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。

钢管竹排架主要由钢管50mm×3.5mm、3m长竹排和22钢筋锚杆结合而成。钢管纵横间距分别为1.0、1.2m, 在每个钢管的交叉点与22钢筋锚杆连接。锚杆长度为3.0～4.5m, 锚固在边坡岩体内, 锚固长度满足计算要求, 有效长度大于2.5m, 且外露部分利用50mm钢管外套, 避免锚杆受剪力而被破坏。钢管竹排架底部置于排水沟沟底, 个别位置采用厚20mm钢板铺垫, 保证其基础稳定性, 顶端采用16mm钢丝绳拉锚固定, 每10m固定1道, 钢管竹排架为双排架, 两排架之间采用短横杆连接, 再将钢管竖、横杆的内侧绑扎竹排封闭, 形成“全封闭钢管排架防护体系”。

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

根据设计资料, 采用22mm锚杆, 锚杆部分外露出岩体, 有效锚杆端长度为2.5m, 水泥砂浆为M30, 既有线边坡的岩体由强分化和弱风化泥岩夹砂岩组成, 分别计算锚杆与浆体间的轴向受拉承载力设计值和浆体与岩体间的轴向受拉承载力设计值, 最终选择其中较小值作为锚杆的极限承载力。

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q_s=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q_s=0.3MPa, 则计算如式 (3) 所示:

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, N_u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;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, 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, N_u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;为钢筋系数, 单根根根

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, , 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TB10025—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N_u=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。

本次验算采用Midas结构分析软件。50mm钢管模拟成梁单元, 锚杆主要受拉力作用, 因此模拟成只受拉单元, 梁单元共5 424个, 只受拉单元共810个, 节点共3 086个。根据资料所给的构件截面, 钢管采用50mm圆截面, 锚杆采用22mm圆截面。

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。

各种情况下的水平位移最大值如表1所示。

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。

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<N_u=78.5kN, 小于锚杆轴向受拉承载力设计值, 满足要求。

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。

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, 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。

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。