CN103790079B - 一种路基预应力加固强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路基预应力加固强化方法，步骤是：①垂直于线路方向，在路基的一侧向路基内水平钻小直径孔，并穿透路基；②将预应力钢筋的一端通过连接器与钻杆的一端连接；③通过钻杆的引领，将预应力钢筋穿过路基；④将预应力钢筋的两端分别穿入侧压力板预留的锚固孔；⑤预应力钢筋的一端与侧压力板固结，另一端通过侧压力板的锚固孔与锚具连接；⑥通过锚具张拉预应力钢筋，增大路基土的水平压应力并使路基边坡受到侧压力板的强制约束，形成与路基共同工作的预应力整体结构。具有施工时不需要中断行车、各构件均可预制、预应力能有效地改善路基土的应力状态、路基边坡的稳固性显著提高，形成的预应力路基结构抗动力和抗震性能得到明显改善。

Description

一种路基预应力加固强化方法

技术领域

本发明涉及一种路基加固强化方法，具体涉及一种路基预应力加固强化方法，尤其是对既有铁路路基的快速强化提升。

背景技术

长期以来，为解决运量与运能不足的矛盾，我国铁路部门先后采用了提高货车轴重、加大行车密度、增加列车编组等方式提高运能，然而，面对我国幅员辽阔、资源分布极不平衡的情况，如何提高运能依然是我国铁路目前亟待解决的问题之一。

重载铁路输送能力大，经济和社会效益显著，发展铁路重载运输，已成为世界各国铁路运输发展的方向，也是我国加速提高铁路运输能力的主要途径。加快煤运通道建设和既有线扩能改造力度，形成运力强大、组织先进、功能完善的煤炭运输系统是我国《中长期铁路网规划》的重要发展内容之一。我国铁路货运的发展方向是重载化，具体来说就是要大轴重化、高牵引质量化、大运量化。要保证重载铁路高效、安全地运营，组成重载铁路系统的各要素必须保持高标准，加之我国特有的高行车密度，这对我国重载铁路技术提出了更高的要求。

铁路路基所受的动载强度加大，受载频率增高，引起荷载效应加大、应力幅加大，导致既有铁路路基结构的动力弹性变形和累积沉降加大，路基结构及其边坡的稳定性安全储备下降，各种病害出现的几率加大、危害性加剧。如我国主要重载铁路大秦线、朔黄线经过几年的重载运行，已经产生了桥涵过渡段下沉、桥台裂损、区间路堤地段下沉、边坡外鼓下滑或不稳、边坡防护裂损失效、路肩宽度不足、基床翻浆冒泥及道床板结、排水不良等多种类型病害。随着我国铁路重载运输轴重的加大、牵引质量的不断提高以及行车密度的不断增加，既有铁路路基的使用条件将更加恶化，路基病害产生的几率将进一步加大。28吨及以上轴重的足尺模型试验和现场试验均表明，在28吨及以上轴重列车运行作用下，路基及边坡的振动明显加大，动力稳定性不足。因此，既有铁路路基的加固改造已成为亟待解决的问题。

目前对既有路基工的传统加固方法，按照加固施工作业面的不同，主要包括“上道”加固法和路基旁侧加固法两种。“上道”路基加固法，施工机械和人员要占用轨道，在路基顶面上进行加固施工，要中断行车，对铁路的运营影响很大；路基旁侧加固法，是在能保障行车的条件下，在轨道两侧对路基加固，主要有路侧注浆法、路旁斜打水泥土桩法等。注浆法质量不易控制、也难易控制范围、注浆效果往往不佳，且费用较高；斜打水泥土桩法的加固效果虽优于注浆法，但费用仍偏高，且形成的水泥土桩强度和对路基的约束作用有限。这些加固方法均有一定的局限性。

综上所述，传统加固方法对路基侧向约束不足、提高的承载力有限、加固后刚度较差等缺陷，特别是“上道”路基加固法，需要中断行车或封闭交通，这恰恰是重载铁路运营部门所忌讳的，因为铁路中断一天，其经济损失动辄上亿元。本发明的铁路路基预应力加固强化技术可以通过预应力有效地改善路基土的应力状态，与预应力钢筋强制相连的侧压力板能使路基边坡的稳固性显著提高，形成的预应力路基结构是一个共同工作的整体，其抗动力和抗震性能得到明显改善，也有利于减小在大轴重长编组列车荷载反复作用下的累积沉降。同时，上述构件均可在工厂预制，因而质量有保障；预应力钢筋可以实现单根更换以及多次张拉，便于养护维修；施工时不需要中断行车（车辆可照常运行），对地下和地面环境基本无影响,成本比较低,经济和社会效益显著。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能增大路基体内水平压应力、同时能约束路基边坡并能有效提高其稳固性、路基加固强化后其整体工作性能特别是抗动力作用和抗震动的性能明显改善、施工时不需要中断行车或封闭交通、加固构件可预制、施工质量易控制、对地下和地面环境基本无影响、费用较低的路基加固强化方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的路基预应力加固强化方法，步骤是：①垂直于线路方向，在路基的一侧向路基内水平或按设计斜度钻小直径孔并穿透路基；②将预应力钢筋(或纲绞线或普通钢筋)的一端通过连接器临时与钻杆末端连接；③通过钻杆的引领，将预应力钢筋穿过路基；④将预应力钢筋两端分别穿入侧压力板预留的锚固孔；⑤预应力钢筋的一端与侧压力板固结，另一端通过侧压力板的锚固孔与锚具连接；⑥通过锚具张拉预应力钢筋，增大路基土的水平压应力并使路基边坡受到侧压力板的强制约束；⑦补偿张拉并锁定锚头。形成具有上述特点的预应力路基结构。

具体步骤如下：

A、预制或现浇制作侧压力板；

B、制作长度合适的预应力钢筋包括防腐处理；

C、制作在钻杆模端连接预应力钢筋的连接器；

D、垂直于线路方向，在路基的一侧向路基内水平或按设计斜度施钻小直径孔，并穿透路基；

E、钻杆穿透路基后，通过连接器将钻杆末端与预应力钢筋的一端连接；

F、通过钻杆的引领，将预应力钢筋穿过路基；

G、将预应力钢筋两端穿入侧压力板的预留锚孔；

H、预应力钢筋的一端通过锚孔与一个侧压力板固结，另一端在另一个侧压力板的外侧与施加预应力的锚具连接；

I、通过锚具张拉预应力钢筋，使其拉力达到设计值；

J、补偿张拉预应力钢筋并锁定锚头并作防护处理；

K、按以上方法施工其他预应力钢筋，得到路基预应力加固和侧向强制约束的路基结构。

所述的步骤A中的预制的侧压力板采用变厚度10cm～30cm的钢筋混凝土板，质量和安全性能符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》和有关行业标准。

所述的步骤B中的预应力钢筋，预应力设计值比较小时采用预应力螺纹钢筋或普通钢筋，质量和安全性能符合现行国家标准《预应力混凝土用预应力钢筋》、《混凝土结构设计规范》和有关行业标准。

所述的预应力钢筋包括其防腐保护材料和外护套组成，形成的外径不大于钻杆直径，且在锚具的喇叭管内灌注油脂防腐。

所述的步骤C和步骤F中的连接器的直径应不大于钻杆直径，且保障钻杆和预应力钢筋截面对中连接、保障钻杆引领预应力钢筋穿过路基时不会脱落，穿过路基后连接器容易与钻杆和预应力钢筋脱开，且能重复使用。

所述的步骤D中的钻孔,其钻头直径不大于60mm，采用干钻成孔。

所述的步骤I和步骤J中的张拉预应力钢筋，第一次张拉力大于设计值的5%，但不超过10%；补偿张拉预应力钢筋后其张拉力保障不小于设计值。

本发明的解决方案是在现有技术的基础上，提供一种不影响列车运行的新型路基结构快速加固施工技术，水平穿透路基的预应力钢筋与两边的侧压力板连接，通过施加预应力后，形成一个共同工作的整体，通过在原路基中采用预应力筋（预应力钢筋）、并在路基双侧连接侧压力板，在预应力作用下使路基体中围压增大，同时路基侧向（边坡）受到侧压力板的强制约束，从而使加固部分与原路基形成整体共同工作而得到强化，承载能力特别是抗动力变形能力和整体稳定性大大提高。

水平穿透路基的预应力钢筋与两边的侧压力板连接，施加预应力后，通过侧压力板使路基中的侧向压力（土体的围压即小主应力）增大，改善了土的应力状态，抗剪强度的安全储备和变形（弹性）模量提高（参见图1），利用穿过路基的预应力钢筋与两个侧压力板的连接，形成组合加固技术，增大路基土的围压，并使原可自由向外变形的路基边坡受到限制。本发明通过预应力钢筋将路基两边的侧压力板连接在一起，形成对路基两侧边坡的约束作用，大大改善了边坡的稳定性。本发明具有不影响列车运行、预应力筋（预应力钢筋）可以更换和多次张拉、路基整体工作性能优越、抗震性和边坡稳定性好、施工质量容易保证、费用较低等优点。

本发明还在于预应力钢筋、侧压力板、连接器都可预制，加固施工都在路基两侧进行，这样，可以在不中断列车运行的情况下进行施工，创造了巨大的经济效益和社会效益。因为铁路中断一天，其经济损失将达上亿元。较之其他加固方法，是一种技术上可靠、经济上合理、施工质量易于控制的有效方法。

综上所述，本发明施工不中断交通、快速方便、加固材料和施工质量易于控制、费用较低，是一种具有不影响列车运行、预应力筋可以更换和多次张拉、路基整体工作性能优越、抗震性和边坡稳定性好、施工质量容易保证、费用较低等优点的路基预应力加固强化方法。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，但不构成本发明实施方式的任何限制。其中：

图1是增大路基土侧压应力σ₃其抗剪强度和变形模量获得提高的原理示意图。

图2是本发明对既有铁路路基加固强化的路基横断面图。

图3是本发明对既有铁路路基加固强化的路基侧立面图。

图4是本发明的一种侧压力板结构示意图。

图5是本发明的另一种侧压力板结构示意图。

图中：1-路基，2-预应力钢筋，3-侧压力板，4-锚具，5-预应力，6-路基边坡，7-路肩。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图2显示了一条需要加固强化的既有铁路路基1之横断面，包括路肩7和两侧边坡6，边坡6的坡率例如处于1:1.50到1:1.75之间。

参见图2和图3，根据本发明方法加固强化既有线路基的施工步骤如下：

(1)步骤A：制作预应力钢筋2并进行防腐处理。

(2)步骤B：制作侧压力板3。

(3)步骤C：制作连接器(未示出)。

(4)步骤D：钻头定位。钻机(未示出)在铁路路基1的边坡6一侧上定位，使得钻机的钻头准确定位在需要打孔的位置，同时保证钻头和钻杆的轴线方向都在水平面内且垂直线路方向。

(5)步骤E：钻孔（采用干钻成孔法）。钻头前进开孔，始终保障钻杆水平且垂直线路方向，钻进中如需要可以中途加长钻杆，直至钻头和部分钻杆从路基另一侧钻出，关掉钻机动力。

(6)步骤F：连接预应力钢筋2和钻杆。卸下钻头，通过连接器连接预应力钢筋2和钻杆。

(7)步骤G：预应力钢筋2穿过铁路路基1。开动钻机，利用钻机水平回拔钻杆并向孔内拖拉预应力钢筋2（若有必要，同时利用钻杆向孔内注入适量水泥浆液），直至预应力钢筋2从铁路路基1另一侧拉出一部分（露出预定的设计长度）。

(8)步骤H：如果设计中有多排预应力钢筋2，完成步骤G后，将钻机上移一排，重复步骤D～G，直到多排预应力钢筋2都穿过铁路路基1。

(9)步骤I：将钻机移到适当位置，在铁路路基1两侧分别将预应力钢筋2两头穿过侧压力板3。

(10)步骤J：将预应力钢筋2的一头与相应一侧的侧压力板3中心固定。

(11)步骤K：将预应力钢筋2的另一头与相应一侧的侧压力板3施加预应力的锚具4连接。

(12)步骤L：通过锚具张拉5预应力钢筋2，使其预加拉力（预应力）达到设计值。

(13)步骤M：如设计中有多排预应力钢筋2，重复步骤I～步骤L，直到多排预应力钢筋2都张拉完毕。

(14)步骤N：补偿张拉所有预应力钢筋2并锁定锚头并作防护处理。

(15)步骤O：如设计中有多例预应力钢筋，重复步骤D～N，完成加固段内的所有预应力钢筋。

根据本发明，预应力钢筋、连接器和侧压力板可在另外的场地预制，其质量和安全性能应符合相应现行的国家标准《预应力混凝土用预应力钢筋》、《混凝土结构设计规范》和有关行业标准。

在一个实施例中，在路基中的钻孔直径不大于60mm,钻孔轴线与设计轴线的偏差应符合设计要求。

在一个实施例中，张拉预应力钢筋时，第一次张拉力可大于设计值的5%，但不应超过10%；补偿张拉预应力钢筋后其张拉力保障不小于设计值，但不应大于设计值的10%。

在一个实施例中，侧压力板3厚度可采用10cm～30cm变厚以节省材料，其混凝土强度等级采用C30、主筋采用普通缧纹钢筋HRB335。

参见图4和图5，在一个实施例中，侧压力板与路基边坡接触的面，可采用斜平面或高宽比与路基边坡坡率相同的小台阶形式，台阶个数11～25个，宜采用奇数。侧压力板与路基边坡接触的面采用台阶形式，有利于向路基传递侧压并防止侧压力板在张拉钢筋线时向上滑移，得到更加理想的强化效果。

侧压力板与路基边坡接触的面采用台阶形式时，相应路基边坡处应预先开挖出吻合的台阶，以便侧压力板与路基边坡密贴。

在一个实施例中，在铁路路基1的一侧向路基内按设计斜度钻小直径孔并穿透铁路路基1。

与现有技术相比，本发明的路基预应力加固强化方法可使土体围压提高、应力状态获得极大改善，同时水平穿透路基的预应力钢筋与两边的侧压力板连接，通过施加预应力后，形成一个共同约束的工作整体，使路基结构的抗震（动力）性能和路基边坡的稳定性都得到大幅度提高，也能明显减小变形沉降，这些都特别适用于解决大轴重列车运输下的路基问题。并且路基中钻孔小、加固构件都可预制，施工中基本不用水，因此对路基体的扰动很小，不影响行车。除此之外，本发明的方法还特别适用于压实度较高的路基。

容易理解，虽然上面是结合铁路线路来对本发明进行的说明，然而本发明可同样地应用于公路等其它道路或路堤的加固。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种路基预应力加固强化方法，其特征在于：步骤是：①垂直于线路方向，在路基的一侧向路基内水平或按设计斜度钻小直径孔并穿透路基；②将预应力钢筋的一端通过连接器临时与钻杆末端连接；③通过钻杆的引领，将预应力钢筋穿过路基；④将预应力钢筋两端穿入侧压力板；⑤预应力钢筋的一端与一个侧压力板固结，另一端在另一个侧压力板的外侧与锚具连接；⑥通过锚具张拉预应力钢筋；⑦补偿张拉并锁定锚头，得到路基预应力加固和侧向强制约束的路基结构。

2.根据权利要求1所述的路基预应力加固强化方法，其特征在于：具体步骤如下：

A、预制或现浇制作侧压力板；

B、制作长度合适的预应力钢筋包括防腐处理；

C、制作在钻杆末端连接预应力钢筋的连接器；

D、垂直于线路方向，在路基的一侧向路基内水平或按设计斜度施钻小直径孔，并穿透路基；

E、钻杆穿透路基后，通过连接器将钻杆末端与预应力钢筋的一端连接；

F、通过钻杆的引领，将预应力钢筋穿过路基；

G、将预应力钢筋两端穿入侧压力板的预留锚孔；

H、预应力钢筋的一端通过锚孔与一个侧压力板固结，另一端在另一个侧压力板的外侧与施加预应力的锚具连接；

I、通过锚具张拉预应力钢筋，使其拉力达到设计值；

J、补偿张拉预应力钢筋并锁定锚头并作防护处理；

K、按以上方法施工其他预应力钢筋，得到路基预应力加固和侧向强制约束的路基结构。

3.根据权利要求2所述的路基预应力加固强化方法，其特征在于：所述的步骤A中的预制的侧压力板采用变厚度10cm～30cm的钢筋混凝土板，质量和安全性能符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》和有关现行行业标准。

4.根据权利要求2或3所述的路基预应力加固强化方法，其特征在于：所述的步骤B中的预应力钢筋，预应力设计值比较小时采用预应力螺纹钢筋或普通钢筋，质量和安全性能符合现行国家标准《预应力混凝土用预应力钢筋》、《混凝土结构设计规范》和有关行业标准。

5.根据权利要求2或3所述的路基预应力加固强化方法，其特征在于：所述的步骤C中的连接器的直径应不大于钻杆直径，且保障钻杆和预应力钢筋截面对中连接、保障钻杆引领预应力钢筋穿过路基时不会脱落，穿过路基后连接器容易与钻杆和预应力钢筋脱开，且能重复使用。

6.根据权利要求2或3所述的路基预应力加固强化方法，其特征在于：所述的步骤D中的钻孔,其钻头直径不大于60mm，采用干钻成孔。

7.根据权利要求2或3所述的路基预应力加固强化方法，其特征在于：所述的步骤I和步骤J中的张拉预应力钢筋，第一次张拉力大于设计值的5％，但不超过10％；补偿张拉预应力钢筋后其张拉力保障不小于设计值。