阮继红

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055)

1 概述

铁路小桥涵,系指横穿铁路路基,用以排洪、灌溉或作为通道的建筑物。近年来,随着铁路建设的快速发展,小桥涵的设计量越来越大,譬如在最近的某条大铁线上涵洞就达3000个之多,其他线路中,几百个涵洞的情况也屡见不鲜,其中框架涵的运用最为广泛(《铁路桥涵设计基本规范》5.4.3条：涵洞宜采用框架涵),个别地方也采用圆涵。但是小桥涵设计因其量大,构造相对简单,往往被忽视,出现较多的质量通病。某线15处涵洞由于流水面高程过低,下游堵塞,导致涵渠冲刷、积水,周边设施损坏,危及路基稳定；某线部分排洪涵出入口与两侧地面或既有水沟顺接不良,排洪涵出入口沟床与上下游排水系统不能衔接,地表水不能归槽；某线由于汇水面积计算不准确,导致孔径定的过小,临时扩孔,带来了很多弊端；某线涵洞设计入口黄土陡坎的刷坡、顺沟长度不足,造成上游引水不畅。

这些涵洞建成后有的无法使用,有的对路基,周边构筑物,及周边水系带来破坏,有的很快损坏,造成巨大损失和不良影响,而且给维修带来极大的困难,造成了养护成本的极大提高,并严重威胁铁路行车安全。笔者结合铁路小桥涵设计实践,就设计中的质量通病进行分析,并提出解决办法。

2 铁路小桥涵主要设计质量通病及解决办法

2.1 涵洞在线位的位置和涵洞孔径大小的确定

涵洞在线位上位置的合理确定对整条线路的排水系统,对涵洞功能的发挥至关重要,孔径大小也是满足使用功能的重要因素。

2.1.1 存在的问题

(1)涵洞设置的遗漏,造成施工变更及造价增加。

(2)涵洞的位置不合适,施工中不断变更；

(3)涵洞的孔径不合适,无法满足交通或排洪要求；

(4)涵洞与线路法向的夹角不合适,影响交通或排水。

2.1.2 问题分析及解决办法

(1)问题分析

在一条几百千米或上千千米的铁路两旁,或是村庄,或是农田,或是丘陵,需要在线位上布置若干涵洞满足周围群众的需要,同时也满足铁路安全性的需要,并满足两个涵洞的距离不小于30 m的要求[2]。但是某些线上经常出现遗漏数个涵洞,或出现涵洞设置的方案到施工现场被当地政府和群众推翻,有的是排洪出口冲着老百姓的鱼塘,有的是交通涵设置的位置给当地群众生活带来不便；有的对地形、地物、管线改移等调查位置不准,数量不清；还经常出现交通涵做大了,造成浪费,或做小了,不能满足通车的需要；对于排洪的涵洞,出现比流量要求的净空过大或过小的情况。这些一方面是由于勘察不到位,跟当地政府和群众没有细致有效地沟通,并签订立交协议和灌溉协议,一方面是在设计过程中,没有认真参照调查表和协议。

(2)解决办法

①在勘察过程中须详细调查,和当地群众细致沟通,考虑他们的需要,对地形地貌详细的记录和描述,明确涵洞的功能,明确涵洞位置,孔径大小,签订完善立交或灌溉协议；

②根据地势状况、交通状况、水流方向、选择涵洞与线路的夹角,让涵洞的出入口顺接地形地貌,线路法向与涵位的夹角不宜大于45°,大于45°取45°[10]；

③在设计过程中要反复核对调查表,根据实际的勘察资料对地面的状况和线路提供的平面图仔细核对,对于立交或灌溉涵洞,根据协议的要求,不小于协议要求的净宽、净高。对于排洪涵洞,在1∶10 000图上圈出汇水面积,计算出设计流量,初步确定孔径大小,不能盲目出图。

2.2 流水面高程的确定

2.2.1 存在的问题

(1)灌溉涵的流水面高程不正确,无法顺接天然沟渠；

(2)交通涵底板顶面高程不正确,和既有道路无法顺接,导致出现大的填挖土方,或净空不满足协议要求；

(3)流水面高程不正确,路基的排水无法顺入涵洞,雨水长期浸泡路基,带来路基危害,危及行车安全；

(4)需要下挖的涵洞,由于流水面高程不正确,导致涵洞内积水无法排出；

(5)涵洞两侧都是隧道的情况,由于流水面高程的不正确,涵洞的水倒灌进入隧道；

(6)流水面高程的不正确,轨底到涵洞顶板顶的填土厚度不满足最小厚度的要求。

2.2.2 问题分析及解决办法

流水面高程的不合理为工程留下隐患：

(1)对于灌溉涵和排水涵,流水面高程宜设定于天然沟渠下20～30 cm；

(2)对于交通涵,按照回填,做耐磨层后可以顺接天然路面的原则来确定底板顶的高程,同时还应保证回填后的净空满足协议的要求；

(3)与路基、线路专业及时沟通。若出现线路变化、路基边沟排水变化的情况,应及时调整流水面高程,保证路基的排水通畅[8]；

(4)对于下挖的涵洞,要在出口平面处找到一个较流水面高程低的合适的地形来保证水流顺畅排出,并藉此确定流水面高程。

(5)对于两侧都是隧道的涵洞,应与隧道专业及时沟通,计算涵内最高积水面的高程,如果大于隧道要求的高度,应调整流水面高程,直到满足隧道的要求。

(6)有些涵洞,出现最小填土厚度不够的情况,需要调整下挖量,调整流水面高程,同时根据需要调整孔径大小。

2.3 涵洞的特殊地基处理

在设计中,经常出现不良地基,如湿陷性黄土,软土地基,饱和黏土及液化地基,溶洞区地基。小桥涵的地基处理,在不少工程设计中没有得到很好的解决,有的涵洞还因此塌腰积水,甚至开裂。现在很多客运铁路对地基沉降提出了严格的要求,地基处理方案的选择,直接关系到涵洞在线路的位置选取,涵洞结构形式的确定。针对不同的地质条件,提出以下工程措施,供设计参考。

2.3.1 湿陷性黄土

湿陷性黄土属于黏性土,这种土质浸入水中,很快崩解,会产生较大的沉陷,又称为大孔土,分为自重性湿陷性黄土和非自重性湿陷性黄土,根据不同情况,应采取相应的措施满足沉降控制的要求。

(1)基底至湿陷性线厚度≤3 m时，若基底土层为1、2级非自重性黄土,按换填1.5 m三七灰土处理；若基底土层为自重性黄土,则非湿陷性线以上全部换填三七灰土[7]。

(2)基底至湿陷性线厚度大于3 m时，①若基底土层为1、2级非自重性黄土,按换填3 m三七灰土处理；若基底土层为自重性黄土,则改用φ0.5 m灰土挤密桩处理。处理基础范围为基础边缘外加1～2排桩。

出入口端墙,翼墙部分的基础处理,应与主体工程相同。另外,沉降缝的防渗非常重要,沉降缝处均应设置止水带,有效防止水渗入基础。

2.3.2 软土地基

软土主要是由天然含水量大,压缩性高,承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖物质所组成的土。

⑴当基底下软土层厚度不大时,可将软土层全部挖除,换填砂砾石。

⑵当软土层4 m以上时,可采用碎石挤密桩或CFG桩处理。CFG桩和桩间土一起,通过褥垫层形成CFG桩复合地基共同工作。碎石挤密桩或CFG桩的桩径为0.5 m,采用梅花形布置,桩间距为1.2～1.4 m[6]。处理基础范围为基础边缘外加1～2排桩。两者的选择可参考相邻路基的地基处理。涵洞的工后沉降限值与相邻路基一致[4]。

2.3.3 饱和黏土及液化地基

基底土层为饱和黏土及液化地基通常采用碎石挤密桩来处理。挤密碎石桩与桩间土形成复合桩,提高了地基承载力,也提供了竖向排水通道,利于水层排出[9]。碎石挤密桩通常采用桩径0.5 m,桩间距1.3～1.4 m,基底换填0.5 m级配碎石,梅花形布置。基础外边缘扩大2～3排桩。对液化地基,扩大宽度不小于液化土层1/2厚,并不应小于5 m。

2.3.4 溶洞区地基

在溶洞区设置涵洞,采用注浆处理是目前常用的有效方式,注浆孔一般为Φ90 mm,桩间距一般为2.5～3.5 m。处理基础范围为基础边缘外扩3.5～5.5 m左右。

2.4 基础形式的选择

2.4.1 存在的问题

(1)基础埋深不够,在冻土区易出现冻裂现象；

(2)分离式基础和整体式基础选用不合理。

2.4.2 解决的办法

(1)出入口及过渡涵节在冻胀地区基底埋深应在冻结线下0.25 m[3],中间涵节的基础埋深可取出入口埋深的0.8倍左右。

(2)当抗震等级要求不高,地质条件良好,线路方向与涵夹角较小,孔径在6 m以上可采用分离式基础,其他情况宜采用整体式基础；

(3)湿陷性黄土地区的小桥涵,必须采用整体式基础。整体式基础示意见图1，分离式基础示意见图2。

图1 整体式基础示意(单位：cm)

图2 分离式基础示意(单位：cm)

(4)多年冻土地基通常采用钻孔钢筋混凝土桩,并以刚性承台连接群桩[5]。

2.5 涵洞预留上拱度设置

2.5.1 出现的问题

(1)预留上拱度设置量偏大或偏小；

(2)中心流水面高程加预留上拱度大于入口流水面高程。

2.5.2 解决的办法

⑴根据不同土质采用不同的数值,碎石土,砂砾,粗纱,中砂,细砂采用H/80,半干硬状态的,硬塑状态的黏性土及老黄土采用H/50[1],不良地基按合适的措施处理好后,可以取H/80,H为线路中线处自涵洞流水槽面至轨底的高度。

⑵采取适当加大流水面坡度,保证预留上拱度加上中心流水面高程小于入口处流水面高程。

2.6 其他经常出现的几种涵洞设计

2.6.1 接长涵洞的设计

当新建线位旁边毗邻既有线路,既有涵状况良好时,通常会出现既有涵接长的情况。常出现的问题：接长涵洞的流水方向和既有涵不对应；接长涵洞和既有涵的底板顶不顺接；接长涵洞和既有涵的接缝处的沉降缝未处理好；新线和既有线之间的路基边沟的排水不通畅；既有线路基没有保护措施,出现塌方等。解决的办法如下。

(1)对既有涵详细调查,准确确定既有涵的流向、孔径大小、顶底板高程；

(2)接长涵洞的流向和既有涵保持一致,底板顶的高程顺接既有涵底板顶。

(3)接长涵洞与既有涵洞之间的顶板高差应采用混凝土挡块,并做好相接处的沉降缝的设置和防水工作。

(4)施工时既有线应采用钢轨桩进行防护,保证既有路基的安全。

2.6.2 站场内涵洞的设计

常出现的问题：涵洞长度不够；涵洞平面位置、斜交角度与站平面或房屋发生冲突；站场内其他站线高程与涵洞高程出错,导致填土高度计算错误,涵洞结构尺寸错误,引发质量事故。解决办法如下：

(1)必须用站场横断面戴帽,保证涵洞长度；

(2)仔细研究站场平面图,避开站场建筑物,确定涵洞位置,斜交角度；

(3)填土厚度关系到结构尺寸的计算,轨底高程务必清晰。

2.6.3 出入口需要处理的涵洞

常出现的问题：入口处有陡坡,水流无法顺入涵洞,危及到线路的安全；出口地质情况不佳,沟底冲刷过大,水不能及时排出,危及涵洞主体工程和路基安全。解决办法如下：

(1)入口处有陡坡,无法采用开挖土方顺坡时,常需要采用跌水井或急流槽处理。跌水井通常采用混凝土浇筑而成,急流槽通常采用浆砌片石,既要保证涵洞入口水流通畅,不积水,又要保证跌水井和急流槽结构本身的安全性。

(2)出口处通常做梯形截面的浆砌片石槽引导水流按合适的速度排出。铺砌的长度根据地质,地形地貌和水流流量和速度大小而定。

3 结语

小桥涵的设计关系到线路的安危,关系到线路周围水害的避免,关系到今后养护的难易,设计中在线路上正确布置涵洞的位置,涵洞孔径大小合理选择,流水面高程与周围地势,周边水系相适应,地基处理和基础选择要满足沉降的要求。无论是结构尺寸，还是构造细节,还是地基处理均应充分考虑建造条件,合理选择。

[1]中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005 铁路桥涵基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[2]中华人民共和国铁道部.铁建设[2007]47号,新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2007.

[3]中华人民共和国铁道部.TB10002.5—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]陈 列.对客运专线涵洞设计的探讨[J].铁道标准设计,2006(8):31.

[5]赵冠刚,龚爱军,袁永红.两伊线多年冻土地基的涵洞基础设计[J].铁道标准设计,2006(8):31.

[6]孙劲松.CFG桩在时速200 km客货共线铁路上的应用[J].铁道标准设计,2006(8):9.

[7]吴向明.晋中南山区黄土地层铁路桥涵设计[J].铁道标准设计,2011(2):82.

[8]杨永清,赵作林,王可宣.有关铁路路基排水问题的思考[J].中国勘察设计,2010(9).

[9]王景亚,高艺萌,强 夯.挤密碎石桩对液化地基的处理[J].中国新技术新产品,2010(17).

[10]时丽霞.通过配合秦沈线施工对桥涵勘察设计中的常见问题分析[J].铁道工程学报，2005(3).