张集煤矿淝大河铁路桥填充加固优化设计

张集煤矿淝大河铁路桥填充加固优化设
计
摘要：淮南矿区采煤塌陷对地面的影响显著，为确保矿区铁路运输安全，需
要依据采面规划，提前设计铁路的加固优化方案。

文章主要探讨了张集煤矿淝大
河铁路桥填充加固优化设计，希望能为类似工程提供一定的借鉴意义。

关键词：塌陷；加固；设计
张集矿铁路专用线是张集矿煤炭外运专线，近90%以上的煤炭都要通过铁专
线运出去。

工作面的开采将会造成铁路专用线铁路桥下沉、变形，必须进行维护
加固，以满足张集矿煤炭正常外运。

实地踏勘发现，淝大河铁路桥桥梁主体结构
完好，针对桥梁彻底失去过水功能现状，为保证后续桥梁使用安全，必须进行针
对性工程治理。

1 加固优化的总体思路
为保证地表沉陷过程中和沉陷完成后铁路桥轨面标高不变、火车正常通行，
综合考虑淝大河铁路桥已失去排水功能，桥梁主体结构完好等桥梁及周边环境实
际情况，初步设计思路为废弃桥梁功能，变桥梁结构体系为路堤结构体系，并提
出围堰内水基本排出及无法将围堰内水排空两种情况下的设计方案，并进行比选。

1.1淝大河铁路桥桥梁结构转变路基结构设计
原桥梁地基采用高压旋喷桩复合地基进行加固，在每个箱型框架桥下进行高
压旋喷施工，使每个箱型框架桥下的土和旋喷桩组成复合地基。

选粉质粘土作为
持力层，加固深度15m，旋喷桩有效直径0.6m，加固后地基承载力达到304kPa。

该功能转变为路基体系后，路基安全能否保障，需要进一步进行安全验证。

1.2围堰施工设计
围堰内排水难以排空，应加大排水能力将水位线应降低到二层箱体底板以下，采用混凝土水下灌注的方法对一层箱体进行填充。

施工过程中需对围堰进行观测，确保在围堰稳定情况下进行填充施工。

2具体设计方案
淝大河铁路桥填充加固工程的设计内容包括路堤设计、围堰设计、填充加固
设计和附属结构设计，由于铁路桥水位较高，需要针对围堰水的情况进行路基加
固方案设计。

2.1桥改路加固设计计算
（1）地基承载力计算
桥梁地基采用高压旋喷桩复合地基进行地基加固，选取第④层粉质粘土作为
持力层fak=170kPa，高压旋喷桩深度为15m，有效直径0.6m，加固后的复合地基
承载力fspk =304kPa。

计算选取整个箱体进行整体计算，箱体高11.2 m，长
21.34 m，宽23.19m。

钢筋混凝土重度取25 kN/m³，水泥粉煤灰稳定煤矸石填料
重度取17kN/m³，水下部分箱体及填料采用浮重度（原重度减去10kN/m³）进行
计算。

经过降水处理后水位降至标高13.14m处，距离箱涵底部4.6m，该状态为
最不利状态，浮力作用采用该水位线进行计算。

通过对轨枕及道床的自重、火车荷载、箱体、碎石垫层、煤矸石填充、水下
混凝土填充、偏载作用、浮力作用等一系列指标计算，最终得出结论：荷载效应
=218.27kPa＜fspk =304kPa，故桥梁下复合地基承载力能够满足箱体填充后的要求。

（2）边坡稳定性计算
采用岩土工程专业软件进行稳定性分析，分别计算围堰和路堤的边坡稳定性。

路堤边坡稳定性计算结果如图1。

图1 路堤边坡稳定性计算结果图
最不利滑动面：滑动圆心=(7.776,13.635)(m)；滑动半径=15.697 (m)；滑动安全系数=2.564。

滑动安全系数计算结果均大于最小安全系数1.3，满足稳定性要求。

围堰边坡稳定性计算如图2。

图2 围堰边坡稳定性计算结果图
最不利滑动面：滑动圆心=(8.328,12.743)(m)；滑动半径=15.223 (m)；滑动安全系数=2.875。

围堰滑移验算满足:Kc=2.555>1.3，倾覆验算满
足:K0=59.216>1.5。

计算结果均大于最小安全系数，满足稳定性要求。

3 排水填充加固
3.1路堤设计
①路堤断面设计
桥位处路堤的路基面宽度与桥梁两侧路基面宽度相同。

以轨道顶面标高为控制标高0.00m，路堤的一台路肩顶面标高为-0.15m，一台宽度9m，边坡坡度
1:1.75；东侧二台在原二台基础上填筑，标高-1.96m，高出目前水面0.5m，二台宽度16.65m，二台边坡位于水下，坡度为1:1.75。

路堤边坡坡度也与桥梁两侧路基顺接为1:1.75。

②路堤填料选择与压实标准
由于将围堰作为路堤一部分，因此路堤填料设计只针对除围堰外的路堤，桥体两侧路及路基采用水泥粉煤灰稳定煤矸石分层填筑分层压实，压实标准为压实系数0.93，新旧路基坡面采用“台阶法”搭接处理。

水泥粉煤灰稳定煤矸石混合料配合比建议为水泥：粉煤灰：煤矸石=5：25：70，或由试验确定。

煤矸石就地选用，严格控制煤矸石颗粒粒径，对于粒径超过150~200mm颗粒必须剔除或破碎处理。

水泥采用普通硅酸盐水泥，32.5和42.5水泥，初凝时间>3h，10h>终凝时间>6h。

水泥粉煤灰稳定煤矸石混合料要求拌合均匀，分层填筑分层碾压，分层压实厚度为20~30cm。

碾压应在最佳含水量条件下进行，最佳含水量由重型击实试验确定。

每填筑完一层要进行压实系数检测，混合料压实标准为压实系数0.93。

施工过程严格控制施工时间，混合料加水拌合至碾压完成时间不超过4小时。

3.2围堰设计
围堰布置范围应满足箱体填充施工的截水要求，围堰应满足抗滑移、抗倾覆及防渗透的要求，同时围堰作为路基的一部分应能够满足边坡稳定性要求。

围堰顶面应高出水面线0.5m，围堰顶部宽8.4m，迎水面边坡按照1:1.75放坡，背水面边坡按照1:1放坡，内侧坡角距离桥梁外侧2m。

围堰材料采用5%水泥、25%黏土和70%煤矸石混合料填筑，采用一次全宽全高填筑至水面之上0.5m，稳定后用大型震动压路机压实。

（3）排水填充设计
围堰施工完成后，使用水泵进行排水，围堰内的水基本排空后，桥梁框架内采用水泥粉煤灰稳定煤矸石分层填筑分层压实，碾压可采用小型震动压实机械。

每层框架内从底板顶部填充至距顶板底部50cm为止，剩余空间使用C30微膨胀混凝土填充密实，水泥粉煤灰稳定煤矸石填料要求同（1）路堤设计。

（4）附属工程设计
回填完成后恢复东侧排水沟，排水沟断面与原排水沟断面相同，底部宽1m，两侧坡度为1:1。

4 方案优点
方案要求将围堰内水基本排空，然后进行填充，对围堰封水能力要求高，对排水能力要求也高；该方案费用会随围堰内水位降低程度大幅度降低。

因此，加强排水能力，尽可能排空围堰内水位采用方案一更有优势。

5效益分析
针对桥梁及周边环境实际情况，淝大河铁路桥总体填充加固设计方案为废弃桥梁功能，变桥梁结构体系为路堤结构体系。

为此，提出淝大河铁路桥填充加固设计实施技术方案为排水填充加固，变桥梁为路基加固方案，该方案具有施工简便，费用低等优点。

该优化设计方案保障了铁路专用线各线路均未出现任何安全问题，具有极大的社会效益。