碎石注漿樁樁筏結構在高速鐵路軟基處理中的應用

朱一康

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

滬寧城際鐵路為高等級雙線鐵路，全線鋪設無砟軌道，是目前世界上已經建成并開通運營的標準最高、里程最長、運營速度最快的城際鐵路。無砟軌道對地基及基床的變形要求非常嚴格，要求路基工后沉降小于15 mm，同時基床必須滿足長期動力穩定性要求。滬寧城際鐵路沿線大多屬于長江三角洲沖積平原區，軟土、松軟土分布廣泛，厚度大，空間分布復雜，地基處理難度大。全線有46處下穿各類既有立交，受凈空高度影響，路基地段大多為低矮路堤，排水困難，需要對路基基底進行強化處理，而選擇適宜的措施對既有橋梁下的地基進行有效處理，是能否減少既有橋梁拆遷，以及降低線路高程、減小橋路比的關鍵，對本線的工程投資、施工工期有著極大的影響。

2 概況

2.1 工程概況

滬寧城際鐵路在常州市境內以路堤形式下穿既有沿江(常澄)高速公路圩墩大橋和S232省道圩墩大橋。本段路堤填筑高度3.1～4.4 m，橋下地面高程1.50 m，公路橋梁梁底高程12.69 m，凈空11.19 m，滬寧城際鐵路左線中心距公路墩臺邊緣最小距離為7.85 m，平面位置如圖1所示，路基橫斷面設計如圖2所示。采用傳統地基處理方案無法滿足既有公路橋下施工凈空要求。

2.2 工程地質條件

圖1 滬寧城際鐵路下穿沿江高速公路及S232省道平面示意(單位:m)

圖2 滬寧城際鐵路下穿沿江高速公路及S232省道設計斷面示意(單位:m)

工點屬長江三角洲沖積平原，地形平坦開闊，地勢低平，深厚層軟土、松軟土發育，軟弱土層底面深達27.5 m。軟土層具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低的特征，天然地基不能滿足工程要求，必須采用適宜的措施進行加固處理。各地層自上而下分別為:(0)層人工填土層，黏性土夾少量碎石，層厚約1.8 m;(1)層淤泥質粉質黏土層，流塑，夾有粉土透境體，層厚約7.9 m;(2)層粉質黏土層，硬塑，層厚約10.0 m;(3)層粉質黏土層，軟塑，層厚約7.8 m;(4)層粉土層，中密，很濕～飽和狀，層厚約6.0 m;(5)層粉質黏土層，硬塑，層厚大于5 m;各地層主要物理力學指標見表1。

表1 各地層主要物理力學指標

3 地基加固方案

3.1 地基加固方案的選擇

為滿足路基的穩定要求，并有效控制路基的工后沉降，經檢算，需要對地基進行深層加固處理，加固深度應達到(3)層軟塑粉質黏土層層底以下。工點地基可選擇的加固措施有:水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)、預應力管樁、鉆孔灌注樁、碎石注漿樁等。由于本工點對施工凈空有較大限制，僅為11.19 m，并且加固深度較大，因此，需要對各種加固方案進行比選。各種地基加固方案對本工點的適應情況分析見表2。

表2 各種地基加固方案適應性比選

通過對比分析，CFG樁施工設備高度大，不能滿足橋下凈空要求，且加固深度難以滿足本工點加固深度要求;預應力管樁雖然可滿足加固深度要求，但是無論是采用錘擊法還是靜壓法施工，橋下凈空均無法滿足機具設備的要求，如果采用管樁加固方案，必須拆除既有公路橋梁，待地基加固完成后重新架設橋梁。公路橋梁的拆除重建需要大量資金投入，交通臨時改道將造成很大的社會影響，增加巨大的社會成本，并對滬寧城際鐵路的總工期造成較大影響。鉆孔灌注樁及碎石注漿樁這2種地基加固方案，均可采用小型鉆孔樁樁機設備成孔，其機具設備高約7 m，滿足橋下施工空間要求，不需要拆除既有橋梁。同時，鉆孔灌注樁、碎石注漿樁都具有樁身強度大、單樁承載力高、地層適用范圍廣的特點，均適用于無砟軌道路基加固工程，能滿足地基加固要求，但是鉆孔灌注樁方案造價較高，相比之下碎石注漿樁方案更具優勢。在廣泛調研的基礎上，通過經濟、技術等多方面綜合比選，確定采用對既有公路橋梁無影響、造價較低的碎石注漿樁對該段地基進行加固處理。

3.2 地基處理方案設計

3.2.1 地基處理方案設計

根據工程地質條件，設計采用碎石注漿樁樁筏結構對地基進行加固處理。碎石注漿樁樁徑0.5 m，樁長29.5～30.0 m，樁間距1.8 m，采用正方形布置，樁頂鋪設鋼筋混凝土筏板。碎石注漿樁樁體材料采用碎石、中粗砂、水泥配合而成，按C20混凝土進行配比。

碎石注漿樁屬于剛性樁范疇，需要對樁的承載力進行驗算。單樁容許承載力[P]按式(1)和式(2)進行計算，并取其較小值

式中 η——樁身強度折減系數，取0.35～0.5;

Pf——樁體抗壓強度平均值;

Ap——樁身截面積;

U——樁身截面周長;

qi——樁周第i層地層的容許側阻力;

li——樁周第i層土的厚度;

qp——樁尖地層容許端阻力。

計算結果表明，單樁容許承載力大于樁頂所受到的荷載，路堤穩定性滿足規范要求。

沉降估算采用壓縮模量分層計算，沉降量S按式(3)進行計算

式中 Esi——第i層土的壓縮模量(對于加固區為復合模量);

ΔPi——路堤荷載對第i層土中點的附加應力;

Δhi——第i層土的厚度。

作用于下臥層頂面的荷載采用應力擴散法計算。壓縮層計算深度按應力比法確定，計算至附加應力等于0.1倍自重應力深度處。沉降估算結果表明:路基工后沉降滿足鋪設無砟軌道要求。

3.2.2 碎石注漿樁施工工藝

碎石注漿樁采用小型鉆孔樁機成孔，機具高度約7 m。施工步驟:平整場地→鉆孔定位→鉆孔至設計深度→插入注漿管至孔底→孔內充填碎石料至孔口→利用注漿管孔底返水洗孔→通過注漿管往孔內注漿，采用孔底返漿法注入水泥砂漿→樁頭插筋、振動搗密→養護成樁。樁體經檢驗合格后，在樁頂鋪設0.2 m厚碎石墊層，其上鋪設0.5 m厚C30鋼筋混凝土筏板。筏板混凝土強度滿足要求后，分層進行路基填筑至路肩設計高程。

4 效果評價

4.1 施工對既有公路的影響

碎石注漿樁樁筏結構處理橋下軟土地基施工期間，既有沿江(常澄)高速公路圩墩大橋和S232省道圩墩大橋均正常運營，無需采取封道或限速措施;施工未對既有公路橋梁造成任何質量影響。

4.2 沉降分析評估結果

路基主體工程施工完成后，對路基沉降變形進行連續觀測，并根據沉降特征評判路基沉降是否滿足鋪設無砟軌道的要求。沉降監測結果表明，本段路基填筑完成后，在堆載預壓期間，各沉降觀測點發生的最大沉降量為3.41 mm，采用Asaoka法預測最終沉降量為4.71 mm，滿足鋪設無砟軌道的要求。代表性沉降監測點沉降曲線見圖3。

圖3 代表性沉降監測點沉降曲線

4.3 實際運營效果評價

滬寧城際鐵路施工完成后，試運營期間列車最高時速達到354 km。經過1年的試運營及正式運營實踐，路基穩定，線路狀況良好，列車運營平穩，充分驗證了碎石注漿樁樁筏結構對本段地基的加固滿足線路穩定要求，沉降控制效果良好。

5 結論

碎石注漿樁樁筏結構處理深厚層軟土地基設計方案具有施工機具設備體積小、對施工空間要求不高、對周圍環境施工干擾小、加固深度大、地層適應性廣、造價相對低廉等優點，不僅成功地解決了滬寧城際鐵路路基工程工后沉降控制的難題，對節省投資和縮短工期起到了很大作用，而且豐富了國內深厚層軟土地區無砟軌道鐵路下穿既有橋梁地段路基基底處理方法，取得了良好的社會效益和經濟效益，可廣泛應用于高速鐵路、客運專線等高標準鐵路的設計與施工。

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