滬寧城際鐵路軟土路基地基處理設計綜述

李　杰

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

The Review of Subsoil Treatment Design of Soft Subgrade in Shanghai-Nanjing Intercity Railway

LI Jie

滬寧城際鐵路軟土路基地基處理設計綜述

李杰

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063)

The Review of Subsoil Treatment Design of Soft Subgrade in Shanghai-Nanjing Intercity Railway

LI Jie

摘要以滬寧城際鐵路路基工點設計為例，介紹鉆孔樁聯(lián)合板梁結構、管樁樁筏整體結構、CFG樁樁筏結構、CFG樁樁網(wǎng)結構、碎石注漿樁樁筏整體結構、攪拌樁結合素混凝土微型樁等新型地基處理措施的應用情況。

關鍵詞軟土路基鉆孔樁管樁CFG樁碎石注漿樁攪拌樁微型樁

1工程概況

新建滬寧城際鐵路西起江蘇省南京市既有南京站，向東基本沿既有滬寧鐵路走行，經(jīng)由鎮(zhèn)江市、常州市、無錫市、蘇州市，終至既有上海站。丹陽以西主要通過寧鎮(zhèn)剝蝕殘丘及長江高階地，以東主要為長江三角洲平原區(qū)。正線全長300.2 km，設計時速300 km，共設車站21座。全線除南京站、上海西至上海站區(qū)間鋪設有砟軌道外，其余地段均鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道；全線約170 km并行既有滬寧鐵路，以路基形式下穿既有鐵路、公路共有17處。正線路基長度99.899 km，上海西至上海站利用既有線改建路基長度4.18 km，總計104.069 km，占線路全長的34.7%。其中，南京站至上海西站新建區(qū)間路基長度79.290 km，站場路基長度20.599 km；正線路塹長度14.348 km，路堤長度84.386 km。軟土及松軟土路基長達61.514 km，黃渡至虹橋站直通線均為軟土路堤，長度0.819 km，其它聯(lián)絡線、動車走行線等路基長度共8.017 km，其中軟土路基長度5.032 km。

2路基工點復雜程度和主要特點

滬寧城際鐵路是世界上第一條修建于沖積平原深厚軟土地區(qū)的無砟軌道高速鐵路。丹陽以東主要通過長江三角洲平原區(qū)，沿線深厚層軟土、松軟土地基分布廣泛，約占線路長度的61%；成因類型復雜，包括不同時代沖積相、沖湖積相、湖沼積相、沖海積相等；地層結構復雜，厚度、埋藏深度變化大，軟土最厚達45 m，且蘇州以東多為“二層”或“三層”狀結構。軟土地基具有含水量大、孔隙比大、壓縮性高、靈敏度高、強度低的特點，且不同成因軟土性質(zhì)存在顯著差異，空間埋藏規(guī)律變化較大。而CRTSⅠ型板式無砟軌道結構對路基沉降變形控制提出了嚴格的要求，一般地段工后沉降不宜超過15 mm，橋路、隧路過渡段差異沉降不應大于5 mm。在如此復雜的深厚軟土地區(qū)，要實現(xiàn)無砟軌道路基工后沉降極其嚴格的控制要求，選擇技術可靠、經(jīng)濟合理、施工可行、環(huán)境友好的地基處理方案是本項目需解決的最關鍵技術問題。

滬寧城際鐵路沿線共設置車站21座，且多在既有站對側新建城際站，部分車站還利用了既有車場到發(fā)線。又分別在南京和上海修建直通線、聯(lián)絡線、動車走行線引入樞紐和動車運用所，線路平面關系極其復雜，技術標準跨越大，涵蓋了時速300 km無砟軌道至80 km有砟軌道各時速路基技術標準。其中正線除南京站、上海西至上海站利用既有線改建地段，以及車站到發(fā)線鋪設有砟軌道外，其余DK1+000～DK291+435段鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道；黃渡至虹橋站直通線為時速300 km無砟軌道，南京跨線聯(lián)絡線為時速120 km有砟軌道，南京西動車走行線、南翔動車走行線為80～120 km/h有砟軌道。正線、到發(fā)線、聯(lián)絡線、直通線動車走行線等不同線別設計標準差異極大，路基結構形式、填料及壓實標準、工后沉降控制標準等各不相同，同時還要在不同軌道結構、不同時速、不同工程類型間設置多種形式的過渡段。工程設計時，只有統(tǒng)籌考慮不同線別的技術標準、平面關系和相互影響，通過系統(tǒng)設計，才能合理選擇確定既滿足各線技術標準，又可有效控制工程投資的地基處理方案，這也是本線軟土路基設計的一個顯著特點。

滬寧城際鐵路并行既有滬寧線約170 km，其中軟土路基約46.7 km。既有滬寧鐵路行車密度大，要保證并行地段地基處理不影響既有線安全運營，對地基處理方案、地基加固機具設備、施工工藝的選擇均提出了嚴格的要求；沿線經(jīng)濟發(fā)達，城市發(fā)展迅速，滬寧城際鐵路多處下穿既有高速公路、市政道路和鐵路，其中17處以路基形式通過。受施工安全、空間高度控制，地基處理方式選擇也受到了很大限制，且沿線居民區(qū)等環(huán)境敏感點多，地基處理施工環(huán)保要求高，設計時需考慮施工對環(huán)境的影響。再加上長江三角洲平原區(qū)地勢低平，河、湖、溝、塘密布，水網(wǎng)發(fā)育，且多為內(nèi)澇區(qū)，路基排水難度大，地基處理設計時還要考慮內(nèi)澇浸水的不利影響。復雜的環(huán)境條件，使軟土路基設計面臨空前挑戰(zhàn)，復雜程度和難度巨大。

3軟土路基處理設計技術難度

工后沉降控制在允許的范圍內(nèi)是無砟軌道高速鐵路路基工程設計最關鍵技術問題，直接關系到工程建設的成敗，也是工程設計首要合理解決的問題。滬寧城際鐵路沿線路基大部分通過深厚層軟土地區(qū)，是國內(nèi)外首次在深厚層軟土地基上修建無砟軌道路基的高速鐵路，沉降控制設計難度尤為巨大。

除工后沉降控制外，差異沉降的控制也是設計難點。①縱向差異沉降控制：本線橋涵眾多、過渡頻繁、部分地段軟土地面起伏較大，要實現(xiàn)路基與橋梁等構筑物間的剛度與變形平穩(wěn)過渡，保證旅客列車高速、平穩(wěn)、舒適的運營，縱向差異沉降控制設計是關鍵。②橫向差異沉降控制：樞紐和車站內(nèi)并行線路眾多，如新線與既有線并行、正線與站線并行、不同標準鐵路并行等，要保證不同鐵路均有良好的工作性狀，同時有效控制投資，必須作好橫向差異沉降控制設計。

沿線受既有道橋、高壓走廊等構筑物和既有線路肩高程控制，路基工程主要為低矮軟土路堤，大部分地段路基填高接近或小于基床厚度。實測資料表明：采用傳統(tǒng)方案處理的低矮軟土路基自身抗變形、調(diào)節(jié)應力的能力差，列車動力作用會傳遞至基底以下，地基土在長期動力作用下會產(chǎn)生較大的塑性變形，對路基面變形和軌道結構的平順性和安全性造成不利影響，由此引起的路基病害時有發(fā)生。因此，本線地基處理設計不僅要確保有效控制工后沉降，還要充分考慮列車長期動應力對地基的影響，需針對不同處理方案，采取與之相匹配的淺層水平向加強措施，進一步加大了地基處理設計的難度。

受制于復雜的環(huán)境邊界條件控制，本項目地基處理方案、施工機具設備、施工工藝的選擇均受到了很大限制。根據(jù)工點所處復雜的環(huán)境條件以及安全、環(huán)保等要求，地基處理設計中充分吸收了京滬高速鐵路昆山試驗段等前期課題研究成果，以及地方巖土工程處理經(jīng)驗，經(jīng)充分論證分析和方案比選，研發(fā)并采用了大量新技術，新結構，包括鉆孔樁聯(lián)合多跨連續(xù)薄板梁結構、預應力管樁“樁承式”路堤、CFG樁樁筏結構、碎石注漿樁樁筏結構、素混凝土微型樁技術等，適應了復雜環(huán)境條件下的軟土地基處理要求。

4典型軟土路基地基處理設計措施

針對滬寧城際鐵路特點，軟土路基設計時，在充分分析本線軟土地基工程性質(zhì)、技術標準和建設邊界條件等主要約束技術條件的基礎上，按照創(chuàng)優(yōu)設計的規(guī)劃目標，貫徹執(zhí)行“強本簡末、資源節(jié)約、環(huán)境友好”鐵路建設新理念，對地基處理設計措施進行多方案精心優(yōu)化比選，確定合理的地基處理措施，強化了滿足路基功能及保證安全的設計，自主研發(fā)和引進多項新技術、新結構，并嚴格控制工程投資。從實施和監(jiān)測情況看，成功的控制了深厚軟土路基工后沉降，設計達到了工程要求并有效控制了工程投資。目前，滬寧城際鐵路已成功運營兩年有余，軟土路基性能狀態(tài)良好。相關設計成果為我國高速鐵路軟土路基工程建設提供了可供借鑒的設計、施工理論與實踐經(jīng)驗，并已在其他高速鐵路中得到了推廣應用，軟土地基處理設計總體上達到了國際領先水平。

滬寧城際鐵路正線軟土及松軟土路基長度62.333 km(含黃渡至虹橋站直通線0.819 km)；聯(lián)絡線動車走行線等路基長度共8.017 km，軟土及松軟土路基長度5.032 km。鐵路技術標準包括300 km/h無砟軌道至80 km/h有砟軌道各級速度目標值線路，以及高速站、動車運用所等大型場地。軟土地基處理方法涵蓋了換填法、復合地基法、剛性筏板結構以及特殊結構等主要高速鐵路地基處理設計類型，在高速鐵路軟土路基設計中具有典型意義。

4.1　鉆孔樁聯(lián)合多跨連續(xù)薄板梁結構

鉆孔樁聯(lián)合多跨連續(xù)薄板梁結構由鉆孔樁和上部鋼筋混凝土承載板梁組成。其加固深度不受地層結構控制，適用于深厚軟土地段、雙(多)層軟土地段、下穿既有交通設施地段、臨近既有線地段，以及當CFG樁、管樁等加固措施加固深度不足或施工困難地段。

鉆孔樁聯(lián)合多跨連續(xù)薄板梁結構中板梁為C30鋼筋混凝土板，單元板梁長26.98 m(2.5 m+7 m+8 m+7 m+2.5 m)，寬13.0 m，厚0.8～0.86 m。沿縱向設4排、每排橫向設5根鉆孔樁，間距2.6 m，樁徑0.8 m，單元板梁之間設0.02 m伸縮縫。綜合考慮動力特性、結構設計等各種因素，軌道結構混凝土底座板以下至薄板梁間填土厚度1.4～2.5 m較為合理。計算時，軌道結構混凝土底座下填土按45°應力擴散角作用于板梁頂面，永久荷載考慮列車荷載、填土荷載、結構自重、溫度力等，并進行特殊工況荷載組合驗算，將整體結構視為平面鋼架，采用COMPUTATION OF PILE FOUNDATION、橋梁博士系統(tǒng)等計算工具進行結構內(nèi)力計算，按允許應力法進行結構配筋設計。

該方案成功解決了在深厚層軟土地段、多層軟土地段、厚層硬殼層地段、臨近既有線地段及下穿高架道路地段軟土地基上無砟軌道高速鐵路沉降控制的關鍵技術問題，并滿足低填淺挖地段路基基床要求。

4.2　管樁樁筏整體結構

管樁樁筏整體結構是由高強度預應力混凝土管樁和筏板共同組成的整體結構，管樁樁徑0.5 m，間距2.2～2.4 m，正方形布置，樁頂設C30鋼筋混凝土筏板，板厚0.5 m，管樁和筏板采用“錨固式”連接，具有承載性能好、剛度大、抗變形能力強、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。

對并行既有線深厚軟土地段，采用管樁樁筏結構輔以應力釋放孔加固，以減少在地基施工期間引起的既有線隆起和水平位移，可確保既有線的運營安全。科技信息查新表明，“管樁樁筏結構輔以應力釋放孔施工”技術為國內(nèi)首創(chuàng)，該技術成功解決了在加固深度超過20 m的深厚層軟土地段高速鐵路路基沉降控制的關鍵技術問題，并滿足低填淺挖地段路基基床要求。

4.3　CFG樁樁筏整體結構

CFG樁樁筏整體結構設計技術即豎向采用CFG樁處理，在樁頂設0.2 m厚碎石墊層，墊層以上設C30鋼筋混凝土板，板厚0.5m。CFG樁樁徑0.5 m，間距1.8～2.4 m，正方形布置。考慮到鋼筋混凝土受溫度影響及施工便利，根據(jù)CFG樁樁間距不同，筏板長度分別設為14.38 m、15.28 m，筏板寬大于軌道板外緣1∶1應力擴散線以外。

在列車動荷載作用下，樁網(wǎng)結構柔性加筋墊層由于受動力作用而變得復雜，當填土高度小于3 m地段，或無硬殼層軟土地基地段，采用樁筏結構可保證低矮路基的長期穩(wěn)定性。在樁頂與筏板間鋪設一層碎石墊層，改善了樁-筏受力特性，簡化了結構的受力分析模型。

4.4　CFG樁樁網(wǎng)結構

CFG樁網(wǎng)復合地基，樁徑0.5 m，間距1.6～1.8 m，正方形布置，樁頂設置擴大樁頭，并于樁頭頂鋪設0.6 m厚的夾筋碎石褥墊層，夾筋材料為兩層經(jīng)編雙向土工格柵，抗拉強度不小于110 kN/m。

樁網(wǎng)結構適用于填土高度大于等于3.0 m地段，樁頂采用擴大樁頭，可避免樁頂?shù)拇倘肫茐模欣诤奢d向樁集中，以便更充分發(fā)揮樁的承載作用，同時也可以改善樁頂部分加筋墊層受力。

4.5　碎石注漿樁樁筏整體結構

碎石注漿樁為非擠土樁，具有工藝簡單、質(zhì)量易控、工效高等特點，適宜狹小空間地基處理，樁徑0.5 m，有效處理深度可達30 m，成樁后樁體強度可達15～20 MPa，屬剛性樁范疇。其工法是先采用小型鉆機成孔，孔內(nèi)預埋洗孔和注漿管，之后填充粒徑單一、級配不良的粗骨料，用清水洗孔后再注入M40水泥砂漿，待水泥砂漿初凝后進行樁頭補漿處理。碎石注漿樁樁筏整體結構即在樁頂設0.2 m厚碎石墊層，墊層上部鋪設C30鋼筋混凝土板，板厚0.5 m。

在下穿丹昆公路、常澄高速公路等軟土地基處理中應用了該項技術。施工期間未對公路橋梁結構和既有滬寧鐵路運營造成不利影響，路基建成后，工后沉降小于15 mm，滿足鋪設無砟軌道要求。無砟軌道下穿既有公路軟土路基處理中采用碎石注漿樁樁筏結構為國內(nèi)首創(chuàng)。

4.6　攪拌樁結合素混凝土微型樁

針對上海西至上海站間有碴軌道低填方路基，采用攪拌樁結合素混凝土微型樁處理。攪拌樁頂設0.6 m碎石墊層，內(nèi)夾一層土工格室，樁徑0.5 m，樁間距1.0 m，正方形布置，樁長8.0～10.0 m；靠近既有線側4.0～6.0 m范圍內(nèi)地基采用C15素混凝土微型樁加固，樁徑0.3 m，素混凝土微型樁間距0.6 m，正方形布置，樁長2.5 m。

DK290+210～DK292+497.19工點應用攪拌樁結合素混凝土微型樁處理，解決了臨近既有線有砟軌道低填軟土路基基床承載力不足的問題，同時也保證既有運營線路的安全。

5結束語

(1)滬寧城際軟土路基成功處理，改變了高速鐵路在深厚層軟土地區(qū)以橋代路的傳統(tǒng)觀念，對我國高速鐵路的發(fā)展具有重大意義。地基處理設計充分考慮了邊界條件的復雜性，確保了相關交叉工程施工安全和施工期間既有滬寧線的正常運營。

(2)結合軟土地基處理設計施工開展了鉆孔樁+連續(xù)薄板梁結構設計技術、預應力管樁、CFG樁、碎石注漿樁樁筏結構設計技術、素混凝土微型樁設計技術等相關試驗研究，取得了豐碩成果，對完善相關規(guī)范、提高高速鐵路路基設計水平具有極大的促進作用。

參考文獻

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中圖分類號：P209

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)02-0042-03

作者簡介：李杰(1971—)，男，1995年畢業(yè)于中南工業(yè)大學巖土工程專業(yè)，高級工程師。

收稿日期：2014-12-18