高速鐵路利用停建路堤改造加固措施研究

周先才 錢國玉

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

集(寧)包(頭)第二雙線為新建時速200 km的客貨共線鐵路，為統籌呼和浩特東站地區的鐵路規劃，需對引入呼和浩特東站的在建集包第二雙線鐵路線位進行調整，在白塔站以東提前接入既有京包鐵路，張家口至呼和浩特高速鐵路在進入呼和浩特東站地區時，需利用集包第二雙線停建的路堤線位，見圖1。

圖1 張呼客專利用集包第二雙線部分已填路堤區段平面

該段路堤大部分已填筑3～4 m，最高達4.6 m，僅剩余橋路、涵路過渡段缺口未填筑。張呼高速鐵路正式開工時，該段路堤已停放2年以上，計算填高為5.0～7.0 m。一般情況下，沖擊碾壓、強夯既適用于地基淺層處理[1-5]，也是路基填筑補強主要措施[6-9]。高速鐵路建設中，若需利用既有路堤，當基床部分填料不合格時，則需挖除重新填筑。對于基床以下部分，若壓實度不滿足要求但沉降滿足要求，可采用沖擊碾壓、強夯、注漿等處理措施；若壓實度、沉降均不滿足要求，則應挖除既有路堤并進行地基處理后重新填筑，或采用樁板結構處理[10]。以下基于實際工程，對停建路堤的改造加固措施進行現場試驗研究。

2 停建路堤的工程地質條件

研究區位于山前沖洪積緩坡區，地勢起伏不大，線路兩側多為耕地。地層從上至下依次為：①粉土(Q4al+pl)，淺黃色，稍密，稍濕，厚1.50～6.50 m，σ0=100 kPa；②粉土(Q4al+pl)，淺黃色，中密，稍濕，厚0.60～22.90 m，σ0=160 kPa；③粉質黏土(Q4al+pl)，淺黃色，硬塑，厚1.90～12.20 m，σ0=150 kPa；④中砂、礫砂(Q4al+pl)，黃褐色，稍密-中密，稍濕-潮濕，厚3.4～11.0 m；下部為厚層細圓礫土、粗圓礫土、卵石土層。代表性橫斷面及地基地層見圖2。

地表水、地下水均不發育，地震動峰值加速度為0.2g，最大土壤標準凍結深度為1.43 m。

圖2 代表性橫斷面

3 停建路堤的填料檢測分析

對于該段停建的路堤，分段共開挖了12個探槽剖面進行填料檢測(見圖3)，其目的為量測分層厚度、土性鑒定、K30質量檢測和取樣化驗分析等[11]。經土質化驗分析，填料主要為粉土、粉質黏土、粉砂、粗細圓礫土、粗細角礫土等，其中，粉土、粉質黏土、粉砂為C類，其余為B類[12]，填料類別見表1。填料沿深度、縱向分布不均勻，按照填料類別厚度計算，B組填料約占40%，C組填料約占60%。填料性質滿足《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定》基床以下路堤的要求，但C組粉土、粉質黏土、粉砂不滿足《高速鐵路設計規范》基床以下路堤的要求[13-15]。

圖3 探槽剖面K30試驗檢測

對DK272+050、DK273+027、DK273+290、DK273+310、DK273+330、DK273+377斷面開挖探槽進行路基質量K30檢測，檢測結果見表2。

根據檢測資料，停建路堤填料多為B組、C組，且分布不均勻。高速鐵路要求基床底層采用A、B組填料或改良土，基床以下路堤采用A、B組填料和C組碎石、礫石類填料或改良土，停建路堤填料不滿足高速鐵路基床底層的填料要求，特別是停建路堤放置多年后，表層氣候影響深度內土質疏松，需進行加固處理。

表1 停建路堤基床以下路堤填料性質檢測結果

表2 停建路堤不同部位K30檢測結果

4 停建路堤的工后沉降分析

本段為速度250 km/h有砟軌道路基一般地段，工后沉降要求≤10 cm。對該段路基進行工后沉降計算分析，挖除已填筑土地基不加固時，工后沉降為14.88～19.87 cm；挖除已填筑土地基采用CFG樁或旋噴樁加固后，工后沉降為6.01～10.29 cm；采用“沖擊碾壓+3 m高堆載預壓”后，工后沉降為2.10～6.03 cm；采用“強夯+3 m高堆載預壓”后，工后沉降為1.60～5.56 cm。從沉降方面考慮，3種處理措施沉降均滿足設計要求。

5 停建路堤改造加固措施研究

結合該段路堤分段建設情況，對停建路堤高度小于1.5 m、新建橋涵過渡段采用“CFG樁+3 m高堆載預壓”處理，工后沉降可以滿足要求。故重點對停建路堤高度大于1.5 m的一般地段加固處理措施進行研究。

5.1 廢棄重建

將停建路堤徹底挖除，對地基進行CFG樁加固處理，再按新線標準進行填筑壓實。該方案施工工序復雜，需設置臨時棄土場，且地基加固費用較高。

5.2 沖擊碾壓加固

對路堤高度大于1.5 m段研究采用“沖擊碾壓+3 m高堆載預壓”處理，其工后沉降可滿足設計要求。選取DK273+277～DK273+377段進行沖擊碾壓試驗，沖擊壓實機械采用6830式，沖擊力大于2 500 kN，靜態能量為30 kJ，碾壓速度為10～12 km/h，共計沖擊碾壓26遍(見圖4)。碾壓后，將場地整平，分別在DK273+290、DK273+330、DK273+370三個斷面左側和中部進行K30試驗檢測，試驗結果見表3。

圖4 試驗段沖擊碾壓施工

表3 停建路堤沖擊碾壓后不同部位K30檢測結果

施工時，發現沖擊碾壓的有效壓實厚度最大值為1.5 m，故采用沖擊碾壓加固時填筑壓實質量達不到設計需要的效果。

5.3 低能量強夯加固試驗研究

普通強夯夯擊能大、破壞力強，會對路堤的穩定和不均勻性造成嚴重影響，而且對臨近建筑影響較大。

低能量強夯采用降低單擊夯擊能量，以減少其破壞性，既滿足加固要求，又可有效減少對既有路堤的破壞，不造成后期的次生病害。對停建路堤高度大于1.5 m段，采用“低能量強夯+3 m高堆載預壓”處理，其工后沉降可滿足設計要求。

選取DK272+950～DK273+150段進行低能量強夯試驗(單擊夯擊能為3 000 kN·m)，夯點間距為3.5 m，正方形布置，最小夯擊遍數不少于6，靠近邊坡處單擊夯擊能降為2 000 kN·m；最后再進行全斷面滿夯1遍，夯擊能為1 000 kN·m(見圖5)。

圖5 試驗段強夯施工

低能量強夯后，對路堤進行動力觸探、載荷試驗、室內土工試驗等檢測，要求強夯面以下6 m深度范圍內填料或地基基本承載力≥150 kPa。強夯后動力觸探檢測結果見表4。

表4 動力觸探檢測結果

分別在DK272+950中心線左側2.5 m、DK273+000中心線左側0.8 m、DK273+050中心線右側5.0 m處進行平板載荷試驗，地基承載力特征值分別為185，188，192 kPa，滿足設計要求。

5.4 加固措施比選

對停建路堤高度大于1.5 m段，研究廢棄重建、沖擊碾壓、低能量強夯加固3種處理方案，技術經濟綜合比選分析見表5。

表5 加固措施方案綜合比選分析

經綜合分析研究，廢棄重建方案存在廢棄土方，地基處理加固費用也較高，故予以放棄；沖擊碾壓方案加固深度淺，加固效果達不到設計要求，故該方案不可取；低能量強夯方案加固效果較好，能達到設計要求，而且不存在廢棄土方，需增加的投資適中，最終采用“低能量強夯+3 m高堆載預壓”方案。

6 結語

對張呼高速鐵路某段利用集包第二雙線停建路堤加固處理措施進行了深入研究，最終采用“低能量強夯+3 m高堆載預壓”方案，強夯段累計長度約1.5 km，累計強夯面積為34 832 m2。施工期間開展了沉降觀測評估，施工期最大沉降量為22.24 mm，工后沉降不大于10 mm，強夯處理效果良好，滿足本線路基工后沉降控制要求。目前，張呼高速鐵路烏蘭察布至呼和浩特東段已通車運營超過3年，利用集包第二雙線停建路堤改造段線路平順、穩定，滿足高速鐵路行車要求。