盛敏峰

（中铁二十二局集团第三工程有限公司，福建 厦门 361000）

1 工程概况

宁波穿山港铁路穿山港集装箱货运站濒临宁波舟山港四期国际码头，进站方向及咽喉区约1km 设计为路堑九级高边坡，高度达88m，挖方约210 万m³。一级边坡及以下支挡结构设计为挡土墙、桩板墙和桩间挡墙结构，抗滑桩142 根，约1.8 万m³。

1.1 支挡结构及边坡防护设计

路堑高边坡一级边坡以下支挡结构设计为路堑挡土墙、桩板墙和桩间挡墙结构： 1）路堑挡土墙。深路堑两侧段高度8.5m 及以下支挡结构设计为C30 片石混凝土挡墙，墙高3.0m～8.5m，墙胸、背坡率1：0.25。2）桩板墙及桩间挡墙。路堑中间段高度大于8.5m 支挡结构设计为C40 钢筋混凝土抗滑桩及C30 片石混凝土桩间挡墙支护，桩间板采用预制C40混凝土槽形板，抗滑桩间距5.0m，桩长16m～20m，桩截面为2m×2.25m 和2.25m×2.5m 两种类型。3）路堑边坡防护。①框架梁、锚墩预应力锚索护坡。预应力锚索长15m～17m，纵向间距3.0m，竖向垂直间距3.0m、3.5m，倾角15°，锚固段长8m。基岩强风化堑坡采用框架梁锚索；基岩弱风化堑坡采用“锚墩+锚索”结构。②框架梁锚杆护坡。锚杆长12m，单孔采用2 根Φ25mmHRB400 钢筋。

1.2 工程现场岩层岩性特征

自上而下依次为：1）Q粉质黏土。灰黄色，硬塑，σ=180kPa；2）J熔结凝灰岩。全风化，灰黄色，=250kPa；3）J熔结凝灰岩。强风化，黄褐色，=500kPa；4）J熔结凝灰岩。弱风化，青灰色，=1000kPa。

地下水主要为第四孔隙潜水，不甚发育，水位埋深0.5m～2m。地下水环境作用等级：二氧化碳侵蚀H1，氯盐环境L2。

深路堑边坡开挖至第三级时，组织地质工程师对路堑边坡开挖面的岩层节理发育情况进行调查，并对节理裂隙的走向、倾向、倾角和条数进行统计，绘制节理玫瑰花图。发现堑坡岩层为凝灰岩，岩性较好，岩体较完整，裂隙弱发育，无裂隙水。调查成果发现边坡不存在顺层和不利的结构面。现场地质调查统计表见表1。

表1 现场地质调查统计表

2 方案优化的目的

为解决施工环境干扰、工期、安全等风险，进行支挡结构的方案优化势在必行，优化目的：1）地下有限空间作业，基岩裂隙水较发育，避免地下与地上交叉施工带来的安全风险。2）避免桩体开挖爆破对附近老旧房屋和已完工的防护结构带来严重爆破振动危害。3）有利于节约施工工期。解决抗滑桩爆破施工工期长，无法满足通车工期的问题。4）有利于高边坡施工快挖快防护，降低施工安全风险。5）有利于坡面防护结构形式统一，更加美观。工程地处国际港口区，保持边坡绿化美观对提升港口区环境生态有重要意义。

3 方案优化的设想

3.1 优化原则

坚持有利于高边坡稳定，保障工程质量安全以及降低工程造价、减少施工工期、节约施工成本的原则。

3.2 优化方案设想

根据现场工程地质特性、路基支挡工程经验及类似工程案例，将支挡结构方案进行优化。

一级边坡以下支挡结构桩板墙、桩间挡墙优化为“预应力框架锚索+土钉墙”复合结构。

一～三级边坡防护采用“锚索+锚墩”结构的方案变更“锚索框架梁”结构，与三级边坡以上防护结构相统一，有利于结构稳定和美观。

4 土钉验算

根据《铁路路基支挡结构设计规范》（TB 10025—2012）进行土钉墙结构设计研究。

4.1 水平土压力计算

土钉墙最大高度为=11m，根据边坡及土体相关参数，由式（1）计算库伦土压力系数。

式中：λ为库伦土压力系数；为墙背土体内摩擦角，取=45°；为墙背摩擦角，取=22.5°；为墙顶边坡与水平夹角（一级平台1 ∶1 坡度），取=45°；为墙背与竖直面夹角（墙体坡比1 ∶0.2），取=11.31°；为土的容重，取=20kN/m。

由式（1）计算得库伦主动土压力系数λ=0.326。

作用于土钉墙面板土压应力呈梯形分布（图1），计算水平土压力如下。

图1 土压应力计算模型

式中：为水平土压应力；λ为库伦主动土压力系数；为墙背摩擦角，取=22.5°；为墙背与竖直面夹角（墙体坡比1 ∶0.2），取=11.31°；为边坡岩土体重度，取=20kN/m。

由式（2）计算可得，水平土压力=46.39kPa。

4.2 土钉拉力计算

由式（3）计算土钉水平拉应力。

式中：E为第层土钉的计算拉力；S为土钉水平距离，取1m；S为土钉垂直距离，取1m；为土钉与水平面夹角，取=15°。

由式（3）计算可得，E=48.59kN。

4.3 土钉墙内部稳定计算

土钉选用Φ28mm 的HRB400 钢筋，其抗拉强度设计值f=360kN·m。

土钉抗拉力由式（4）求得。

式中：T为土钉钉材抗拔力；d为土钉直径，取28mm；f为土钉抗拉强度设计值，取360kN·m。由式（4）计算得：T=221.7kN。

式中：为土钉抗拉断安全系数），满足要求。

取土钉有效锚固长度l=4.5m（岩层中的有效锚固长度不宜小于4.0m），钻孔直径d=110mm，土钉与孔壁界面岩土抗剪强度，根据规范土钉与注浆体之间黏结强度设计值取=300kPa，土钉直径d=28mm，

土钉与砂浆间的黏结强度，根据规范取τ=2700kPa，土钉的抗拔稳定计算：

式中：F为土钉有效锚固力；d为土钉钻孔直径；l为土钉有效锚固长度；为土钉与注浆体之间黏结强度设计值。由式（5）计算得：F=466.5kN。

式中：F为土钉有效锚固力；d为土钉直径；l为土钉有效锚固长度；τ为土钉与砂浆间的黏结强度。由式（6）计算得：F=1069kN，取F和F中最小值F=466.5kN 计算，则F/E=9.601＞=1.8（土钉抗拔安全系数），满足要求。

土钉锚固区与非锚固区分界面（潜在破裂面）如图2 所示。潜在破裂面的距离应按下式计算。

图2 锚固区与非锚固区分界面示意图

土钉墙内部稳定性计算模型如图3 所示。

图3 挡土墙内部稳定性计算模型图

式中：为岩土的黏聚力；为岩土的内摩擦角；为分条（块）的潜在破裂面长度；为分条（块）质量；为破裂面与水平面夹角；为土钉轴线与破裂面的夹角；为土钉的抗拔能力，取和中的小值；为实设土钉排数；为土钉水平间距；为施工阶段及使用阶段整体稳定系数。

由式（7）计算得=5.33＞（施工阶段取1.3，使用阶段取1.5），满足要求。

土钉墙外部稳定性检算可将土钉及其加固视为重力式挡墙进行计算，根据规范稳定性检算方法进行抗倾覆、抗滑动及基底承载力检算。经计算，结果满足要求。因此，土钉选用28mm 的HRB400 钢筋，长度8.5m，有效锚固长度4.5m，纵、横间距均为1m。

5 实施方案的确定

5.1 一级边坡及以下支挡结构方案

一级边坡及以下支挡结构采用“预应力框架锚索+土钉墙”结构方案。

土钉墙。土钉墙高6m～10m，墙面胸坡坡率1 ∶0.2，土钉采用1 根28mm 的HRB400 钢筋，长8.5m，纵、横向间距1.0m，与水平方向夹角15°，土钉孔直径110mm，孔内灌注M40 水泥砂浆。墙体面板采用C35 钢筋混凝土，厚度50cm，内配双层钢筋网片，采用16mmHRB400 钢筋，间距200mm；墙体设50mmPVC 管泄水孔，间距2.0m，梅花形布置，墙身沿线路方向每隔6m～10m 设一道伸缩缝。

5.2 预应力框架锚索

土钉墙面板上设预应力框架锚索，框架梁采用C40 钢筋混凝土现浇，纵、横梁截面尺寸均为0.4m×0.4m，预应力锚索纵、竖向间距为3.0m，锚索与水平面夹角15°，锚索孔深16.5m～20.5m，锚固长度9m，锚索采用4 根1860MPa 的φ15.24mm 钢绞线制作，锚孔直径130mm，内灌注M40 水泥砂浆。

5.3 一～三级边坡防护进一步加强的措施

因支挡结构方案的优化以及一、二、三级边坡岩质破碎，岩层裂隙较发育，为了进一步加强一、二、三级边坡的防护措施，将原设计的“锚索+锚墩”结构采用进一步加强的措施：第一～三级整个边坡原设计的锚索防护“锚索+锚墩”结构优化为“锚索框架梁”结构，锚索长度均加长1m。

5.4 主要工程数量对比

方案优化前后主要工程数量对比见表2。

表2 桩板墙原设计与调整后工程数量对比表

5.5 优化效果

经方案优化后，对钢筋混凝土工程数量明显节约，降低了工程造价，达到施工质量可控、安全风险降低、工期节约、避免了爆破扰民，取得了良好的工期和经济效益。

根据优化方案的工程数量变化情况，该方案调整费用节约85 万元。

6 结语

该工程濒临宁波-舟山港国际码头，属于滨海滩涂地段的高路堑边坡防护及支挡工程，高达88m 的铁路工程高路堑在国内较罕见，通过对支挡结构的原设计工程措施提出优化设想，经过现场地质调整，土钉墙结构计算分析以及召开专家论证会，最终使“土钉墙+预应力框架锚索”的工程方案成功应用并实施，可得出以下结论：1）对滨海地区凝灰岩质路堑高边坡在一级边坡及以下的支挡结构采用“土钉墙+预应力锚索框架梁”的工程方案是可靠的。2）“土钉墙+预应力锚索框架梁”的工程支挡方案与桩板墙支挡结构方案相比，具有经济优势明显，施工工期较短，对既有边坡的扰动较小，施工完成后结构较美观的优点。3）支挡结构完成后，可在框架梁网格中采用种植爬山虎以及挂网喷播植草等绿化方案，使混凝土圬工边坡更加美观，与滨海既有山坡生态相协调。该文对路堑高边坡支挡结构工程方案进行优化的过程总结，可为类似工程起到借鉴和支撑作用。