鐵路橋梁基礎沖刷的主要成因及防治措施

祝名偉 中國鐵路上海局集團有限公司合肥工務段

目前，鐵路建設的快速發展，使得橋梁建設的需求不斷增大，跨越大江大河、行洪溝谷的橋梁也越來越多。橋梁基礎沖刷成為我們經常面臨的問題，關乎著橋梁結構安全，不僅嚴重影響著鐵路橋梁基礎的穩定性、耐久性，而且會造成橋梁上部結構失穩，影響鐵路運輸安全。為此，如何更好地防治鐵路橋梁基礎沖刷問題已經成為了當前鐵路橋梁工程施工中的重中之重，這就需要針對于鐵路橋梁基礎沖刷問題的主要成因，來制定出相應的防治措施。

1 鐵路橋梁基礎沖刷的主要成因分析

1.1 自然條件變化的因素

（1）河道的自然變遷

河道的自然變遷是由于河流的天然改道或改向使河流的邊界發生水平遷移的現象。自然變遷的原因較多，主要受地球自轉導致的地殼升降運動的影響，以及河床由于淤積抬高，河曲發育良好，裁彎取直等因素的影響。河道的自然變遷造成河道寬度、位置等發生變化，使得橋墩基礎局部沖刷加劇。例如：合九線皖水河特大橋河床斷面不斷變寬，導致主河道由以前的37#-41#墩變為現在的36#-41#墩，由于今年汛期水流沖刷嚴重。36#墩基礎沖刷嚴重，基礎埋深嚴重不足。

（2）頻繁遭遇特大洪水

由于全球氣候變暖，近些年來極端天氣頻發，我國季節性短時強降雨增多，較往年而言洪水發生次數增多且規模更大。而以前老橋的設計標準較低，很容易就達到了設計水位，橋下暴漲的河水沖刷橋墩基礎，導致基礎沖空。

1.2 人類活動的影響

（1）人工采砂的影響

河水流動時總會攜帶著泥沙，泥沙的流失和補充達到一個微弱的平衡，可以看做為一個穩定的河道。由于人工采砂等活動的影響，泥沙的流失遠遠大于補充速度，導致河床斷面下切。河床下切嚴重會導致河水局部流速變大，沖刷橋墩基礎，從而影響橋梁設備安全。尤其是在橋梁下游進行挖沙取土，采砂坑上游河床沉積物被水流攜帶到采砂坑中，從而使橋梁基礎外露部分增多

（2）河道改造后未對鐵路橋梁順接

隨著經濟發展，拓寬河道用來提升航道等級和運輸能力。河道改造設計時未結合上下游鐵路抗洪能力建設河流調節建筑物，或因日常養護維修不到位造成河底淤積，造成河道底部標高高于鐵路橋橋墩承臺頂標高，且河道坡度大。而且在鐵路橋梁修建之后建設了很多的水庫，把隨著河水留下的泥沙攔截住，不能填補下游被沖空的泥沙。

（3）周圍地勢的變化

在城市周邊的河道，為做到土地資源利用率最大化，住宅樓、商業街等各類建筑物拔地而起，既有地表水(雨水)路徑被破壞，匯集后短時河道流量增加、水位升高，對跨越城市河道的鐵路增添防洪安全風險,不符合當下防災減災工作精神。

1.3 橋梁設計標準較低

鐵路橋梁基礎沖刷導致基底沖空的橋梁大多為上個世紀修建，由于當時社會經濟發展緩慢，技術標準要求不高，出現了橋梁與河道斜交角度過大、跨度過小、橋梁凈空不足等問題，致使行洪時水流不及、向下尋找出路，局部沖刷加重、河床斷面逐年下切，易造成橋墩基礎沖空的后果。

城市河道與上下游鐵路橋防洪標準不一致。城市河道防洪設計標準為重要城鎮、工業中心、大城市為1/100 洪水頻率，最大洪水頻率為1/200，一般城鎮按照1/20-1/50洪水頻率設計；而運營中的普速鐵路行洪橋孔徑應能通過1/100 頻率的檢定洪水，對技術復雜、修復困難或重要的特大、大橋,還應能安全通過1/300 校驗頻率洪水。就防洪設計標準而言，城市河道的設計標準一般低于鐵路橋梁，當發生洪水時，河道的疏浚能力不足，造成洪水流速過快，橋墩基礎沖刷加劇。造成跨越河道的鐵路橋梁防洪安全隱患大，不利于鐵路行車安全。

1.4 橋梁施工質量缺陷

一些鐵路橋梁施工時為了按時完成工期、沒有按照規范要求施工、且施工人員技術水平不一而足，致使橋梁質量不過關也是造成基礎沖刷的主要原因之一。施工時存在基礎開挖深度不符合要求，基礎底部沒有放在承載力較強的土層上，混凝土澆筑較少、養護不到位等問題，造成基礎質量差，抗沖刷能力不強。

2 鐵路橋梁基礎沖刷的預防措施

2.1 做好洪水的預判

與氣象部門、上游水庫及河道管理部門建立聯系，遇有上游流域強降雨或上游水庫即將開閘泄洪時，應當及時采取防范措施。在橋梁上游匯水區域和行洪河流分別安裝雨量計和水位監測裝置，在降雨量或水位超過預警值以后迅速對行洪橋梁采取應急措施。

2.2 加強橋梁上、下游河道的檢查

針對鐵路橋梁維護中的基礎沖刷問題，應加強橋梁下游河道的檢查工作。對于有不合理的挖沙取土及在禁止采砂區域內挖沙行為，應當及時向河道管理部門和鐵路公安反應，及時制止。禁止采砂區域見表1。

2.3 設計要因地制宜

設計要根據現場情況，因地制宜，制作切實可行的方案。首先需要調研選址區域內的水文、氣候及人類活動情況，做好水文分析和計算。對于特大橋及技術復雜的橋梁需要進行水力試驗模擬，分析河流的水力特性，制定合適的橋墩布置施工方案，為科學的確定橋梁施工方案提供參考。對于河道不固定，季節性左右擺動的河流，應重新選定橋址設法避開，如果實在無法避開，需要通過現場調研和查找歷史水位資料判斷其河道最有可能出現的方位，重新設計橋跨布置方案。對于受自然氣候變化影響嚴重的地區，洪水多發的河流，在查找歷史水位資料的基礎上，還應該著重把近期洪水的因素考慮進去，精準有效的判斷出洪水的趨勢和方向，通過相應的設計提高橋梁的抗洪能力；對于上下游存在采砂情況或者有擋水建筑物的的河流，應準確的調研人類活動對河流的影響，計算沖刷深度并確定合理的基礎埋置深度。

2.4 提高施工質量

施工前對橋梁選址區域的水文情況以及地形地貌等進行現場勘查，確認與設計不符的，及時協商進行變更設計。施工時嚴格把好質量關。首先嚴格控制原材料的質量，對進場材料進行檢驗，保證砂石水泥驗收一批使用一批。其次確保工程按照鐵路施工規范的要求進行施工，質量符合要求。橋墩基礎施工時開挖深度一定要足夠，確?；A底部承載能力達到設計的要求，并且埋置深度滿足規范。最后工程竣工后，嚴格按照鐵路相關標準或規范規定的要求進行驗收。

3 鐵路橋梁基礎沖刷的整治措施

為了更好地提高鐵路橋梁的保養運營水平，就需要針對鐵路橋梁基礎沖刷的主要成因，提出相應的整治措施，來有效解決鐵路橋梁工程維護運營中存在的基礎沖刷問題，從而才能更好的推動鐵路運營的長效發展。

3.1 采取防護措施減緩沖刷

針對橋墩基礎沖刷，可以對橋墩基礎設置防護措施來減緩沖刷。鐵路橋梁通常采用整孔防護和局部防護。

（1）整孔防護

整孔防護多用于小橋，是指在全橋或者部分范圍內幾孔設置防護，以防止洪水沖刷墩臺基礎。防護采用的措施有石籠防護、板樁防護、漿砌片石護底、混凝土預制塊等。

對于較窄或季節性河流來說，增強河床的鋪砌可以有效防止橋墩基礎的沖刷。石籠防護適用于較穩定，沖刷范圍較小的河床，以竹子或鋼筋編織成石籠，石籠間要相互勾連；板樁防護適用于較穩定，沖刷范圍較小并且為土質河床時，在基礎周邊打板樁作圍堰,其內填砂、石；漿砌片石和混凝土預制塊防護適用于基礎埋置較淺，沖刷范圍較大的河床，應在整個河床平面鋪砌；其中混凝土預制塊需要較穩定的河床，且不能只施工部分。鋪砌防護方法如圖1～圖4所示。

圖1 石籠防護圖

圖2 板樁防護

圖3 漿砌片石防護圖

圖4 砼預制塊防護

（2）局部防護

大中橋通常采用局部防護，一般在河流沖刷達到平衡，河床較穩定的區段上使用此防護措施。防護體的頂面宜設在一般沖刷線以下。防護采用的方案有石籠防護、鉆孔樁防護、鋪砌防護、旋噴樁防護等。鐵路常采用的為石籠防護，它的優點是操作簡單，適應河床的變化，防止基礎局部沖刷加重。

（3）墩前增設防護樁

在橋墩上游的多個方向均設置圓樁,如圖5 所示。河道中水流流經防護樁時，水流速度降低，對橋墩基礎的沖刷力減弱，從而更好地防護橋墩基礎不被沖刷。這一措施使得水流的沖刷力主要集中在墩前的群樁上，這些樁作為防護樁來保護橋墩基礎。

圖5 防護樁示意

3.2 病害基礎加固消除隱患

一些橋梁基礎沖空嚴重，造成基底承載能力不足等影響橋梁運營安全的問題，不僅要防護橋墩緩解沖刷，還需要對基礎進行加固，消除安全隱患。通常采用的加固措施有高壓旋噴法、增補基樁法、鋼筋混凝土套箍、擴大基礎法加固等。

高壓旋噴樁加固法，是在既有基礎下用高壓旋轉的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合，形成連續搭接的水泥加固體，改善基礎承載力。施工占地少、振動小、對鐵路安全影響較弱，但對于特殊的土體（淤泥質土等）不宜采用。增補基樁加固法，是指在基礎周圍補加鉆孔樁，或打入鋼筋混凝土預制樁，與原承臺或基礎相連，以此增強基礎穩定性。通常適用于橋墩基礎下土體較軟，基底未落在承載力強的巖石層上，墩臺發生沉降。鋼筋混凝土套箍或護套加固法，當橋墩由于基礎埋深不夠，或施工質量問題造成墩臺開裂時，可采用鋼筋混凝土套箍進行加固。當墩臺損壞嚴重，如墩身嚴重開裂或大面積表面破損、掉塊時，則可采用鋼筋混凝土護套的方法加固。擴大基礎加固法，適用于水流沖刷不嚴重的淺水地區，地基不均勻沉降且承載力滿足要求。通常利用混凝土砌筑成臺階形式，且厚寬比足夠大的剛性基礎。一般為明挖基坑施工，在水中需要先筑圍堰再開挖。

4 結束語

橋梁基礎沖刷對鐵路運營安全的影響不容忽視，該病害往往不是單一因素造成的。橋梁基礎出現沖刷時，在保障鐵路運營安全的前提下，認真分析研判，查找基礎沖刷病害成因，因地制宜、采取恰當方式進行整治。要想徹底解決橋梁基礎沖刷問題，必須事先防范，從設計和施工兩個方面把握。橋墩基礎防沖刷設計是橋梁正常運營的重要保障之一，在設計時應高度重視，還要兼顧施工的質量和工期。