引起的。针对本工点病害主要对抗滑桩及肋柱整板式锚索墙2种加固方案进行了比选。因病害范围路基外侧为茶园，征地困难，且路基位于小冲沟内，场地狭小，施工场地受限，且弃土困难，而抗滑桩方案会产生大量施工土方，且桩开挖过程中会对既有线正常行车产生不利影响，而肋柱整板式锚索墙加固要求的施工场地相对较小，施工不产生土石方，可以有效减少投资，不影响既有线的正常运营，且可以有效地解决既有路肩墙变形病害问题。因此，通过综合比选后，确定采用墙体注浆+肋柱整板式锚索墙加固方案。一方面对既有路肩墙本身墙体采用小花管注浆加固，弥补路肩挡墙墙体存在水泥砂浆不饱满、局部存在空洞等缺陷，可以增强路肩墙体结构强度;另一方面路肩墙墙体外倾变形大且存在下沉，肋柱整板式锚索墙加固方案避免了对路肩墙基础的扰动，对既有路基影响较小，同时施工方便，施工周期相对较短，在合理制定施工工序、规范施工的情况下能确保病害整治达到预期效果，确保既有线的运营安全。

3.3 加固方案设计计算

在对墙体进行注浆加固后，在既有墙体外设肋柱整板式锚索墙。墙体厚0.5m，采用C35钢筋混凝土;肋柱整板式锚索墙每8.6 m为一整板，肋间距为3.0 m，肋宽0.5m，肋厚0.7m，板厚0.5m;锚索纵向间距3.0m、竖向间距2.50m，设2排预应力锚索，锚索设计长度为18～21m，锚索与水平面夹角20°，锚索预应力设计吨位为350 kN，进入稳定地层内，锚固段长6.0 m。加固设计方案检算模型及结果分别见图4及表2。

图4 肋柱整板式锚索墙加固设计方案检算模型

表2 既有病害挡墙设计加固方案受力计算

根据上述路基挡墙病害的加固设计方案及检算结果分析，采用肋柱整板式锚索墙加固方案其稳定性满足规范设计要求。

4 工程加固整治措施

采取综合整治措施，为确保施工安全及既有线行车安全，施工期间应严格按施工工序进行，先进行挡墙墙体注浆施工，浆体凝结达到设计强度后再施工整板式锚索墙。

4.1 既有路肩墙体注浆加固

因路肩墙墙体砌筑质量较差，墙体存在空洞，强度较低，肋柱整板式锚索墙施工前对既有墙体注浆加固处理。墙体注浆孔自墙顶以下约1.0 m布置，间距1.0m，梅花形布置。注浆孔向下20°倾角成孔。终止注浆控制条件如下:

(1)墙体无变形情况下，注浆压力维持100 kPa不少于30min，进浆量小于10 L/min;(2)如墙体有变形，则停止注浆;停止注浆不小于8 h后再注浆时，注浆压力降至20～40 kPa，并维持不少于30min，进浆量小于10 L/min。

墙体注浆一周后，疏通原墙体泄水孔。

4.2 肋柱整板式锚索墙加固

既有路肩墙墙体注浆加固完成并达到设计强度后，进行肋柱整板式锚索墙加固施工，在既有挡墙上设C35钢筋混凝土肋柱整板式锚索墙，伸缩缝采用沥青木板。整板墙在既有挡墙泄水孔处需相应预留泄水孔。在混凝土肋上预留锚索孔(与水平向倾角20°)。

整板式锚索墙的锚索与板的施工工序:钻孔→清孔→锚索制作→锚索安装→注浆→板梁钢筋笼制作→板梁混凝土浇筑→养护→锚索张拉→补张拉及锁定→锚头封闭。

锚孔注浆和整板式锚索墙混凝土达到设计强度的70%时才能进行张拉，张拉前必须对张拉机具进行标定，避免出现应力误差。锚索施工及张拉期间应加强对既有线的观测，严防因施工影响既有线行车安全。每级张拉均应对既有线进行观测，确保对既有线无影响后方可进行下一级张拉。对锚索孔钻孔施工提出了采用跟管钻进措施，避免了钻孔施工对路基结构的破坏。

具体加固整治措施设计见图5、图6。

4.3 整治效果

从现场已实施情况看，病害整治达到了预期效果，确保了既有线的安全运营，且施工期间未中断既有线的运营，直接经济效益突出，竣工验收时得到了运营单位的充分肯定和高度评价。

图5 既有路肩墙墙体注浆加固+肋柱整版式锚索墙设计横断面(单位:m)

图6 既有路肩墙墙体注浆加固+肋柱整版式锚索墙设计正面(单位:m)

5 结论

(1)在山区铁路的选线中，线路应避免在依山傍河地段的陡坡路基工程，以防类似工程病害的发生。

(2)在对既有山区铁路陡坡路基的挡墙变形病害加固整治中，采用对存在缺陷的既有挡墙墙体进行注浆+肋柱整版式锚索墙进行综合治理，成功解决了施工场地受限问题，整治措施经济、合理、有效，为以后类似工程病害整治提供了很好的借鉴作用。

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［2］中华人民共和国铁道部．TB10035—2006 铁路特殊路基设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2009．

［3］中华人民共和国铁道部．TB 10027—2012 铁路工程不良地质勘察规程［S］．北京:中国铁道出版社，2012．

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［7］蔡虹．预应力锚索桩板墙在渝怀铁路的应用［D］．合肥:合肥工业大学，2003．

Reason Analysis and Comprehensive Treatment of Subgrade Shoulder Retaining Wall Disease at K56 Section of Zhangzhou-Quanzhou Railway

ZHUO Xiong-hua

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co．，Ltd．，Wuhan 430063，China)

This paper introduced the subgrade shoulder retaining wall diseases at K56 section of Zhangzhou-Quanzhou Railway，and analyzed the reasons of the extroversive deformation of the subgrade shoulder retaining wall．By using the general limit equilibrium method，this paper carried out numerical analysis on slope stability，and found out themost disadvantageous sliding plane(namely fracture plane)．Also，by using Coulomb theory，the positive soil pressure and the disease upon the subgrade shoulder retaining wallwere checked and calculated．After a comprehensive comparative analysis on the economic applicability，construction superiority，and the influence on the existing subgrade，a strengthening scheme was determined:grouting the existing subgrade shoulder retainingwall plus using the ribbed plate anchor wall．As a result， with this scheme， the existing subgrage shoulder disease was treated comprehensively，and the deformation problem in existing subgrade shoulder retainingwallwas effectively settled under limited objective condition．

railway subgrade;subgrade shoulder retaining wall disease;grouting;ribbed plate anchor wall

U213.1

B

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．010

1004－2954(2014)03－0041－05

2013－11－27

卓雄华(1981—)，男，工程师，2005年毕业于吉林建筑大学，工学学士，E-mail:xiaozuoyan@163．com。