商合杭鐵路車站路基地基處理與支擋設計

吳成杰

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

高速鐵路路基工程設計中，站場路基還具有與區間路基顯著不同的特點，主要表現在:(1）站場路基寬度大于區間路基，沉降控制的難度較區間路基大；(2）站場路基存在諸多與站后房建工程的接口，且站后專業設計與施工的時間大幅度滯后于站前工程，存在工程銜接缺口，地基處理和支擋設計時難以周全考慮。

商合杭鐵路為設計時速350 km無砟軌道高速鐵路[1]，全線新設鳳臺南、壽縣、淮南南、巢湖北、巢湖東、含山西、蕪湖北、郎溪、廣德南、安吉等站多位于坑、塘、溝渠分布且松軟地基地段，車站地基處理主要采用了CFG樁復合地基、螺桿樁復合地基、鉆孔灌注樁樁筏結構、管樁樁筏結構。車站布置形式有線側平式、線側下式、全高架式、部分高架式，不同的站房設置形式對站房路基支擋設計的要求不一樣，設計采用了懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻、樁板墻三種支擋形式。由于站后房建工程設計和施工時間大幅度滯后于站前路基工程，在設計和施工中出現了一些接口問題，經過變更設計，得到了比較圓滿的解決，工程效果較好。

2 CFG樁、螺桿樁地基處理

以鳳臺南站深厚第四系地層為代表，地基主要了采用CFG樁復合地基、螺桿樁復合地基處理[2-3]。鳳臺南站設兩臺四線，路基填高6～8 m，正線鋪設無砟軌道，到發線鋪設有砟軌道。鳳臺南站地處淮河沖積平原區，地層為深厚第四系地層，鉆探揭示第四系層厚度大于85 m，0～20 m地層以可塑～硬塑黏土、粉質黏土為主，局部夾粉土；20～50 m主要為中密細砂、粉土，夾粉質黏土；50～85 m為硬塑黏土夾細砂。

鳳臺南站地基處理設計的難點是地基處理深度問題[4]。由于第四系地層深厚，處理深度合理與否，不但關系到工程投資，而且關系到工后沉降控制的成敗。設計采用工程類比法，鳳臺南站地層和填高與京滬高速鐵路宿州東站類似，宿州東站處理，樁長約20 m，最終總沉降5～6 cm；本工點采用CFG樁聯合堆載預壓[5]為主的處理方式，樁長20～23 m，以粉土和細砂作為持力層。典型設計橫斷面見圖1。

圖1 鳳臺南站CFG樁復合地基處理橫斷面圖

鳳臺南站站中心往大里程方向有兩個巨大的水塘，為滁新高速公路的取土坑，面積222 m×120 m、175 m×80 m，深7～9 m。由于鳳臺南站正線為無砟軌道，兩個巨大水塘的存在，給設計方案的選擇帶來了巨大難題。勘測期間一度考慮改線，將線路左移避開水塘，受跨越高速公路收費站處的橋墩位置所限，未能調整；也考慮過設橋梁跨越水塘方案，由于水塘地處鳳臺南站中心位置，設橋方案將使站房、生產生活房屋的布置變得十分復雜。最后，施工圖采取的方案是螺桿樁聯合堆載預壓加固方案[6]。先將水塘水抽干，清除塘底浮泥，填筑細粒土，要求壓實系數0.89。填平至地面以后，采用螺桿樁進行地基加固。螺桿樁間距1.8 m，正方形布置，樁頂設置樁帽，樁帽頂鋪設褥墊層，形成復合地基。典型斷面見圖2。螺桿樁為擠土樁，施工排土很少，對新填筑的細粒土具有擠密作用，同時復合地基以上的路堤填高控制在8 m以內，減少了高填方可能產生的填料變形，取得良好效果。

圖2 鳳臺南站螺桿樁復合地基處理橫斷面圖

鳳臺南站路基采用CFG樁、螺桿樁聯合堆載預壓處理深厚第四系地基，取得良好效果。基床底層填筑完成后，最大監測沉降為12 mm[7]，且一旦進入路堤靜置期，沉降量很快趨于穩定。典型沉降曲線見圖3。

圖3 鳳臺南站典型沉降曲線

壽縣站、淮南南站、巢湖北站、郎溪站、廣德站、安吉站第四系地層土層較鳳臺南站薄，均采用了CFG樁復合地基處理方案，取得良好效果。

由于站房、雨棚的設計時間較路基工程晚2年多，CFG樁、螺桿樁處理地基存在著與房建工程基礎沖突的問題。車站路基地基處理施工前，建設單位專門組織站前設計、施工單位和房建設計專業進行對接。經研究，房建工程影響路基的主要是雨棚基礎，為盡量減小雨棚基礎施工對路基樁基的影響，由房建設計單位進行了雨棚位置初步方案設計，根據雨棚柱鉆孔樁基礎樁位，路基CFG樁樁位適當調整，預留出雨棚柱樁基的樁位，為進一步防止雨棚柱樁基位置在正式設計時可能發生的變化，將雨棚柱附近的幾排CFG樁的樁帽由邊長1 m、厚0.3 m的正方形鋼筋混凝土樁帽調整為直徑1 m、厚度0.4 m的素混凝土圓臺樁帽，將來如果由于雨棚柱基礎位置發生變化或者CFG樁本身施工偏差，雨棚柱鉆孔樁施工的時候可以比較容易將樁帽破除，減小相互影響。

3 鉆孔樁樁筏結構、管樁樁筏結構

巢湖東站路基為商合杭鐵路為數不多的軟土路基工點之一。巢湖東站站址區屬巢湖湖積平原，地形平坦開闊，地勢低，主要為河溝、魚塘、沼澤地。該段地層自上而下主要為:(1）淤泥質粉質黏土，灰褐色 ～深灰色，軟塑，σ0=70 kPa；(2）粉質黏土，褐灰色 ～褐黃色，硬塑，σ0=160 kPa；粉質黏土夾少量角礫，褐黃色，硬塑，σ0=200 kPa；(4）2S1g 泥巖，青灰色 ～棕黃色，強風化，σ0=350 kPa；(5）3S1g泥巖，青灰色，弱風化，σ0=500 kPa。

巢湖東站填高6～8 m；左側臨近湯河，右側臨近合福高鐵，為內澇浸水路基[8]。考慮到地質條件較差、浸水、臨近既有線路等綜合因素，設計采用了鉆孔樁樁筏整體結構[9]、管樁樁筏整體結構、攪拌樁、應力釋放孔等多種地基處理方式，典型設計橫斷面如圖4所示。

圖4 巢湖東站典型地基處理橫斷面圖

靠近合福場設3～5排鉆孔灌注樁，樁徑1.0 m、樁長26～29 m；鉆孔樁橫向間距4.2 m、縱向間距4.5 m，樁頂設置厚度1.0 m的鋼筋混凝土筏板，鉆孔樁單樁承載力設計值3 700～4 000 kN；左側地基采用PHC管樁樁筏結構[10]，管樁樁徑0.5 m、樁間距2.4～2.6 m，樁長18.0～21.5 m，樁頂設置厚度0.55 m的鋼筋混凝土筏板，樁頂嵌入筏板內50 cm；最外側設置4排攪拌樁圍護樁，長10 m，增加結構的穩定性。為減小鉆孔樁施工對合福場的影響，鉆孔樁施工時，靠近合福線側1排鉆孔樁采用鋼護筒跟管鉆進至硬土層。

在管樁與合福場之間設置2排應力釋放孔。應力釋放孔直徑0.5 m，縱向間距1.5 m、橫向1.3 m，呈梅花形布置，深度打穿軟土；應力釋放孔采用長螺旋鉆機成孔，成孔后填入潔凈的砂石，管樁施工時起到釋放超凈孔隙水壓力和擠土效應的作用。

典型斷面沉降計算結果見圖5。計算表明，Ⅳ股道、5股道(無砟軌道）均不產生附加沉降，6股道(有砟軌道）附加沉降約2 mm[11]。

圖5 商合杭場路基引起地基沉降計算曲線

樁筏結構沉降控制效果好，但對站臺雨棚基礎的影響比較大。路基填筑完成后，天橋、雨棚基礎很難穿透筏板，或者即使設法穿透筏板，也有可能碰到管樁。商合杭場雨棚設計采用跟合福場雨棚相同的基礎形式，這樣基礎形式是確定的，管樁樁筏設計時，適當調整管樁位置，將雨棚基礎位置預留出來，便于后續樁基施工。

對于房建工程基礎形式及位置不能確定的情況，管樁施工前無法做好預留，設計時應繪制詳細的管樁平面布置圖，將每根管樁的位置固定，并要求施工單位按樁位施工管樁，施工完成實測實際施工樁位圖，移交于房建工程設計單位，使其設計時鉆孔樁位避開管樁位置。施工的時候，路基填土內采用鋼護筒護壁、挖孔樁作業方式，至筏板位置，采用鉆孔機具將筏板鉆穿，然后再采用旋挖鉆施工鉆孔樁。巢湖東站既有天橋接長施工時，鉆孔樁施工時采用了這種先挖后鉆的施工工藝，成功避開了管樁樁位，完成了鉆孔樁的施工。

4 懸臂式擋土墻

對于兩臺六線的島式站臺，當設置線側下站房時，站房側設置懸臂式擋土墻是一個比較好的方案[12]。商合杭鐵路淮南南站左側設置了懸臂式擋土墻，墻高5.5 m，墻底采用CFG樁復合地基進行處理，懸臂墻左側與站房架空層相接見圖6。懸臂墻結構輕巧、施工方便、外觀平整度高、地基承載力要求低，具備條件時應優先采用。

圖6 淮南南站站房側懸臂式擋土墻橫斷面圖

5 扶壁式擋土墻

兩臺四線車站，采用線側下式站房布置時，受架空層層高的影響，站房側需要設置支擋結構的高度一般大于6 m，不宜設置懸臂式擋土墻，此時扶壁式擋土墻是一種選擇方案。壽縣站左側為線側下式站房，右側靠近高速公路，兩側均采用了扶壁式擋土墻[13]，擋土墻高度8 m，擋土墻底部采用CFG樁復合地基進行地基處理，如圖7所示。

圖7 壽縣站兩側扶壁式擋土墻設計

扶壁式擋土墻可收坡高度一般為6～10 m，擋土墻外表面豎直、美觀，是填方路堤站房側收坡的一種選擇。扶壁式擋土墻的弊端主要有兩個:一是扶壁引起的路基填料碾壓困難，二是站臺雨棚柱和連廊柱基礎必定與扶壁墻底板發生沖突。按目前的工程建設實際，擋土墻屬于站前工程，雨棚屬于站后工程，擋土墻設計和施工都較雨棚柱基礎早一年以上，擋土墻設計時雨棚柱軸線布置、基礎形式都未確定，而站房設計時如果調整了場坪標高反過來又可能影響擋土墻的高度，這給接口設計[14-15]帶來了很大的難題。壽縣站施工時，為保證架梁通道，不得已先施工了正線路基；站房、天橋、雨棚柱方案確定后，對支擋結構的范圍和形式進行了變更設計。變更設計時在扶壁式擋土墻底板上預留了雨棚柱孔洞，同時適當增大擋土墻底板面積以彌補抗滑力損失，如圖11所示。由于雨棚柱布置間距不等，懸臂墻的單元長度、扶壁位置均受到影響，導致一個車站設計出來的懸臂墻結構尺寸有很多種，施工難度較大。雖然問題得到了解決，但是從解決過程來看，扶壁式擋土墻與站后結構物基礎的接口太復雜，設計、施工過程中控制稍有不當，就會引起結構的破壞，設計和施工都必須慎重對待，做好接口設計。

6 樁板墻

郎溪站、廣德站、安吉站，采用線側下站房布置方案，站房側路基均采用了樁板墻支擋方案[16]。圖8為郎溪站站房側支擋設計橫斷面圖。采用樁板墻設計的優點明顯，只要站房場坪標高確定以后，樁板墻就可以施工，站后雨棚柱基礎跟樁板墻不干擾。采用樁板墻支擋結構時，站房設計時應注意不在樁板墻前設置基坑，例如設置消防水池，否則樁前主動土壓力不足，將導致樁頂位移超限或者傾倒破壞。商合杭站房設計時均要求建筑專業將消防水池設置在遠離樁板墻側，保證了樁板墻的安全。采用樁板墻結構，對樁前土體的抗力要求較高，一般在碎石類土、基巖強～弱風化地段使用較好，樁截面較小，常采用1.75 m×2.0 m。地質條件一般，例如全風化巖、堅硬黏性土，可能存在樁前抵抗力不足的情況，此時可以增大樁的截面，并設置扁樁，即樁的寬度大于厚度，以增大土體抗力。

圖8 郎溪站樁板墻支擋設計橫斷面圖

7 結論與建議

(1）CFG復合地基解決了商合杭鐵路車站第四系地層的沉降控制問題，螺桿樁復合地基解決了取土坑高填路基的沉降控制問題。但樁基和樁帽可能影響到雨棚柱基礎的鉆孔樁處理，設計時應預留出鉆孔樁樁位，解決其互相干擾的問題。

(2）管樁樁筏結構、鉆孔樁樁筏結構用于巢湖東站深厚軟土地基處理，解決了高填方路基沉降控制難題。這種整體結構地基處理方式對雨棚、天橋鉆孔樁處理具有天然的沖突，設計或施工時應預留鉆孔樁孔位，無法確定位置時建議實測施工樁位，為雨棚、天橋的樁基設計創造條件，避免施工時發生沖突。

(3）懸臂墻適用于高度6 m以內的站房路基收坡設計，結構輕巧、施工方便、外觀平整度高，對房建工程的干擾小。

(4）從壽縣站扶壁式擋土墻變更設計來看，扶壁式擋土墻與房建結構物基礎的接口復雜，設計和施工都必須慎重處理，避免結構破壞。

(5）從郎溪站、廣德站、安吉站的樁板墻設計、施工實踐來看，樁板墻對房建工程影響比較小，當錨固段地層較好時應優先采用。