大截面钢轨抗滑桩应用关键技术研究及工程应用

闵征辉,邹德兵

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司, 湖北 武汉 430010;2.国家大坝安全工程技术研究中心, 湖北 武汉 430010)

抗滑桩是滑坡加固设计中最常用的措施，由于施工简单、快捷、对原始边坡的扰动较小，因此在滑坡治理中得到了广泛的应用[1]。近年来，苏先科等[2]、武玉婷[3]、王奎等[4]、陈武[5]在高速公路滑坡治理和李春波[6]、黄志平[7]在基坑支护中应用了微型钢轨抗滑桩，即在钻孔中放入1根～2根旧钢轨后用混凝土或水泥砂浆充填钢轨与孔壁间的空隙形成的桩。微型钢轨抗滑桩截面小，适用于滑坡推力不大，岩体较完整的岩质边坡，它比大截面抗滑桩有轻便、灵活、施工速度快等优点，但工程应用中存在旧钢轨抗拉强度取值较难、耐久性等问题，限制了大规模工程应用。

随着我国水电开发进一步向西南的大江大河、高山峡谷推进，很多工程位于大(巨)型滑坡附近，无法规避，必须进行治理。大(巨)型滑坡下滑力大，在采取截水、排水等措施基础上，往往还需要配合采用大截面抗滑桩进行治理。由于配筋率和钢筋抗拉强度的限制，大截面抗滑桩混凝土抗压强度并没有得到充分发挥。采用抗拉强度高(≥880 MPa)、抗弯性能好(工字型截面)的钢轨替代抗滑桩纵向受力钢筋，理论上可形成一种抗滑能力强、工程费用省的钢轨抗滑桩，但将钢轨应用于大截面抗滑桩中作为受力钢筋，存在以下几个问题[8-9]：

(1) 钢轨特别是旧钢轨抗拉强度取值难以确定。

(2) 钢轨表面是光滑的，类似于Ⅰ级光圆钢筋，与混凝土握裹力不足(受力钢筋要求用Ⅱ级及以上带肋钢筋)，抗滑桩承受滑坡推力产生变形后钢轨与混凝土可能脱开，发生“抽芯”现象，导致钢轨与混凝土不能联合受力。

(3) 在铁路上，鱼尾板(接头夹板)主要起导向作用，两根钢轨通过鱼尾板夹紧使其对准连接，防止错位导致火车出轨；为适应钢轨因温度变化而引起的伸缩，在钢轨与钢轨、钢轨与鱼尾板之间均有一定的间隙。这就使得钢轨之间采用鱼尾板连接后，顺钢轨长度方向仍有一定活动空间。因此鱼尾板连接类似“铰接”，而钢轨抗滑桩中的钢轨则要求采用刚性连接。

此外，现行的《43 kg/m～75 kg/m钢轨接头夹板订货技术条件》[10](TB/T 2345—2008)中，鱼尾板抗拉强度较钢轨偏低(抗拉强度为785 MPa或845 MPa)。在大型滑坡治理中，滑坡推力大，滑面深，钢轨标准长度一般为12.5 m或25.0 m，超过标准长度钢轨须接长，钢轨抗滑桩如采用鱼尾板连接则钢轨连接处是机械强度的薄弱处，不符合抗滑桩中钢轨需要等强连接的要求。

综上所述，目前大截面钢轨抗滑桩应用存在钢轨强度取值较难、钢轨与混凝土握裹力不足、鱼尾板连接刚度不够且连接处强度偏低等问题。

1 旧钢轨抗拉强度取值

1993年，我国铁路部门组织制定了《43 kg/m～75 kg/m 钢轨订货技术条件》[11](TB/T2344—1993)系列标准，但除了断面尺寸外，冶金系统采用的还是《铁路用每米38～50公斤钢轨技术条件》[12](GB 2585—1981)。直到2003年，铁路系统和冶金系统仍分别采用本行业制定的标准。

2003年，铁道部组织铁道科学研究院等单位，对上述标准进行重大修订，借鉴欧洲钢轨标准，结合我国钢轨生产厂技术改造实际情况和工艺技术水平，制定了《43 kg/m～75 kg/m钢轨订货技术条件》[13](TB/T 2344—2003)(以下简称“旧标准”)，用于运营速度为160 km/h及以下铁路钢轨的生产、采购和验收检验。自2003年以来，旧标准得到广泛应用，在我国铁路建设中发挥了巨大作用，并取得良好社会效果。旧标准中钢轨的力学性能指标见表1。

表1 旧标准中钢轨和HRB400钢筋力学性能

为适应我国高铁发展的需要，旧规范进行了修订，目前现行有效版本为《43 kg/m～75 kg/m 钢轨订货技术条件》[14](TB/T 2344—2012)(以下简称“新标准”)。新标准中钢轨的力学性能指标见表2和表3。

表2 新标准中热轧钢轨力学性能

表3 新标准中热处理钢轨力学性能

对比表1、表2及表3中钢轨和我们常用的HRB400的Ⅲ级钢筋的力学性能指标，钢轨抗拉强度是钢筋的1.63倍～2.37倍。考虑钢轨长时间使用后，存在一定的疲劳损伤，损伤类型包括磨损和疲劳裂纹[15-18]。旧钢轨力学性能指标相比新钢轨肯定有一定程度的下降，参考类似工程经验，旧钢轨抗拉强度按新钢轨抗拉强度的70%考虑；同时参考《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》[19](GB/T 1499.2—2018)，考虑设计抗拉强度约为极限抗拉强度60%，最终推荐工程应用中旧钢轨设计抗拉强度取值见表4及表5。

表4 热轧旧钢轨抗拉强度值

表5 热处理旧钢轨抗拉强度值

根据表4、表5可知，即使是旧钢轨，设计抗拉强度也在369 MPa～537 MPa，比我们常用的HRB400的Ⅲ级钢筋抗拉强度高2.50%～49.17%。

2 旧钢轨加糙

为解决钢轨与混凝土握裹力不足问题，需对旧钢轨表面进行加糙，加糙步骤如下：

(1) 钢轨选择。钢轨加糙前，挑选、检查旧钢轨。首先，人工肉眼排除存在裂纹、弯曲严重的旧钢轨。然后，采用超声波对钢轨内部缺陷进行检测[20-21]，排除存在内部损伤的旧钢轨；必要时可以进行拉伸试验。经过检查合格后的旧钢轨清除表面污物，做除锈处理后准备加糙。

(2) 钢轨加糙。沿钢轨上、下、左、右共4个表面，每隔一定间距帮焊一段加糙钢筋(见图1)，加糙钢筋直径和间距根据受力情况确定。

图1 钢轨加糙示意图

加糙采用焊接效果较好、适合钢轨焊接的连续闪光焊[22-23]，焊后在干燥环境下自然冷却至常温。经现场焊接试验多次比较，铁路钢轨专用焊条焊接质量最佳。加糙不得对钢轨本身造成损伤，加糙后钢轨表面不应有裂纹、明显压痕、划痕、踫痕、打磨灼伤等伤损。

经过现场检验，本钢轨抗滑桩的钢轨加糙工艺，简单易行、经济适用，可有效解决钢轨与混凝土握裹力不足的问题，防止受荷后钢轨与混凝土脱开，发生“抽芯”现象，解决了钢轨抗滑桩工程应用中存在的安全隐患。

3 钢轨制安

经过加糙后的旧钢轨可作为抗滑桩中的纵向受力钢筋，但旧钢轨标准长度通常为12.5 m、25.0 m，为满足抗滑桩纵向受力钢筋长度要求,必须进行连接。

(1) 钢轨连接。钢轨的连接采用专用钢轨连接器，见图2及图3。施工时应注意，配置在钢轨抗滑桩“同一水平截面内”受拉区的钢轨接头数(钢轨连接器的个数)不超过钢轨总数的50%。

图2 专用钢轨连接器立视图

图3 专用钢轨连接器横剖面图

专用钢轨连接器与鱼尾板类似，但相比铁路行业的鱼尾板连接，它有以下优点：①与钢轨腹板贴合紧密且连接处没有间隙；②配套的螺栓与钢轨和连接板上孔眼尺寸一致；③选用高强材质。专用钢轨连接器属于机械连接，施工简单快捷、连接牢固可靠，具有良好的经济效益和社会效益。

(2) 钢轨下放。因井内焊接作业条件差,一般在地面一次接好,利用井架上的提升滑轮配以长臂吊车将钢轨下放或专用卡具下放。

(3) 钢轨固定。由于钢轨长且重,定位及固定其间距较困难,操作时在井内每5 m～8 m设一道定位钢筋。定位钢筋一般两端插入护壁混凝土土内，钢轨定位准确后采用铁丝绑扎固定。

钢轨的轨底应迎向滑坡下滑方向，钢轨横截面中轴线方向与抗滑桩长边方向一致。

钢轨抗滑桩除钢轨安装外，其它施工工艺同普通抗滑桩。

4 工程应用

构皮滩水电站石棺材崩坡积体位于大坝下游左岸，泄洪洞出口上方。平面上呈不规则的长方形，南北长260 m～310 m，东西宽230 m～280 m，分布面积7.2万m2，体积约110万m3，崩坡积体厚度变化较大，一般15 m～25 m，最大达58.3 m。

构皮滩水电站开工前，石棺材崩坡积体未出现变形。水电站开工后，左岸施工道路特别是箐马公路的修建对崩坡积体构成较大扰动，加上暴雨作用，2002年曾诱发了崩坡积体局部变形，产生了6个变形体，其中以1#和4#变形体最为危险。后经采用抗滑桩、回填反压、排水、坡面防护等措施对其进行了综合治理，治理完成后整体稳定性较好，但仍存在局部变形。

由于构皮滩通航建筑物布置需要，将对石棺材崩坡积体坡脚压重进行开挖，开挖量11万m3，挖断箐马公路，挖除1#变形体已有抗滑桩、箐马公路内侧浆砌石挡墙及格构护坡，挖除4#变形体坡脚抗滑桩，将对石棺材崩坡积体产生强烈的扰动，极有可能再次引发变形体变形，甚至诱发崩坡积体的整体失稳。

(1) 工程治理方案。经过大量计算分析后，工程治理采取以2～3排大截面钢轨抗滑桩为核心的支挡方案，具体支护措施及监测设施布置见图4。

图4 石棺材崩坡积体治理及监测布置示意图

(2) 监测成果分析。石棺材崩坡积体布置了测斜孔、多点位移计等监测设施，工程完工后，经过近8年运行期监测，数据如下:

① 测斜孔。崩坡积体下滑方向水平位移变化小，最大累计合位移为约20 mm，没有出现异常的波动，测斜孔典型位移曲线见图5。

图5 EL.661.18 m测斜管IN09SGC位移曲线

② 多点位移计。整体变形量不大，最大变形量为-0.98 mm～8.41 mm,现基本已趋于稳定状态。典型多点位移计位移过程曲线见图6。

图6 典型多点位移计位移过程曲线

(3)运行情况。2014年7月14日—18日，4 d时间内乌江渡—构皮滩区间面降雨量181.3 mm，构皮滩水电站枢纽区降雨量254 mm，降雨强度约为100年一遇，崩坡积体内地下水位超过设计稳定计算地下水位，但是监测数据显示，石棺材崩坡积体变形较小，依然保持稳定。

(4) 结论。经过8年监测数据分析及2014年暴雨工况检验，可得出结论：石棺材崩坡积体采用大截面钢轨抗滑桩进行治理是十分成功的。

5 结 语

(1) 类比钢筋强度比值关系，旧钢轨根据钢排号不同，设计抗拉强度可取为369 MPa～537 MPa，比我们常用的HRB400的Ⅲ级钢筋抗拉强度高2.50%～49.17%，且价格较HRB400钢筋便宜，经济性更好。

(2) 钢轨抗滑桩的钢轨加糙工艺，简单易行、经济适用，可有效解决钢轨与混凝土握裹力不足的问题，防止受荷后钢轨与混凝土脱开，发生“抽芯”现象，解决了钢轨抗滑桩工程应用中存在的安全隐患。

(3) 专用钢轨连接器施工简单快捷、连接牢固可靠，且连接刚度大，符合钢轨抗滑桩中钢轨刚性连接的要求，有利于钢轨抗滑桩的推广应用。