防护排架施工技术分析验算

（中铁十六局集团第四工程有限公司，北京 101400）

1 工程概况

资阳沱江多线特大桥中心里程为DK80+167。全桥起止里程为：DK79+979.71—DK81+564.37，全长1 584.66m。沱江桥上跨成渝铁路和沱江，上跨部分采用（90+180+90）m连续梁拱组合结构，其中0号台距离既有线仅37m，台底距既有线高度为15.97m，且低于地面18.9m，0号台施工前先进行土石方施工，基础位于强风化泥岩夹砂岩。

该工程资阳沱江多线特大桥0号台前台土石方开挖施工属于邻近既有线施工，可能影响既有成渝线墨池坝——资阳区间K119+240～K119+320段线路正常运营。为确保铁路正常运营，沿既有线右侧山体设双排钢管竹排架进行防护。钢管竹排架高32m、长50m，距既有线最近仅2.5m。

2 排架结构设计

3 排架验算

3.1 锚杆轴向受力分析

3.1.1 按JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》计算

由于采用非扩孔锚杆，因此其轴向受力设计值计算如式（1）所示：

式中，Nu为锚杆的轴向受拉设计值；d为锚杆锚固体直径；li为第i层土的有效锚固长度；qsik为黏结强度标准值；γs为受拉抗力分项系数，取1.8。

计算锚杆与浆体的轴向受拉承载力设计值，根据《建筑基坑支护技术规程》，强度取qs=2.8MPa，计算如式（2）所示：

计算浆体与岩体间的轴向受拉承载力，根据所给资料，岩体为泥岩夹砂岩，属于软岩且表面岩体已风化，出于安全考虑取qs=0.3MPa，则计算如式（3）所示：

3.1.2 按TB 10025—2006《铁路路基支挡结构设计规范》计算

1）按锚固体与孔壁的抗剪强度确定锚杆的轴向受拉承载力设计值，如式（4）所示：

式中，Nu为轴向承载力设计值；D为锚孔直径；L为锚杆有效锚固长度；τ为孔壁与砂浆的极限剪应力；K为安全系数，取2.5。

根据所给资料，锚杆的有效锚固长度取2.5m，锚孔直径取100mm，既有线边坡的岩体由强分化和弱风化泥岩夹砂岩组成，根据TB 10025—2006《铁路路基支挡结构设计规范》规定，取极限剪应力τ=0.25MPa，则锚杆轴向受拉承载力设计值为：

2）按锚杆与砂浆之间的容许黏结力确定锚杆的轴向受拉承载力设计值，如式（5）所示：

式中，Nu为轴向承载力设计值；n为锚杆钢筋根数；D为锚杆钢筋直径；[c]为锚杆与砂浆之间容许黏结力；β为钢筋系数，单根 β=1.0，2 根 β=0.85，3 根 β=0.7。

根据所给资料，锚杆直径为22mm，砂浆与锚杆间容许黏结力按TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》规定，取[c]=1.5×920=1 380kPa，n=1.0，β=1.0，则杆的轴向受拉承载力设计值为：

对比以上2种规范得到的结果，为确保安全，按TB 10025—2006《铁路路基支挡结构设计规范》要求，轴向抗拉承载力设计值Nu=78.5kN，同时也说明锚杆与浆体的黏结力大于浆体与岩体间的黏结力，若被破坏，整个锚固体会被整体拔出。

3.2 排架有限元模型验算

3.2.1 有限元模型建立

3.2.2 排架荷载作用组合

根据资料所给的荷载，滚石体积为50cm×50cm×50cm，质量为312.5kg，从5m高的边坡（坡度为1∶1.5）滚落下来，摩擦系数为0.6，冲击时间为0.1s，按最不利情况计算得到冲击力为9.803kN。以集中力的形式作用在最终开挖面区域的排架上。根据落石可能撞上钢管竹排架位置的不同，主要针对以下3种情况进行计算分析。

1）落石撞在排架的顶部。

2）落石撞在排架的中部。

3）落石撞在排架的底部。

由于本次验算中的活荷载是水平方向的，而重力方向是竖向的，因此在荷载效应组合中就不用加入自重的效应。所以荷载组合为：荷载效应=1.4×活荷载。

3.2.3 计算结果和分析

1）刚度验算

各种情况下的水平位移最大值如表1所示。

表1 竖向最大值位移值

由表1可知，最大水平位移发生在工况1，即荷载作用在排架顶部时，最大值为87.1mm，其与排架横向长度之比为f/L=87.1/50 000=1/574＞1/600，超出规范要求的4.3%，但小于5.0%，仍在安全范围之内。

2）锚杆拉力验算

各工况锚杆的轴向拉力最大值如表2所示。

由锚杆产生的最大拉力为3.13kN＜Nu=78.5kN，小于锚杆轴向受拉承载力设计值，满足要求。

表2 锚杆轴向拉力最大值

3）排架钢管内力及应力验算

由于排架整体尺寸过大，现仅绘出最大值所在钢管的内力及应力图。

各种工况下内力和应力的最大值，如表3所示。

表3 钢管内力和应力最大值

由表3可知，钢管的最大弯矩、最大剪力、最大应力均发生在工况1。由此可见，工况1即滚石撞在排架顶端为最不利情况。最大弯矩和最大剪力分别为1.45kN·m和2.54kN，而最大应力值为-196.4MPa＜[σ]=210.0MPa，满足规范要求。

本次关于排架的验算，包括了对锚杆的抗拉验算及排架的刚度、内力及应力的验算，通过以上验算可知，锚杆和竹排架的受力、变形都满足相关要求。

4 结语

综上所述，为确保既有线线路完好，不影响正常运行，本文所述工程综合上述验算及施工方案，采用钢管排架配合竹排进行防护，节省了成本，提高了施工工效，满足灌注施工的安全防护规定。