某沿海鐵路DK247軟土路基病害整治方案設計

陳德平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北武漢 430063)

1 概述

某沿海鐵路DK247+485～DK248+135軟土路堤工點位于羅源彎灘涂地帶,羅源車站出站端。工點長650 m,屬區間雙線路基,路堤填筑高度6.0～9.64 m。工程自2006年開工至2008年,分別對填筑施工過程中出現變形的地段,在已完成施工圖地基加固措施基礎上進行了補強加固。并在2008年加固工程完工后,對大部分路段進行了超載預壓。2010年部分路基出現變形,仍需進行整治。

2 工程地質概況

2.1 地形地貌

工點位于羅源灣灘涂地帶,屬海陸交互相沖積平原,被辟為海鮮養殖場和水田,地面高程約3～4 m,地勢較平坦。

2.2 地層巖性

淤泥：深灰色,流塑,含有機質和腐殖質,厚1.3～14.0 m,[σ0]=40 kPa。

中砂：黃灰色,松散,飽和。

黏土：灰褐、紅褐色,軟塑,厚約2～7.8 m,[σ0]=100 kPa。

粉質黏土：硬塑,[σ0]=150 kPa。

卵石土：充填物為粗砂含泥質。

下伏基巖為花崗巖全風化層。

鉆孔揭示地層層面起伏較大,淤泥及砂層中含大量孤石。

水文地質條件：地下水主要為砂層、卵石土中孔隙水及下伏基巖裂隙水,具弱承壓性,水位埋深0.5～1.5 m。

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001)及《鐵路工程抗震設計規范》(GBJ111—87),擬建場地位于地震基本設防烈度6度區,地震動峰值加速度為0.05g。

3 施工圖設計

受地方因素影響,施工圖設計時鉆探工作尚未完成。為確保線路按時開工,在4個機動鉆和5個靜力觸探資料條件下,考慮路堤填筑高度較大,工點范圍內軟土力學性質差、厚度不均勻、基底傾斜等特點,采用了CFG樁樁頂碎石墊層夾鋪土工格柵加固方案。CFG樁樁徑為0.5 m,正方形布置,兩側路肩寬度范圍內樁間距1.6 m,路肩外至路堤坡腳水平距離樁間距1.8 m,樁頂設碎石墊層厚0.6 m,內鋪一層土工格柵,其極限抗拉強度不小于80 kN/m。

路基工后沉降控制值：正線為≤15 cm；最小穩定安全系數有荷時K≥1.2,無荷時K≥1.25。典型斷面傾斜基底按圓弧法檢算最小穩定安全系數K=1.48,最大工后沉降值12.2 cm,CFG樁單樁承載力500～550 kN。

2006年征地拆遷完成后,隨即展開補勘,完善地質資料,對施工圖進行了補充修改。根據收集的地層資料和設計參數調整了設計樁長,并按同時滿足穩定、工后沉降和復合地基承載力要求重新檢算。

在此期間,DK247+520～DK247+595段路堤填筑過程中,左側發生滑動破壞,經鉆探查明,軟土基底向左側傾斜,基底穩定條件已經改變,要重新設計加固方案。鑒于路堤已在填筑施工中,若用CFG樁加密,施工技術難以做到,故采用預應力管樁對地基左側進行補強加固,提高地基剛度和側向約束力。管樁布置從右線中心右2 m至路堤左坡腳,間距2～2.5 m,深度至下部持力層內3 m(見圖1)。這段路堤左側經此次補強以后沒有再出現問題。路堤右側施工情況穩定,經復查軟土厚度較小,CFG樁檢測滿足設計要求,未做補強加固。

圖1 地基加固橫斷面(單位：m)

4 變更設計

2008年,工點范圍內路堤已基本填筑完工,DK247+595～DK247+770段左側邊坡變形開裂,將涵洞翼墻和涵節拉開2～4 cm。

4.1 原因調查

為查明原因,針對問題路段進行了核查補勘。結果顯示,基底地層層面起伏變化較大,軟土底部多為斜基底；淤泥及軟塑黏土中普遍分布孤石,部分CFG樁樁端置于孤石上,單樁承載力不滿足設計要求,導致路基下沉、側滑。

4.2 變更設計

考慮到地基情況復雜,針對出現變形的路段,在CFG樁正方形布置的中心插打管樁或鉆孔灌注樁,正方形布置,間距3.2 m。其中DK247+595～DK247+610和DK247+755～DK247+770段路堤變形較為嚴重,采用鉆孔灌注樁。

采用剛性樁補強,克服了孤石的干擾直達持力層內,提高了軟基剛性,增強了地基的側向約束能力。

4.3 堆載預壓

針對工點具體情況,決定對沒有補強加固的地段進行堆載預壓,加快施工期沉降,減少工后沉降。

堆載預壓方案分路段采用雙線雙荷土柱或超載預壓土柱,土柱高自路肩以上2～3.3 m。堆載預壓期間沿線路走向每50 m布一個監測剖面,分別在路基中心預壓土柱底部設沉降板、兩側路肩設觀測樁觀測路基沉降情況,共10個剖面；路堤兩側坡腳外設監測路堤填筑施工的水平位移觀測樁,繼續觀測水平位移。

4.4 路基變形觀測及評估

工后沉降控制是路基工程的關鍵,規范規定在鋪設軌道前,應對路基變形作系統的評估,以保證路基工后沉降和變形符合設計要求。

預測路基工后沉降量采用常用的雙曲線法,根據經驗,依此方法得到的推理曲線需要至少90 d或更多的實測沉降數據才能基本上與實測沉降曲線相吻合。本次觀測從堆載預壓開始填筑至完成后,觀測分路段進行,實際觀測時間115～216 d,符合預壓期觀測時間不少于3～6個月的規定,滿足雙曲線法精度要求。圖2是根據代表性斷面觀測成果繪制的預測工后沉降曲線。表1為預測的路基工后沉降值。路基沉降評估符合相關規范規定,沉降滿足鋪軌條件。

表1 代表性斷面預測工后沉降值

圖2 堆載預壓-時間-沉降關系曲線

5 軟土路基病害

該線通車后至2010年4月,工務部門反映,因持續降雨,個別地段開挖魚池進入用地界內,局部路段路基出現異常。

5.1 路基變形特征及風險評估

(1)DK247+570～DK247+593段：右側路肩下沉,最大下沉量約9 cm,路堤坡腳外有隆起現象。根據工務部門實測資料用三點法曲線推測,其最終沉降達32.5 cm,變形過大,易引發路堤邊坡失穩,需要進行補強加固。

(二)老舊建筑拆除過多，市內工業企業基本被毀。上個世紀末期以前，唐山市中心區各行業工廠應有盡有，這些年代久遠、建筑風格獨特、時代感強、又有很強地域特色的企業建筑具有重要的歷史價值，但隨著企業股份制改革，特別是房地產的迅猛發展，加之對文物保護管理的缺位，那些大地震都沒被震倒的車間廠房，絕大多數慘遭武斷拆除。

(2)DK247+880～DK248+050段：路堤本體無明顯變形,線路右側魚塘擴挖逼近護道,魚塘挖深2～3 m,在鐵路護欄外側形成2 cm寬縱向裂縫。應進行補強加固,防止牽引式滑動向路堤坡腳發展。

(3)DK248+050～DK248+100段：路基左側路肩下沉,最大下沉量約12.3 cm,左側邊坡骨架有個別開裂,反壓護道有下沉現象。變形過大引發路堤邊坡失穩,需要補強加固。

5.2 病害整治方案

對已通車運營的線路,軟基病害整治的原則是在保證行車和施工安全前提下,針對病害發生的內在原因,采取目的明確、行之有效的補強加固措施。本工點基底變形特征是路基一側下沉,路堤坡腳外有隆起或側向牽引式變形,均發生在CFG樁加固地段,顯示地基強度和側向約束不足。因此,病害整治結合類似病害整治工程經驗,采用提高地基強度、加強側向約束的補強措施。同時遵照徹底根治、不留后患的原則,根據變形情況和地質條件,確定整治范圍。

(1)DK247+520～DK247+595段地基加固方案

路堤右側邊坡范圍內CFG樁中間插打旋噴樁,樁徑0.5 m,縱向間距1.6 m,正方形布置；坡腳外增設三排旋噴樁,三角形布置,間距1.4 m。加固深度至樁長進入硬塑粉質黏土或基巖全風化層內不小于2.0 m。

在原管樁與旋噴樁之間未補強區采用花管注漿,注漿孔從路堤傾斜打入,沿線路方向鉆孔間距1.6 m,橫向3排。

穩定檢算假定補強加固前路堤處于極限平衡狀態K=1.0,反算滑面強度指標(φ),檢算補強加固后的穩定系數K=1.387,按綜合模量計算的地基總沉降量為13.5 cm。

(2)DK247+880～DK248+050段地基加固方案

為加強側向約束及避免人為因素的影響,左側路堤坡腳以外設5排旋噴樁,樁徑0.5 m,三角形布置,間距1.4 m,加固深度至卵石土內不小于1.0 m；兩側路堤坡腳范圍內地基采用花管注漿補強加固,沿線路方向孔間距1.6 m,橫向兩側各5排。注漿孔從路堤邊坡傾斜打入,傾斜的角度應使注漿孔均勻分布在軟基內。

(3)DK248+050～DK248+135段地基加固方案

在確保施工安全間距前提下,左側邊坡范圍內CFG樁中間插打旋噴樁,樁徑0.5 m,縱、橫向間距1.6 m,正方形布置；左右兩側坡腳外各設三排旋噴樁,三角形布置,間距1.4 m。加固深度至硬塑粉質黏土或基巖全風化層內不小于2.0 m。中間地基采用斜孔注漿,沿線路方向孔間距1.6 m,橫向兩側各3～4排,注漿孔從路堤兩側邊坡傾斜打入(見圖3)。

圖3 DK248+056補強設計橫斷面(單位：m)

假定加固前路堤右側處于極限平衡狀態K=1.0,補強加固后穩定系數K=1.67,按綜合模量計算的地基總沉降量為12.1 cm。

5.3 施工要點

(1)施工前在坡腳處先用人工挖槽探明CFG樁位置,按施工圖方案推測出CFG樁平面布置圖,并繪制成圖,在圖上按中間插布的方法畫出旋噴樁和花管注漿孔位置,現場再根據樁位布置圖用經緯儀放孔,機械引孔后進行旋噴樁施工。

(2)旋噴樁和花管注漿施工前均應進行工藝試驗,以檢測工藝和設備是否適宜,確定技術參數是否滿足設計要求。

(3)施工順序：旋噴樁應從路基內側向外逐樁施工,待施工至坡腳時花管注漿再同步實施。

(4)施工中應加強軌面高程及路基變形監測,觀測斷面密度為沿線路每10 m一個,施工過程中每天測量兩次,精度按二級測量標準。路基面高程變化每晝夜不大于5 mm,邊樁水平位移不超過5 mm。

當變形監測數據發生變化時應暫停施工,穩定后再施工。

(5)高壓旋噴樁采用單管法,漿液材料選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥,水灰比0.8∶1。水泥用量125～135 kg/m,坡腳外樁上部3 m可減至115～125 kg/m。水泥土標準養護條件28 d齡期立方體試塊抗壓強度不低于2.0 MPa。

(6)旋噴樁施工質量檢測應滿足相關規范要求。

(7)花管注漿采用φ75 mm鉆探引孔,自路堤邊坡按設計角度打入軟基下部持力層內不少于2 m。

(8)花管注漿應跳2孔施工。

(9)注漿材料選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥,水灰比0.75∶1。采用一次性注漿,以1 m為一個注漿段。注漿壓力10 m以下0.4～0.8 MPa；10 m以上0.2～0.4 MPa,注漿流量10～14 L/min。

(10)嚴格控制注漿速度、壓力和注漿量,終止條件應滿足：①10 m以下注漿壓力達到0.5 MPa,持續注漿10 min；②10 m以上注漿壓力達到0.2 MPa，持續注漿10 min。

6 結束語

沿海鐵路DK247軟土路基病害整治設計,專家論證認為可行、穩妥。實施后效果良好,軟土路基變形得到了控制。通過此路基病害整治設計有以下體會：

(1)軟土路基工程是高風險工程,應加強地質勘探,特別是應加強適量的軟基橫剖面勘探,詳細查明路段地基軟土層的空間分布及物質成分、物理力學指標。

(2)軟土路基施工圖設計,必須在取得充分的地質資料后方能進行。

(3)軟土地基處理施工過程,發現地質資料與設計不符時,應及時反饋,及時采取措施,解決問題于發端。

(4)軟土路基附近取土、挖溝、挖水塘等,對軟土路基穩定影響較大,應嚴格禁止。

[1]TB10001—2005 鐵路路基設計規范[S]

[2]TB10035—2006 鐵路特殊路基設計規范[S]

[3]TB10106—2010 鐵路工程地基處理技術規程[S]

[4]TB10038—2001 鐵路工程特殊巖土勘察規程[S]

[5]龔曉南.地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2008：411-452

[6]TB10621—2009 高速鐵路設計規范[S]