臨近既有客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的高鐵路基地基處理設(shè)計(jì)

杭紅星

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

?

臨近既有客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的高鐵路基地基處理設(shè)計(jì)

杭紅星

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

以商合杭高鐵阜陽(yáng)至杭州段路基設(shè)計(jì)工點(diǎn)為例，介紹了碎石注漿樁、泡沫輕質(zhì)土、鉆孔樁+U形槽結(jié)構(gòu)、管樁樁板結(jié)構(gòu)等地基處理措施在各種工程地質(zhì)條件下的臨近營(yíng)業(yè)線(xiàn)路基地基處理中的應(yīng)用情況。

臨近營(yíng)業(yè)線(xiàn)； 泡沫輕質(zhì)土； 碎石注漿樁； U形槽； 管樁樁板結(jié)構(gòu)

1 工程概況

商合杭鐵路阜陽(yáng)至杭州段北起安徽省淮南市，經(jīng)由合肥、巢湖、蕪湖、宣城、湖州，終止于既有杭州東站。全線(xiàn)地形地貌分界明顯，淮河以北主要為淮河沖積平原，淮河及其支流高階地主要分布在淮南至合肥北城一帶，長(zhǎng)江及其支流一級(jí)階地主要分布在巢湖至蕪湖一帶，剝蝕殘丘零星分布于淮南、巢湖、安吉等地區(qū)。商合杭鐵路阜陽(yáng)至杭州段新建正線(xiàn)全長(zhǎng)349.978 km，全線(xiàn)除肥東、蕪湖站為有碴軌道外，其余地段正線(xiàn)均鋪設(shè)CRTSⅢ型無(wú)砟軌道。全線(xiàn)路基建筑總長(zhǎng)度76.283 km。

2 臨近既有客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基設(shè)計(jì)難點(diǎn)

鐵路系統(tǒng)一般規(guī)定距既有線(xiàn)線(xiàn)路中心30 m范圍內(nèi)為臨近營(yíng)業(yè)線(xiàn)范圍，其施工屬于營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工安全管理范疇。客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基對(duì)變形要求嚴(yán)格，在既有客專(zhuān)路基兩側(cè)進(jìn)行新線(xiàn)路基施工時(shí)可能存在如下問(wèn)題：(1)新線(xiàn)地基處理時(shí)，如受限高、場(chǎng)地空間等影響，常規(guī)的施工機(jī)械和方法無(wú)法進(jìn)場(chǎng)施工，需要研發(fā)新的地基加固技術(shù)；飽和黏土地基中大面積沉樁，由于飽和黏土不排水抗剪強(qiáng)度低，滲透性差，沉樁過(guò)程中樁周土體受強(qiáng)烈擾動(dòng)發(fā)生豎向隆起和水平擠壓產(chǎn)生，土顆粒之間孔隙自由水形成超孔隙水壓，土體不排水抗剪強(qiáng)度隨之降低，危及既有線(xiàn)路基的穩(wěn)定。(2)常規(guī)路基填料由于重度大，當(dāng)直接幫填在既有線(xiàn)路基上時(shí)，會(huì)大幅增加地基內(nèi)部的附加應(yīng)力，導(dǎo)致既有線(xiàn)路基產(chǎn)生新的工后沉降和水平位移，且由于場(chǎng)地空間限制，填料填筑時(shí)壓實(shí)質(zhì)量難以保證。(3)新線(xiàn)路基填筑前，既有線(xiàn)正線(xiàn)兩側(cè)路基坡腳外排水溝將被侵占，填筑前需設(shè)計(jì)新的排水系統(tǒng)兼滿(mǎn)足既有線(xiàn)和新線(xiàn)的排水需求。(4)挖方車(chē)站既有兩側(cè)邊坡已處于服役狀態(tài)，兩側(cè)幫寬新線(xiàn)時(shí)勢(shì)必要開(kāi)挖既有邊坡，施工過(guò)程中需確保邊坡不發(fā)生過(guò)大變形而危及既有線(xiàn)安全等。上述問(wèn)題均是設(shè)計(jì)階段需要考慮并采取有效對(duì)策予以解決。

3 臨近既有客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基設(shè)計(jì)研究

商合杭高鐵設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，多處與在建或已運(yùn)營(yíng)的客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路并行，如合蚌客專(zhuān)、合寧鐵路、合福鐵路、皖贛客專(zhuān)、寧杭客專(zhuān)等，上述并行段所處地貌單元類(lèi)型豐富，地基巖土體特性差異大，有長(zhǎng)江、淮河高階地地區(qū)的深厚黏土層，有巢湖、太湖沖湖積平原地區(qū)深厚淤泥質(zhì)土等，具有廣泛的代表性。

3.1 碎石注漿樁技術(shù)

碎石注漿樁是一種非擠土樁[2]，施工設(shè)備較矮，一般施工場(chǎng)地上部?jī)舾? m以上皆可實(shí)施。施工時(shí)先采用小型鉆機(jī)成孔，孔內(nèi)預(yù)埋洗孔和注漿管，之后填充粒徑16～32.5 mm、級(jí)配不良的碎石粗骨料,用清水洗孔后再注入M40水泥砂漿，水灰比控制在0.5～0.6，注漿壓力2～5 MPa，砂子應(yīng)采用細(xì)砂，并適當(dāng)使用減水劑等外加劑以及粉煤灰等摻和料。

商合杭正線(xiàn)引入水家湖站后，施工邊界距離合蚌高鐵路基無(wú)砟軌道中心10～30 m，為降低機(jī)具高度，減小對(duì)既有線(xiàn)的干擾，保證運(yùn)營(yíng)安全，地基采用碎石注漿樁進(jìn)行加固處理。設(shè)計(jì)樁徑0.5 m，樁間距1.8 m，樁長(zhǎng)8 m。碎石注漿樁頂設(shè)1.0 m×1.0 m×0.3 m正方形樁帽[3]。樁帽頂面鋪設(shè)雙向鋼筋網(wǎng)片，鋼筋采用HPB300級(jí)，直徑10 mm，間距10 cm，末端設(shè)180°彎鉤，鋼筋保護(hù)層厚度50 mm。施工時(shí)樁頭0.3 m范圍挖除，現(xiàn)場(chǎng)澆筑C35混凝土，樁頂鋪0.6 m厚墊層(碎石+中粗砂)，墊層中鋪設(shè)2層雙向土工格柵，兩端回折不少于3.0 m，典型設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

圖1 碎石注漿樁加固地基典型橫斷面

3.2 泡沫輕質(zhì)土技術(shù)

常規(guī)的地基處理思路是利用換填、夯實(shí)、擠密、排水、膠結(jié)、加筋和熱學(xué)等方法對(duì)地基土進(jìn)行加固，用以改良地基土的工程特性[4]；泡沫輕質(zhì)土路基設(shè)計(jì)思路則相反，它是通過(guò)降低路基填土的容重來(lái)匹配地基的承載能力。泡沫輕質(zhì)土是一種由“用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料”[5]。

合寧鐵路肥東站位于崗地地貌，除河流及水塘附近局部分布有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土外，其余大部都為黏土，軟塑～硬塑狀。商合鐵路從肥東站引出，采用正線(xiàn)外包方案，幫寬及并行小于30 m的范圍主要為路基工程。為降低新線(xiàn)對(duì)既有合寧鐵路的影響，對(duì)于填土高大于6 m的路基地段，基床底層以下采用現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土填筑,泡沫輕質(zhì)土濕重度6～7 kN/m3，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度需滿(mǎn)足以下條件：離輕質(zhì)土頂部距離0～1.0 m范圍內(nèi)不小于1.2 MPa;離輕質(zhì)土頂部距離大于1.0 m范圍強(qiáng)度不小于1.0 MPa。輕質(zhì)土填筑體固化后的常規(guī)檢驗(yàn)指標(biāo)為表干密度及抗壓強(qiáng)度。每個(gè)構(gòu)造單元應(yīng)在澆筑點(diǎn)出料口制取試件至少2組，每組3個(gè)，分別做28 d齡期表干密度及抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)。

如圖2所示，泡沫輕質(zhì)土填筑體最底部設(shè)置0.15 m厚的碎石墊層，墊層上設(shè)0.2 m厚中粗砂內(nèi)夾一層HDPE防滲土工膜，其上設(shè)置1層φ3.2@50鍍鋅鐵絲網(wǎng)；填筑體最頂部鋪設(shè)0.2 m厚中粗砂內(nèi)夾一層HDPE防滲土工膜，其下設(shè)置3層φ3.2@50鍍鋅鐵絲網(wǎng)，間距0.5 m；輕質(zhì)土中部鋪設(shè)一層φ8@100鋼筋網(wǎng)。HDPE防滲土工膜力學(xué)指標(biāo)需滿(mǎn)足拉伸強(qiáng)度大于17 MPa、直角撕裂強(qiáng)度大于80 N/mm、 斷裂伸長(zhǎng)率大于450 %；縱橫向搭接寬度不得小于5 cm,搭接方式應(yīng)采用熱焊方式。

圖2 泡沫輕質(zhì)土路基設(shè)計(jì)典型橫斷面

3.3 鉆孔樁+U形槽結(jié)構(gòu)

鉆孔樁+U形槽結(jié)構(gòu)土是由鋼筋混凝土鉆孔樁、鋼筋凝土懸臂墻及承載板組成。其工作機(jī)理是，通過(guò)兩側(cè)懸臂墻收坡并承擔(dān)填土水平土壓力，通過(guò)承載板將上部荷載傳到樁體繼而擴(kuò)散到樁間土、下臥硬層或樁底硬層，達(dá)到零沉降的目的，廣泛適用于空間受限地段路基處理。

DK360+233.62～DK360+326.24、YDK360+226.33～YDK360+314.06工點(diǎn)分居合蚌高鐵兩側(cè)接入合肥北城，為無(wú)砟軌道單線(xiàn)路基。合肥北城站位于崗地地貌區(qū)，表層多硬塑狀粉質(zhì)黏土，厚度一般大于20 m。商合杭鐵路接入后，施工邊界距離合蚌高鐵路基軌道中心約20 m，合蚌高鐵為時(shí)速350 km無(wú)砟軌道高速鐵路，路基設(shè)計(jì)需確保既有線(xiàn)安全，包括避免引起既有線(xiàn)附加沉降、水平位移或施工機(jī)械侵入等。常規(guī)的復(fù)合地基加固聯(lián)合邊坡放坡處理方案加固深度有限或者施工機(jī)械設(shè)備過(guò)高，且侵占了既有路基的邊坡，無(wú)法徹底消除新線(xiàn)對(duì)既有線(xiàn)的附加影響，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)極大。

采用鉆孔樁+U形槽結(jié)構(gòu)處理方案可從根本上避免對(duì)既有客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的影響，且可有效控制施工機(jī)械設(shè)備高度。兩側(cè)懸臂墻高4.0 m，單元結(jié)構(gòu)長(zhǎng)14.88 m(1.44+3×4+1.44)，寬18.8 m(1.4+4×4+1.4)，板厚0.8 m，每單元沿縱向設(shè)4排、沿橫向設(shè)5排鉆孔樁，采用C40鋼筋混凝土，樁徑0.8 m，正方形布置，樁長(zhǎng)27 m，典型橫斷面設(shè)計(jì)如圖3所示。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮軌道結(jié)構(gòu)荷載、列車(chē)荷載、填土水平土壓力及豎向自重、結(jié)構(gòu)自重，采用溫克爾模型模擬樁側(cè)土體的約束作用，采用縱向、橫向平面框架連續(xù)梁力學(xué)模型進(jìn)行受力分析并按容許應(yīng)力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。

圖3 鉆孔樁+U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)典型橫斷面

3.4 管樁樁板結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力管樁用于高速鐵路地基加固處理時(shí)可充分發(fā)揮樁身混凝土強(qiáng)度高、穿透能力強(qiáng)并可打入密實(shí)的砂層及強(qiáng)風(fēng)化層等特點(diǎn)，對(duì)持力層起伏變化較大的地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)。

DK453+949.52～DK455+870.47接入合福鐵路巢湖東站，路基填高8～9 m。車(chē)站范圍為巢湖湖積平原區(qū)，水塘遍布，多分布第四系沖湖積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰褐色，流塑狀，厚0～18 m；下伏基巖為志留系泥巖、泥質(zhì)砂巖，灰綠～紫紅色，強(qiáng)～弱風(fēng)化，基本承載力350～500 kPa。

為了消除商合杭鐵路建設(shè)可能對(duì)合福巢湖東站產(chǎn)生的不利影響，地基擬采用PHC管樁處理，管樁外徑500 mm，壁厚125 mm，強(qiáng)度等級(jí)C80，其各種參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足GB 13476-2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》的要求。設(shè)計(jì)管樁樁間距采用2.4 m、2.6 m兩種，樁長(zhǎng)16.5～26.0 m，樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖2 m；樁頂滿(mǎn)鋪設(shè)置C40鋼筋混凝土筏板，厚度0.55 m(圖4)。

圖4 管樁樁板結(jié)構(gòu)路基設(shè)計(jì)典型橫斷面

現(xiàn)場(chǎng)施工前首先采用靜壓設(shè)備試樁。若靜壓施工能夠達(dá)到設(shè)計(jì)承載力并進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖持力層，則管樁施工工法采用靜壓法。若靜壓法無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，只能采用錘擊法。在商合杭場(chǎng)及合福場(chǎng)之間設(shè)置2排應(yīng)力釋放孔，孔內(nèi)填充砂石，及時(shí)消散管樁施工過(guò)程中產(chǎn)生的超孔隙水壓力 。應(yīng)力釋放孔頂部增設(shè)一排隔震溝，挖深1 m、寬2 m。當(dāng)采用錘擊法施工時(shí)，穿過(guò)軟土層時(shí)應(yīng)輕擊，避免樁體一次貫入過(guò)大并產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力。

4 結(jié)束語(yǔ)

新線(xiàn)路基臨近既有客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)建設(shè)時(shí)，需要在設(shè)計(jì)階段、施工前準(zhǔn)備及施工過(guò)程中積極采取有效措施，確保運(yùn)營(yíng)線(xiàn)安全。本文介紹了鉆孔樁+U形槽結(jié)構(gòu)、碎石注漿樁、泡沫輕質(zhì)土路基、管樁樁板結(jié)構(gòu)等路基設(shè)計(jì)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是：

(1)碎石注漿樁施工凈空高度6 m以上即可實(shí)施，在施工過(guò)程中無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音、不擠土, 對(duì)周?chē)慕ㄖ镉绊懞苄　?/p>

(2)鉆孔樁+U形槽是一種整體性路基結(jié)構(gòu)，施工工藝可靠，對(duì)周?chē)馏w擾動(dòng)小，可有效避免新線(xiàn)地基處理與路基填筑造成運(yùn)營(yíng)鐵路附加沉降或者水平位移。

(3)泡沫輕質(zhì)土作為一種新型工程材料，具有自重輕、流動(dòng)性好、性能穩(wěn)定、直立性強(qiáng)、強(qiáng)度高、環(huán)境影響低等優(yōu)點(diǎn)。利用泡沫輕質(zhì)土的輕質(zhì)性、流動(dòng)性等特點(diǎn)，可以有效降低既有線(xiàn)的附加沉降。

[1] TB 10621-2014高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(2014版)[S].

[2] 重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì).DBJ 50/T-215-2015 漿固散體材料樁復(fù)合地基技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路商丘至合肥至杭州鐵路阜陽(yáng)至杭州段施工圖路基工程參考圖集[R]. 2015.

[4] 葉觀(guān)寶,高彥斌.地基處理[M].北京：中國(guó)建筑出版社， 2009： 5-7.

[5] CECS 249:2008現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程[S].

[6] TB 10106-2010 鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程[S].

杭紅星(1985～)，男，碩士，工程師，從事路基工程勘察設(shè)計(jì)工作。

U213.1+4

B

[定稿日期]2016-12-15