軟土地區(qū)施工對臨近高速鐵路橋臺影響的試驗研究

王淑敏

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300142)

軟土地區(qū)施工對臨近高速鐵路橋臺影響的試驗研究

王淑敏

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300142)

目前國內(nèi)、外關(guān)于臨近高速鐵路施工對既有工程影響的相關(guān)研究較少，尤其缺乏對軟土地區(qū)臨近既有高速鐵路基坑開挖的施工和影響既有工程變形的研究。文章以翠亨路下穿既有高速鐵路工程為依托，針對軟土地區(qū)臨近既有運營高速鐵路剛構(gòu)中橋的高壓旋噴樁施工和基坑開挖對橋臺的影響進行了橋臺足尺試驗，開展了旋噴樁止水帷幕效果試驗、旋噴樁止水帷幕施工對周圍土體擠壓試驗、橋下止水帷幕及封底旋噴樁施工對橋臺影響試驗、基坑開挖與橋下開挖對橋臺的影響試驗等多項研究。按照同比例結(jié)構(gòu)模型、實際施工工序和施工環(huán)境的試驗方法，得到了基坑開挖施工對臨近既有高速鐵路影響的試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，為今后在軟土地區(qū)臨近既有高速鐵路施工時，基坑開挖防護措施的設(shè)計及施工提供經(jīng)驗借鑒。

高速鐵路； 軟土地區(qū)； 旋噴樁施工； 基坑開挖； 試驗研究

1 前言

近年來隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，許多重要城市之間已建成高速鐵路、客運專線等高等級鐵路。目前，我國高速鐵路的運營里程居世界之首。然而，我國人均耕地資源稀少，為了高效利用寶貴的土地資源，有許多新建的鐵路或大型管道在局部范圍內(nèi)不得不與已建成的高等級鐵路并行或立體交叉。特別是在我國沿海地區(qū)興建這些基礎(chǔ)設(shè)施，因其地質(zhì)松軟，并伴隨有豐富的地下水，且既有高速鐵路對沉降十分敏感，給我們帶來了一系列的工程技術(shù)難題。比如，深基坑施工時的止水問題，深基坑開挖對既有高等級鐵路的變形影響。為了解決如上問題，確保既有高等級鐵路的運營安全，我們必須圍繞上述問題展開相應(yīng)的試驗研究，獲得第一手可靠的數(shù)據(jù)，為我們的設(shè)計、施工、監(jiān)測建立起不可或缺的科學(xué)支撐。

目前，國內(nèi)外關(guān)于臨近高速鐵路工程施工對既有高速鐵路影響的相關(guān)研究較少。本工程翠亨路下穿既有高速鐵路和既有普速鐵路線，終止于鐵路南側(cè)。既有高速鐵路在與下穿道路交叉處，線路由2條正線及2條到發(fā)線組成，2條正線為無砟軌道線，時速350 km/h，線間距5.0 m，到發(fā)線為有砟軌道線，高速鐵路設(shè)計之初為下穿道路的通過預(yù)留了(16+20+16) m剛構(gòu)中橋。整個工程由既有普速鐵路線下頂進框構(gòu)橋以及既有高速鐵路剛構(gòu)中橋橋下封閉路塹式U型槽兩部分組成。既有運營高速鐵路地處松軟土地區(qū)，位于區(qū)域沉降漏斗內(nèi)，高速鐵路開通運營以來地面沉降趨勢明顯，段落內(nèi)差異沉降明顯，特別是翠亨路下穿既有高速鐵路預(yù)留剛構(gòu)中橋路橋過渡段產(chǎn)生了較大的不均勻沉降，為避免橋下旋噴樁施工對既有高速鐵路造成附加沉降引起運營安全，本文針對軟土地區(qū)臨近運營高速鐵路通道工程高壓旋噴樁施工和開挖對橋臺影響做了相關(guān)試驗研究。進行了高速鐵路剛構(gòu)橋橋臺足尺試驗，開展了旋噴樁止水帷幕效果試驗、旋噴樁止水帷幕施工對周圍土體擠壓試驗、橋下止水帷幕及封底旋噴樁施工對橋臺影響試驗、基坑開挖與橋下開挖對橋臺的影響試驗等多項研究。

2 旋噴樁止水帷幕止水效果試驗研究

2.1 試驗?zāi)康?/p>

通過無止水帷幕直接開挖基坑，以及采用兩組不同旋噴參數(shù)(噴射壓力、提速)的全封閉帷幕止水試驗，檢驗對比成樁情況和止水效果。以便選取最佳的旋噴參數(shù)，以達到帷幕止水目的，實現(xiàn)基坑無水施工。為后面的進一步實驗創(chuàng)造條件。

2.2 試驗方案

本試驗采用單管法施工。該試驗對三種不同的施

工方案進行施工效果對比，選取最佳的旋噴參數(shù)。

方案1：對原狀土不采取任何處理，直接開挖基坑。

方案2：全封閉止水帷幕雙排方形咬合工藝，樁長11.5 m，止水帷幕樁48根；封底旋噴樁16根，樁長4 m，位于旋噴止水底部，止水帷幕旋噴樁施工順序成折線形，止水帷幕平面布置如圖1所示。

圖1 雙排旋噴樁方形咬合布置及打樁順序圖(cm)

方案3：全封閉止水帷幕雙排梅花形咬合，樁長10 m，止水帷幕樁52棵；封底旋噴樁23根，樁長4 m，位于距地面6m深處。止水帷幕施工順序為先施打一排旋噴樁后，返回來施打第二排，止水帷幕平面布置及施打順序如圖2所示。方案2、3旋噴樁施工參數(shù)如表1所示。

圖2 雙排旋噴樁梅花形咬合布置及打樁順序圖(cm)

對應(yīng)方案噴射壓力/MPa鉆速/(轉(zhuǎn)/min)提速/(cm/min)噴嘴直徑/mm設(shè)計樁徑/cm設(shè)計樁間距/cm咬合方式方案22520202.46040雙排方形咬合方案32820182.46040雙排梅花形咬合

2.3 試驗結(jié)果及分析

試驗方案1中無止水帷幕，在基坑開挖深1 m左右，基坑坑內(nèi)出現(xiàn)滲水，待基坑開挖完畢后，坑內(nèi)積水如圖3所示，圖4為采用止水帷幕后開挖基坑效果圖，從上述兩圖可知，采用止水帷幕施工可以有效地實現(xiàn)基坑止水。

圖3 無止水帷幕直接開挖基坑效果圖

圖4 采用止水帷幕后開挖基坑效果圖

旋噴樁達到強度后，將止水帷幕中間土體挖開。從方案2開挖結(jié)果來看，單樁成樁效果較好，但樁位間距大小不一，樁徑達不到要求，通過尺量，旋噴樁直徑僅55 cm，樁與樁之間搭接較少。帷幕四周有6處滲出水點，其中帷幕拐角出現(xiàn)3處出水點。在距地面4.7～4.9 m深處，為粉土夾層，樁體出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象，樁徑僅50 cm，樁間出現(xiàn)1 cm直徑的涌水。

從方案3開挖結(jié)果來看，距地面1.2 m范圍內(nèi)，因土體較疏松，水泥漿竄漿較嚴重，開挖面成墻狀，1.2 m以下則成樁完整，樁墻排列整齊，樁位間距均勻，樁與樁之間搭接滿足要求，旋噴樁直徑63 cm。但是，樁體本身分布有小裂隙。距地面4.6～5 m為粉土夾層，因為復(fù)噴，樁徑60 cm。止水帷幕無滲漏現(xiàn)象。

從基坑開挖止水情況來看，試驗方案3止水效果要優(yōu)于試驗方案2，止水帷幕施工采用試驗方案3旋噴參數(shù)。

3 旋噴樁止水帷幕施工對周圍土體擠壓試驗研究

3.1 試驗?zāi)康?/p>

在黏土層中，不同旋噴壓力作用下，測試高壓旋噴施工對周圍土體擠壓作用影響范圍及大小，以便確定止水帷幕安全施工距離。

3.2 試驗方案

試驗方案1: 在黏土層中，以25 MPa旋噴壓力施工一道止水帷幕，長15 m，雙排咬合，樁長18 m，在距止水帷幕6 m、9 m、12 m、15 m處各設(shè)一個觀測點。

試驗方案2: 在黏土層中，以28 MPa旋噴壓力施工一道止水帷幕，長15 m，雙排咬合，樁長18 m，在距止水帷幕6 m、9 m、12 m、15 m處各設(shè)一個觀測點。

測點編號分別為XP1、XP2、XP3、XP4。

3.3 試驗結(jié)果及分析

試驗方案1(25 MPa旋噴壓力)和方案2(28 MPa旋噴壓力)施工止水帷幕時，各觀測點水平及豎向位移結(jié)果詳見表2、表3。

表3 方案2觀測點位移

旋噴壓力越大，對止水帷幕近距離土體擠壓作用越強，引起的土體遠離止水帷幕方向水平位移越大，但當(dāng)距離增大到15 m的時候，影響甚微，測點不同距離測點水平位移曲線如圖5所示。

圖5 方案1、2不同距離測點水平位移曲線

旋噴壓力越大，對止水帷幕近距離土體沉降影響越大，周圍引起土體隆起，但當(dāng)距離增大到15 m的時候，影響甚微。測點不同距離測點豎向位移曲線如圖6所示。

圖6 方案1、2不同距離測點豎向位移曲線

4 橋下止水帷幕、封底旋噴樁施作對橋臺影響試驗研究

4.1 試驗?zāi)康?/p>

盡管高壓旋噴樁止水帷幕有很好的止水效果，但在施工過程中會對周圍土體產(chǎn)生明顯的擠壓作用，引起周圍土體產(chǎn)生側(cè)向位移，進而使橋臺承臺基礎(chǔ)受到較大的側(cè)向擠壓力。

因此，需要實時監(jiān)測承臺關(guān)鍵斷面的應(yīng)力、周圍土體的土壓力變化，以及承臺結(jié)構(gòu)的變形，掌握結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及變形情況，為評估結(jié)構(gòu)安全和施工安全提供依據(jù)。

4.2 測點布設(shè)

(1)試驗橋臺承臺應(yīng)變測點布置情況，如圖7所示。

圖7 承臺應(yīng)變測點布置平面圖

(2)土壓力監(jiān)測測點布置情況，如圖8所示。

圖8 土壓力測點布置平面圖

(3)橋臺承臺結(jié)構(gòu)變形觀測測點布置情況，如圖9所示。

圖9 承臺結(jié)構(gòu)變形測點布置圖

4.3 試驗方案

按照實際的施工工藝和施工順序，在等比例結(jié)構(gòu)模型的尺寸下制定如下試驗方案。

(1)試驗方案1: 無堆載單排高壓旋噴樁施工影響范圍試驗

測試過程中，分別在承臺上布置沉降及應(yīng)變監(jiān)測點。其中，承臺上應(yīng)變監(jiān)測點合計12個，如圖10所示。施工作業(yè)在橋臺東側(cè)10 m處，由遠及近依次進行，共25根樁。

圖10 方案1測點布置及施工平面圖(cm)

(2)試驗方案2:有堆載多排高壓旋噴樁施工對橋臺影響試驗

該試驗方案分為填土階段和打樁階段兩個階段。此試驗承臺位移及應(yīng)變觀測點布置與無堆載單排高壓旋噴樁施工影響范圍試驗相同，橋臺南側(cè)有土壓力監(jiān)測點4個，如圖11所示。試驗共分為2個階段，第1階段于橋臺北側(cè)進行填土作業(yè)，高度8.5 m。第1階段填土施工結(jié)束后，按計劃實施第2階段在橋臺南側(cè)由近及遠進行打樁施工，每排7根，共25排。

圖11 方案2測點布置及施工平面圖(cm)

4.4 試驗結(jié)果

(1)應(yīng)力測試結(jié)果

根據(jù)方案1試驗數(shù)據(jù)得出，單排高壓旋噴樁施工對橋臺有一定的影響，但影響很小，在最后一根旋噴樁施工完成后，橋臺西側(cè)受到的最大拉應(yīng)力也只有166 kPa。而鋼筋混凝土承臺采用了C30混凝土，橋臺受到的最大應(yīng)力遠小于C30混凝土的抗拉強度1.43 MPa、抗壓強度14.3 MPa，因此該試驗工況對結(jié)構(gòu)的安全沒有影響。

根據(jù)方案2填土階段試驗承臺應(yīng)力數(shù)據(jù)得出，相對于無堆載單排高壓旋噴樁施工影響范圍試驗對橋臺的受力有較明顯的影響，當(dāng)全部填土完成后，橋臺臺尾受到的拉應(yīng)力約為401 kPa，但總體上看，有堆載多排高壓旋噴樁施工對橋臺影響試驗第一階段填土施工時橋臺的受力較小，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

根據(jù)方案2打樁階段承臺應(yīng)力數(shù)據(jù)得出，打樁階段橋臺臺尾產(chǎn)生最大的拉應(yīng)力是312 kPa，且在打完第11排樁后，后續(xù)的旋噴樁施工對橋臺的影響趨于緩和。總體上，橋臺的受力較小，且鋼筋混凝土承臺采用了C30混凝土，因此結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

(2)土壓力測試結(jié)果

根據(jù)方案2打樁階段試驗土壓力數(shù)據(jù)，打樁階段土壓力測點處最大的土壓力值為3.5 kPa，且在打完第10排樁后，后續(xù)的旋噴樁施工對測點處土體逐漸不產(chǎn)生影響。總體上，周圍土體土壓力的變化很小，滿足要求，因此結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

(3)側(cè)向位移結(jié)果

根據(jù)方案1試驗數(shù)據(jù)得出，單排高壓旋噴樁施工對橋臺側(cè)向位移有影響，在最后一根旋噴樁施工完成后，橋臺橫橋向側(cè)移最大值為1.8 mm，影響較小。

根據(jù)方案2打樁階段試驗側(cè)向位移數(shù)據(jù)，打樁階段橋臺頂向臺前方向水平側(cè)移最大值為2.9 mm，且在打完第8排樁后，后續(xù)的旋噴樁施工對橋臺位移的影響趨于緩和。總體上，由于高壓旋噴樁的擠土作用，橋臺的側(cè)向位移有一定減小。

(4)沉降結(jié)果

根據(jù)方案1試驗數(shù)據(jù)得出，相對于側(cè)向位移，單排高壓旋噴樁施工對橋臺沉降影響很小，在最后一根旋噴樁施工完成后，橋臺隆起累計值為0.5 mm，小于規(guī)范20 mm的要求。

根據(jù)方案2填土階段試驗沉降數(shù)據(jù)得出，相對于無堆載單排高壓旋噴樁施工影響范圍試驗填土施工對橋臺的沉降有較明顯的影響，當(dāng)全部填完土后，橋臺沉降累計值為3.8 mm，小于規(guī)范20 mm的要求。

根據(jù)方案2打樁階段試驗側(cè)向位移數(shù)據(jù)得出，打完所有樁后橋臺沉降最大值為2.8 mm，小于規(guī)范20 mm的要求，且在打完第8排樁后，后續(xù)的旋噴樁施工對橋臺沉降影響逐漸減小。總體上，由于高壓旋噴樁的擠土作用，使橋臺隆起累計值為1.0 mm，對橋臺的總體附加沉降有一定減小。沉降值滿足規(guī)范要求。

5 基坑開挖與橋下開挖對橋臺的影響試驗研究

5.1 試驗?zāi)康?/p>

通過基坑開挖對不同距離地面的觀測點進行沉降觀測，以掌握U槽開挖對高速鐵路路基的影響。另外，驗證城際剛構(gòu)橋U型槽基槽開挖監(jiān)測開挖過程對剛構(gòu)橋橋臺承臺的影響是否滿足設(shè)計要求。

5.2 試驗方案

本試驗分為兩部分，第一部分為檢測基坑開挖引起周邊土體沉降大小及影響范圍，第二部分為檢測U4開挖對橋臺水平位移、沉降和應(yīng)力的影響。

5.2.1 基坑開挖試驗方案

距離基坑南側(cè)邊緣每隔5 m設(shè)一觀測點，共設(shè)8個點，編號由近到遠分別為XP1～XP8，共計40 m。從框構(gòu)基坑開挖起，每天用精密水準(zhǔn)儀量測一次，以取得各觀測點每日變化情況。基坑兩側(cè)及后背采用垂直開挖，前端采用放坡開挖，坡度為1∶1.5，基坑長52 m，寬42 m，深6 m。坡道寬5 m，長15 m。

5.2.2 U型槽開挖試驗方案

該試驗方案是在本文第4部分填土階段和打樁階段完成后，進一步進行的試驗。不同于設(shè)計中城際剛構(gòu)橋U型槽基槽邊距離橋臺下承臺僅3 m，試驗中采用最不利方式，緊貼承臺邊開挖基槽，開挖深度為2.5 m，是U4段基槽最大開挖深度。

5.3 試驗結(jié)果

5.3.1 基坑開挖對周圍土體影響試驗結(jié)果

基坑開挖共計7天，地面測點在第10天基本完成變形，其中XP1觀測點隆起最大，為3.5 mm，到40 m處，隆起基本為0，觀測點沉降表見表4，觀測點沉降如圖12所示。

表4 觀測點沉降表

圖12 觀測點沉降圖

5.3.2 橋下U型槽開挖對橋臺影響試驗結(jié)果

隨著基槽的開挖，承臺受到的應(yīng)力從196 kPa穩(wěn)步上升到約220 kPa。橋臺隨著開挖深度的增大而逐漸向基槽側(cè)發(fā)生水平位移1.3 mm，橋臺豎向略有隆起，不過不明顯。這也是由于基槽開挖深度淺的緣故。總的來說，開挖階段對橋臺結(jié)構(gòu)的受力、變形都有影響，但總體上影響都較小，結(jié)構(gòu)都處于安全狀態(tài)，結(jié)果數(shù)據(jù)詳如圖13～圖15所示。

圖13 橋臺應(yīng)力結(jié)果

圖14 臺頂水平變形結(jié)果

圖15 橋臺沉降結(jié)果

6 結(jié)論

(1)旋噴樁止水帷幕止水效果試驗結(jié)果表明：采用高壓旋噴樁止水帷幕可以有效地實現(xiàn)基坑止水。在黏土層中且σ0=85～120 kPa情況下，當(dāng)旋噴壓力為25 MPa時，樁徑為55 cm；當(dāng)旋噴壓力為28 MPa時，樁徑為63 cm，地表處樁徑達到70 cm。要達到旋噴樁直徑60 cm的要求，旋噴壓力以28 MPa為宜。在同間距、同壓力、同提速情況下，止水帷幕兩排旋噴樁間梅花形咬合的止水效果要強于方形咬合。止水帷幕滲漏點多出現(xiàn)在拐角處及旋噴樁施工間隔時間較長處。

(2)旋噴樁止水帷幕施工對周圍土體擠壓試驗結(jié)果表明：高壓旋噴樁施工會對周圍土體產(chǎn)生影響，引起周圍土體的水平及豎向變形。不同旋噴壓力的旋噴樁對周圍土體引起的影響不同，旋噴壓力越大對周圍土體引起的水平及豎向變形也越大。旋噴樁施工對周圍土體的影響，隨著距旋噴樁施工距離的增大而減小。在軟土地區(qū)，當(dāng)距離達到15 m時，旋噴樁對周圍土體的水平及豎向變形的影響已經(jīng)很小，可以作為沒有影響考慮。

(3)橋臺足尺試驗結(jié)果表明：無堆載單排高壓旋噴樁施工，隨著施工距離的減少，對橋臺的應(yīng)力、側(cè)向位移以及沉降的影響有逐漸增大的趨勢。在橋臺東側(cè)打單排旋噴樁會引起橋臺向西側(cè)彎曲，對承臺產(chǎn)生一定的擠壓應(yīng)力，承臺最大應(yīng)力為166 kPa；橋臺頂向橫橋向方向發(fā)生水平位移1.8 mm；橋臺最大隆起0.5 mm。

(4)有堆載多排高壓旋噴樁施工填土階段，隨著臺后土層高度的增加，對橋臺的應(yīng)力、側(cè)向位移以及沉降的影響有逐漸增大的趨勢；打樁階段，隨著施工距離的增加，對橋臺的應(yīng)力、側(cè)向位移以及沉降的影響有逐漸減小的趨勢。在橋臺臺后填筑土?xí)r，橋臺向臺前方向發(fā)生彎曲，臺尾處最大拉應(yīng)力為401 kPa；橋臺頂向臺前方向發(fā)生水平位移2.9 mm；橋臺沉降3.8 mm。

(5)在橋臺臺前打樁時，使橋臺向臺尾方向發(fā)生彎曲，與填土階段彎曲方向相反，但作用效果沒有臺后填土階段大，故整體表現(xiàn)為橋臺仍向臺前方向彎曲，當(dāng)打樁完成以后臺尾處1號測點最大拉應(yīng)力減少到312 kPa；橋臺頂前方水平位移減小到2～9 mm，沉降量減小到2.8 mm。因此，在臺前打樁過程中，高壓旋噴樁的擠壓作用明顯，橋臺向臺尾方向傾倒，引起的臺尾處1號測點最大應(yīng)力變化為-89 kPa(受壓)，橋臺頂向臺尾方向發(fā)生水平位移變化量為4 mm；橋臺隆起1 mm。

(6)基坑(長52 m，寬42 m，深6 m)開挖在周圍區(qū)域內(nèi)會引起波狀沉降。在軟土地區(qū)黏性土層中，基坑開挖深度在7 m以內(nèi)時，基坑周圍土體隆起且隨距離增加而逐漸衰減，隆起最大數(shù)值為3.5 mm，影響半徑約40 m。

(7)隨著基坑的開挖，橋臺隨著開挖深度的增大而逐漸向臺尾傾斜，發(fā)生指向臺尾的水平位移1.3 mm。橋臺豎向略有隆起，但由于基槽開挖深度淺的緣故，隆起數(shù)值較小。

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Test Research on Influence of Construction in Soft Soil Area on Abutment of Near High-Speed Railway

WANG Shumin

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

At present, there is little domestic or foreign research about the influence on existing high speed railway engineering when constructing nearby, we are lack of research about the existing high-speed railway engineering deformation caused by excavation nearby in the soft soil area especially. This article is based on Cuiheng Road underpass existing high-speed railway project, we conducted abutment full-scale test about the influence on abutment caused by excavation and the high pressure jet grouting pile construction near the existing high-speed railway rigid frame bridge in soft soil area, the test about jet grouting pile waterproof curtain effect, the test about surrounding soil extrusion caused by jet grouting pile water stop curtain construction, the test about impact on the abutment caused by waterproof curtain and back cover jet grouting pile construction under the bridge, the test about impact on the abutment caused by foundation excavation and the excavation under the bridge, and so on. According to the same proportion structure model and the actual construction process and construction environmental test method, we got the experimental data and results of the influence on the existing high-speed railway caused by foundation excavation nearby, and this can provide experience and reference about excavation protective measures design and construction in soft soil area adjacent to the existing high-speed railway construction in the future.

high speed railway; soft soil area; jet grouting pile construction; foundation excavate; experimental research

2016-01-25

王淑敏(1972-)，女，高級工程師。

1674—8247(2016)02—0069—07

TU997

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