北方冻土地区铁路病害桥整治分析

摘要：阐述牙林铁路线K268+433潮叉河既有铁路桥病害情况，对季节性及永久性冻土地区既有铁路桥墩台及基础冻害原因进行分析，提出对北方冻土地区铁路桥梁基础设计的优化方案及施工措施。

关键词：冻土地区铁路桥病害原因分析；桥梁基础优化设计方案；施工措施

一.工程病害情况

牙林线K268+433潮叉河既有病害桥位于内蒙古自治区根河市境内，始建于1952年，基础为薄壁沉井基础，圆端形实体桥墩。该桥于2000年6月17日列为长期慢行路段，限速25km/h。2007年哈局委托我院对本桥进行原位新建设计。根据哈尔滨铁路局工务处1999年《关于对牙林铁路线K268+433潮叉河病害桥情况》报告，既有铁路桥主要病害为：1号墩沉井横向断裂，并出现竖向裂纹。2号墩横向振幅严重超限，墩台身竖向裂纹。1、2、3号墩台身和基础混凝土腐蚀严重，劣化等级达到AA级。以上病害均已威胁到行车安全。决定采取拆除既有病害桥，原址新建铁路桥方案。

二.气象

根河市属寒温带湿润型森林气候，年平均气温为-7℃～-4℃，年降水量在300mm～450mm之间，气候特点是冬季漫长，夏季短暂。

按影响铁路工程气候分区划分，本区属严寒地区。

三.冻土深度段落划分

季节冻土：最大季节冻结深度为3.5m（冻结上限）。

永久冻土：本桥处于岛状融区冻土区。

四.工程地质特征

勘察深度内揭示地层为第四系全新统冲积层（Q4al），岩性为粉质黏土（强冻胀土）、粗、细圆砾土、含圆砾粉质黏土（该层局部为冻结状态）、火山角砾岩。

五.病害原因分析

1.1号墩沉井横向断裂，并出现竖向裂纹

本桥为山区河流，桥梁1#墩基础冲刷严重，水流冲刷导致河床严重下切。1#墩薄壁沉井基础横向断裂，原因为沉井基础内外介质不一致冻胀产生水平冻胀力挤压所致，表现为薄壁沉井基础横向断裂，同时由于基础埋深不足，冻胀产生切向和法向冻胀力导致基础失稳、倾斜。墩身混凝土受拉导致墩身横向、竖向裂纹交织。

2. 2号墩横向振幅严重超限，墩台身竖向裂纹。

综合分析本桥2号墩身病害裂纹为冻胀变形所产生的裂纹。沉井基础受冲刷后，基底埋深不足，每年冬季基底冻胀产生法向冻胀力使基础被冻起，夏季融沉下落，多年反复导致基础不均匀沉降，墩台混凝土基础承载力下降，基础失稳倾斜。表现为墩台冻起、失稳、混凝土产生竖向裂纹，桥墩整体性受到破坏，横向振幅超限。

3.1、2、3号墩台身和基础混凝土腐蚀严重，劣化等级达到AA级。

本桥为严寒地区冻融环境下桥梁，始建于上世纪50年代，所处地区温差、湿度差较大，墩台混凝土基础受温度、湿度、冻融破坏导致混凝土强度降低。表现为墩台表面严重腐蚀露白浆，用手指即可搬下碎块。

六.病害桥基础优化设计方案

结合气候、地质、水文及施工条件，新建桥采取如下优化设计方案解决冻胀发生：

1.采用桩基础

选用直径1.25m钻孔灌注桩穿越永久冻土层，桩尖位于弱风化火山角砾岩中。解决因扰动多年冻土产生的桩基础不稳定问题。

2.墩台承台埋深及回填

墩台承台同时考虑冲刷及最大季节冻深影响，将承台底部设置于最大季节深度以下0.25m；并将局部冲刷考虑之内，承台采用六面配筋加强整体性，承台侧向回填级配碎石，预防季节冻土冻胀发生。

3.桩与承台连接处

桩基深入承台深度15cm处设置双层钢筋网，增强桩与承台的连接强度。

4.材料等级选取

（1）混凝土：抗冻融循环次数要求达到200次，新建桥桩基础、承台及部分桥墩均属于严寒且频繁接触水环境（D2环境），混凝土选用C40。最小胶凝材料用量不小于320kg/m?，且最大水胶比不大于0.45.

（2）细骨料：为保障混凝土不至于发生碱-骨料反应膨胀破坏，骨料砂浆棒膨胀率不得大于0.20%，并根据细骨料及碱骨料相关检验方法进行检验。性能满足《铁路混凝土结构耐久性设计规范》TB10005/2010相关要求。

（3）粗骨料：粗骨料应选用粒形良好、质地坚固、线胀系数小的洁净二级或多级级配骨料混配而成，骨料性能满足《铁路混凝土结构耐久性设计规范》TB10005/2010相关要求。

七.施工措施

1.钢护筒的制作与安装

为解决桩周上部冻土暴露融化，滑桶，护筒埋设采用内外双钢护筒。外钢护筒制作时按直径较桩径大30cm～40cm制作，内钢护筒按照较直径大10cm制作。为减小冻胀和热融引起切向力对桩的影响，内护筒外侧涂10mm渣油，且其底部要埋入冻结上限以下0.5m。

2.钻机选择

新建桥地质主要为粉质黏土、粗、细圆砾土、及风化的火山角砾岩。施工难点在于弱风化的火山角砾岩钻进，建议采用嵌岩钻头的旋挖钻机钻孔。考虑中密角砾土钻进中存在塌孔可能性，为保证施工安全，建议采用静态泥浆护壁进行钻进。

3.混凝土浇筑

浇筑混凝土时应分段分层连续进行，浇筑层高度应根据混凝土供应能力、一次浇筑方量、初凝时间、结构特点、钢筋疏密综合考虑决定，确保混凝土施工质量。

4.单桩竖向承载力现场静载试验

施工单位应严格管控施工质量，并进行单桩竖向承载力现场静载试验，确保单桩承载力满足设计要求。

5.回填措施

基坑回填采用非冻胀性级配碎石回填，并对回填面进行压平处理，桥台锥体坡脚采用回植塔头草保温。

結论：按照以上设计方案和工程措施新建的牙林线K268+433病害桥，采用穿越永久冻土层的柱桩基础基本承载力充足稳定。承台埋深设置合理，回填措施得当，消除了季节冻土融沉及冻胀发生，墩台未发生倾斜及裂纹等冻害。此桥自2008年新建成至今使用状况良好，为北方冻土地区病害桥整治提供了范例。

参考文献：

[1]《牙林线K268病害桥施工图设计》

[2]《青藏铁路多年冻土地区桩基础设计研究》作者：曹玉新 魏青朝《铁道工程学报》 2004年6月第二期，128-131页，文章编号：1006-2106（2004）02-0127-05。

[3]《桥梁工程冻土地区桩基础施工技术》作者：丁晓军 鲍跃平《民营科技》 2013年第8期，114页。

[4]《铁路混凝土结构耐久性设计规范》TB10005/2010

[5]《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ118-98

[6]《铁路桥梁钻孔桩施工技术指导》TZ322-2010

作者简介：

徐兴峰（1979-）男，吉林长岭人，本科，工程师，研究方向：铁路桥梁。