某既有铁路桥墩的加固设计

赵冠刚 张宗鲁 聂 磊 王 康

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250022)

1 概述

某地方铁路于1992年建成通车，其中，跨越老清河时采用6孔20 m钢筋混凝土简支T梁，下部采用钢筋混凝土圆端形板式桥墩，墩台均为扩大基础。由于当地多年对河道无序采砂，使河床平均下切3 m多，桥墩基础成为浅基。2011年7月当地遭受特大暴雨，洪峰过后桥墩基础均有不同程度的裸露，其中，2号墩横向发生倾斜(基础底至墩顶中心线偏移0.10 m，与线路中心线偏移0.07 m)，并导致了铁路临时停运。经相关部门抢险(采用83式军用墩支承2、3孔梁，对2号墩进行部分卸载)通车后，由我单位进行2号桥墩的加固及全桥浅基处理设计。

2 设计思路

既有桥修补加固工程一般规模较小，但往往时间紧迫，且施工及运营的安全压力大。在以往既有桥加固工程中，各单位一般根据各自经验并参照其他行业规范进行设计，结构的安全储备、工程的经济合理性指标等不甚统一。

本例工程为老清河大桥2号墩(横向发生微倾)的加固设计，总体设计思路如下。

(1)根据现状河流的状态，重新进行河道的水力计算，作为现状浅基防护及桥墩加固的依据。

(2)选择2号桥墩的加固利用方案，进行桩基及植筋的计算，保证加固后桥墩稳定。

(3)选择2号墩上部梁跨的支护方法，并进行梁部及临时支墩的结构验算。

(4)选择基坑降水及开挖支护方案。

3 加固设计

为保证2号墩不再倾斜而保持稳定状态，需对其进行加固设计。主要设计内容包括:浅基防护水力计算、桥墩加固及桩基计算、植筋计算、T梁及83式军用墩检算、基坑开挖支护计算等项目，其中涉及的计算内容多，技术含量高，工作量大。主要设计过程分述如下。

(1)浅基防护水力计算

该桥按50年一遇防洪标准设计，2011年雨季过后，现状河道的纵、横断面，利用《铁路工程水文勘测设计规范》(TB10017—99)的3.6.2和3.6.6系列公式，重新计算河道的水力特征值并与原设计值相比较(见表1)。

表1 水利特征比较

由表1数据可知，根据一个雨季周期过后，实测河床断面计算的水力特征值，表明桥墩扩大基础的埋置深度已远不能满足相关规范的要求，必然影响桥墩基础的稳定，并对桥梁和铁路运输安全造成威胁，故必须进行全桥浅基防护处理。

(2)桥墩加固及桩基计算

本桥已建成通车近20年，桥墩的使用状况和外观质量均良好，根据经验判断外观质量合格。

根据《铁路桥涵设计规范》(TB10002.1—2005)第5.3节及《铁路工务技术手册－桥涵》(1992年2月第二版)第七章第七节第四部分(表7－7－5)判断，倾斜后桥墩横向垫石边缘至支座底板的距离由原0.30 m减小为0.27 m，但仍大于规范[1］0.20 m的规定值，故桥墩仍满足结构性需要，所以不必进行纠偏。

桥墩采用增补桩基加固法:在既有桥墩扩基左右两侧各增设2根基桩，扩基四周设钢筋混凝土承台包裹，为满足刚性角的要求承台设为2层。采用规范“m”法计算确定为4根直径1 m的摩擦桩，桩长21 m。

采用MADIS分别建立原桥墩和加固后桥墩计算模型(如图1)，计算结果为:墩身混凝土及钢筋应力、墩顶位移等指标均满足原设计要求，且墩顶位移有较大程度的改善，故从材料性能角度判断，桥墩可以在倾斜状态下继续使用(见表2)，不需纠偏。

图1 桥墩计算模型

表2 桥墩检算结果对照

(3)植筋计算

新旧圬工的结合是本工程的难点之一，目前，铁路行业没有制定相关的加固设计规范，新旧圬的结合一般采用打牵钉的方式，缺少理论计算依据。

本例工程参照《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T J22—2008)、《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2006)和《混凝土结构后锚固技术规程》(JGJ145—2004)进行设计。桥墩加固采用植筋技术，选用直径为20 mm的HRB335钢筋。

植筋根数计算:桥墩基础底主要受竖向力(7 565 kN)影响，根据第四强度理论最大切应力[τ］=0.577[σ］，植筋的切应力为193 MPa，计算共需钢筋125根。

植筋验算:根据规范要求，对钢筋和基材混凝土进行受拉、受剪，以及受拉、剪作用下强度验算，确保钢筋和基材混凝土不发生破坏。

①植筋锚固深度

按规范公式计算，结果为Id=479 mm，取500 mm。

②基材混凝土的抗剪承载力设计值

按规范公式计算，设计值Vc=8 591.6 kN＞基底处外力为7 565 kN。

由以上结果可知，钢筋、基材混凝土都不会发生破坏，设计满足要求。

(4)T梁及83式军用墩检算

抢险时采用83式铁路轻型军用墩，作为2、3孔梁的临时支点，部分卸除2号墩的上部荷载，虽能保证全桥限速10 km/h的通行需要，但各墩受力分配不明确。

施工需完全卸载2号墩上部荷载，而既有2、3孔梁亦成为悬臂梁，故需对梁及83式军用墩进行受力检算，并应保证梁及临时墩的绝对安全，采用MADIS建立空间模型(如图2)，计算(结果见表3、表4)。

图2 临时墩支承梁体计算模型

表3 八三式铁路轻型军用桥墩检算结果

表4 20 m钢筋混凝土T梁验算结果

(5)基坑开挖支护设计

基坑开挖时2号墩基础仅留0.5 m埋入土中，其他部位与四周土体完全剥离、裸露，失去了侧向土体的支承，是施工过程中的危险环节之一，故基坑开挖的安全防护尤为重要。设计采取了以下几个主要措施:①在基坑开挖影响范围内注水泥砂浆封堵地下水，同时加固基础下土层;四周设大口井，辅助降低地下水位至设计基底下1 m。②在2号桥墩横向倾面设H形钢辅助支承顶撑墩身。③基坑开挖时，坑壁采用钢板桩围堰进行支护，围堰间适当增设横撑。④建立观测点，实时观测墩身及地表变形情况;制定全面的应急预案，及时处理突发情况。

4 结束语

工程竣工通车后，经半年的持续观测，桥梁使用状态良好，且列车运行的平稳性有所提高，运营条件有所改善。根据本工程采取的设计措施及取得的实际效果，笔者认为有以下几点经验值得肯定。

(1)2号墩采用增补桩基加固法，既保证了桥墩的稳定，又大大提高了其整体刚度，改善了铁路运输条件，故在既有浅基桥梁的处理中，增补桩基加固法可为首选方案。

(2)新旧圬工结合采用的植筋技术效果很好，说明建设部等部门颁发的相关行业规范、标准，对铁路工程也是适用的。

(3)83式军用墩为标准杆件模数化制作拼装，其重复利用率高、性能稳定、地基适应性强，与钢管混凝土、万能杆件等支承形式相比，经测算可节省支承工程费约4%，故可作为临时支墩的首选。采用注水泥浆(加水玻璃)封堵地下水并加固地基，也达到了较好的效果，说明在细圆粒土层中采用注浆的办法是可行的。

[1]铁道第三勘察设计院.TB 10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S］.北京:中国铁道出版社，2005

[2]中铁工程设计咨询集团有限公司.TB 10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S］.北京:中国铁道出版社，2005

[3]铁道第三勘察设计院.TB 10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范[S］.北京:中国铁道出版社，2005

[4]铁道第三勘察设计院.TB 10017—99 铁路工程水文勘测设计规范[S］.北京:中国铁道出版社，1999

[5]铁道部工务局.铁路公务技术手册-桥涵[M］.北京:中国铁道出版社，1992:266-267

[6]中交第一公路勘察设计研究院有限公司.JTG/T J22—2008 公路桥梁加固设计规范[S］.北京:人民交通出版社，2008

[7]四川省建筑科学研究院.GB50367—2006 混凝土结构加固设计规范[S］.北京:中国建筑工业出版社，2006

[8]中国建筑科学研究院.JGJ145—2004 混凝土结构后锚固技术规程[S］.北京:中国建筑工业出版社，2004