鄰近運營高鐵架空式樁板結構的設計與施工

摘要：以池黃鐵路為背景，介紹了鄰近運營寧安客專架空式樁板結構的工程背景和設計思路。通過有限元軟件模擬架空式樁板結構的受力狀態，并對計算結果進行分析研究，優化了結構配筋。最后簡述了該結構的施工過程，數值模擬分析了施工工況對既有線的影響。研究結果表明，該結構在鄰近運營高鐵的設計和施工中具有廣闊的前景。

關鍵詞：運營高鐵;架空式;樁板結構;設計;施工

1" "工程背景

傳統樁板結構是一種高速鐵路地基常用的加固結構形式，充分發揮板、樁、土三者之間的相互作用，介于橋梁與路基之間結構形式，在鐵路路基、公路或市政道路下穿高速鐵路等方面應用較為普遍[1-6]。架空式樁板結構最大特點是其板底部高于原地面，無路基土的填筑，板-土之間無直接傳力，上部荷載由板梁傳遞給樁基，樁基與周邊土共同受力。從傳力路徑來說，架空式樁板結構更接近橋梁剛架結構。

本文主要參考高速鐵路橋涵和路基的相關規范中，將樁板結構和橋梁剛架結構的控制標準，作為架空式樁板結構計算分析依據[7]。本文結合新建鐵路池州至黃山鐵路池州站場改造工程的一個工點，詳細探討架空式樁板結構在鄰近運營高鐵的設計思路和施工方法，可為其他工程提供借鑒。

2" "工程設計概況

2.1" "工程概況

池黃鐵路設計時速350km/h，設計范圍由寧安客專池州站（含）至在建昌景黃鐵路黟縣東站（含），池黃上行正線利用綜合工區岔線引出，與既有線路貫通。咽喉區需設置S彎變線間距，彎道曲線半徑匹配120km/h通過速度），與寧安上行正線按10.0m線間距并行約750m出池州站。自出站后采用橋梁形式引出并跨越寧安客專。典型的路基橫斷面如圖1所示。場地地層巖性如下：

①₁素填土（Q₄^ml）：雜色、以灰褐色為主，松散，稍濕，厚度0.4～2.6m，屬Ⅰ級松土;

?₁₁全風化花崗巖（γ₅^2-3）：黃褐色，原巖風化嚴重，風化呈砂土狀，由石英砂粒及少量黏粒組成，巖質極軟，手捏即碎，遇水易軟化崩解，層厚3.4～19.3m，Ⅲ級硬土，σ₀為240kPa，Es_0.1-0.2為4MPa。

?₁₂強風化花崗巖（γ₅^2-3）：黃褐色，粗粒花崗結構，裂隙發育，巖質軟，敲擊易碎，巖芯呈碎塊狀，塊徑3～5cm，含少量砂土，層厚約為5.6～6.8m。Ⅳ級軟石，σ₀為400kPa。

?₁₃弱風化花崗巖（γ₅^2-3）：肉紅色，粗?；◢徑Y構，厚層狀構造，巖質堅硬，錘擊聲脆。巖芯以短柱狀為主，節長2～6cm;為塊狀，塊徑2～10cm;柱狀，節長5～30cm，RQD接近30%，揭露層厚2.55～7.5m。Ⅴ級堅石，σ₀為700kPa。

結合圖1，可以看出受現場實際情況的制約，對本工程的設計和施工都帶來極大的困難。主要存在以下不利因素：

寧安客專線間距4.5m，寧安客專路基邊坡大部分位于池黃上行線正下方，無論開挖和填筑，都將對既有邊坡造成影響。且各式管線縱多，施工場地極其狹小。

寧安客專運輸繁忙，無法停運施工，鄰近高鐵設計施工更增加施工難度，必須充分考慮對寧安高鐵運營路基的影響，嚴格控制既有路基的變形。

新建池黃高鐵軌面標高與既有寧安客專一致，路基堆高約2～6m，過度地防護勢必破壞寧安客專的路基邊坡，影響運營安全。設計施工時應盡量少擾動既有線為原則[8-9]。

2.2" "方案比選

2.2.1" "橋梁方案

根據線路選形，大里程為橋梁，為更好地順接，考慮橋梁方案的可行性，線路位于寧安客專路基邊坡上，軌面至原地面2～6m不等。時速350km/h高速鐵路通用圖常用跨徑梁高為3.035m，局部區域不滿足架梁要求，需對既有路基邊坡開挖保證架梁通道，極大影響邊坡穩定性。采取防護措施，則會導致新的施工問題和工程造價提高。若采用支架現澆方案，則需整平場地、填筑平臺，加上梁體本身自重，對寧安客專邊坡產生新的工后沉降和水平位移，與設計原則相違背。

2.2.2" "路基方案

根據工后沉降的控制標準可知：一般正線路基不超過15mm，橋頭路基不超過5mm;根據地質條件①₁素填土及?₁₁全風化花崗巖（σ₀為240kPa，Es_0.1-0.2為4MPa）在場地普遍分布，且層厚較厚，檢算后工后沉降不滿足控制標準，地基需要加固處理。

在既有線路基上直接填筑常規路基填料時，由于其重度大，極大增加了地基內部的附加應力，導致既有線路基產生新的工后沉降和水平位移。同時受場地條件限制，填料壓實度無法保證。

為降低新建池黃鐵路對既有線的影響，考慮采用低重度的輕質混凝土換填來緩解偏壓作用。但是新線路基填筑后仍將完全侵占既有線路基坡腳外排水溝，需重新設計排水系統來兼顧新舊線的邊坡排水。但此時水溝位置已經嚴重超出征地界，對工程推進帶來極大的阻力。

采用CFG樁、螺桿樁等加固措施，施工機械過于高大，不滿足鄰營施工的要求，且無法解決路基主體既有邊坡的破壞和排水順接問題。采用傳統的樁板結構能夠一定程度解決加固樁施工機械的問題，但仍存在排水困難和邊坡受損等問題。

2.2.3" "比選結果

根據以上的方案比選可以看出，無論是橋梁方案還是路基方案，都不能很好地解決鄰營施工的重難點問題，亟需新的解決方案。架空式樁板結構的出現巧妙地解決了以上問題。

架空式樁板結構的承載板下部懸空，避免了排水系統改移，可采用維持原排水路徑或局部改溝。懸空部分也為承載板的支架施工提供空間，避免在既有邊坡的大面積堆填或開挖，以免既有邊坡的偏壓或滑塌。樁基采用鉆孔灌注樁，采用合適的機械可避免鄰營施工帶來的安全隱患。

2.3" "設計概況

架空式樁板結構的板采用C40鋼筋混凝土，承載板寬8.8m，板厚0.8m，樁基礎直接與板相連，縱向設置20cm×60cm倒角，樁基采用C30水下混凝土結構，樁徑Φ1.25m，樁長25m。標準段樁基礎縱向間距5m，橫向間距4m，跨度20m為一聯，設置3cm的伸縮縫。線路中有一處斜交涵洞，兩側架空式樁板結構設置與涵洞順接的斜交板，并采用架空式樁板結構代替接長涵洞。架空式樁板結構立面如圖2所示。架空式樁板結構橫斷面如圖3所示。

2.4" "既有涵洞接長方案比選

高速鐵路既有涵洞接長[10]通常采用人工挖孔樁進行維護，為保證既有線的邊坡穩定和沉降滿足規范要求，鑿除八字翼墻，然后開挖基坑施工接長涵洞。

寧安城際為無砟軌道，普速鐵路常用的架設便梁施工無法應用。考慮采用8根Φ130cm、樁長18m的人工挖孔樁防護，沿八字翼墻平行布置，采用水磨鉆施工。八字翼墻不拆除，僅鑿除接長模板空間。由于屬于鄰近營業線施工，只能在天窗點施工，每天進尺僅0.5m。

根據《鐵路橋涵工程施工安全技術規程》（TB10303-2020）的有關規定，孔深≥15m的人工挖孔樁需要通過專家評審，樁凈距<2.5m，應跳樁施工等，由此延長了防護樁的施工周期。由于覆土厚度達到2.5m，為更好地與大小里程的架空式樁板結構順接，需在涵洞頂設置U形擋墻。

通過調整架空式樁板結構的樁基縱向間距跨越既有涵洞，來代替接長涵洞這種方案，無需破壞既有涵洞的八字翼墻，對既有線的擾動少，安全隱患小。該方案避免了接長涵洞應采用的路基防護和地基加固措施，施工周期短且造價低，可以更好地與路基形式順接。由于無覆土，極大地增大了涵洞凈空，方便了整個路基排水系統貫通。

3" "結構計算分析

3.1" "設計參數

設計參數[11-14]中自重γ取25kN/m³。混凝土收縮徐變按10年考慮。人行道活載取3.5kN/m²。溫度荷載根據全國一月（七月）平均氣溫圖，取升溫荷載+10℃，降溫荷載-15℃。對于橫向搖擺力，高速鐵路取為集中荷載80kN。橫向風荷載根據《鐵路橋涵設計規范》TB10012-2017中4.4.1條，取為0.40N/m。

離心力根據《鐵路橋涵設計規范》TB10012-2017中4.3.10條，取為ZK普通荷載與ZK特種荷載產生離心力作用的包絡值，圓曲線半徑取為4000m。制動力根據《鐵路橋涵設計規范》TB10012-2017中4.3.11條，取為3.06kN/m2，作用范圍為軌道板寬度，方向為順橋向?？v向力伸縮力取為15kN，斷軌力取為15kN/m。

地震力依《鐵路工程抗震設計規范》GB50111-2006計算反應譜，按罕遇地震分為縱向和橫向加載，抗震設防烈度7度，峰值加速度0.1g，地震特征周期0.35s。脫軌荷載根據《鐵路橋涵設計規范》TB10012-2017中4.3.14條取值。

根據地質資料可知，樁基按嵌巖柱樁考慮，故不考慮不均勻沉降的影響。板、樁計算結果荷載工況組合取為：主力;主力+附加力（縱向、橫向）;主力+特種荷載（地震力、伸縮、撓曲、斷軌力、脫軌荷載）。樁、板配筋按三種荷載組合的包絡值控制。荷載分布如圖4所示。

3.2" "有限元模型建立

采用MIDAS CIVIL 2020有限元軟件計算。模型中承載板采用板單元模擬，板考慮斜交形式，樁基采用梁單元模擬，樁基和板單元剛性連接，樁身根據地質土層情況劃分單元，采用“m法”計算土彈簧剛度模擬樁、土相互作用。樁基嵌巖采用樁底固結模擬，有限元計算模型如圖5所示。

3.3" "計算結果和分析

根據有限元軟件Midas Civil的計算結果可知，承載板的斜角部分斜交效應明顯，故在配筋時，應在承載板的頂底層設置鈍角加強鋼筋和防裂鋼筋。承載板的強度和裂縫驗算分為縱向和橫向，計算結果詳見表1、表2。結合計算結果，得到承載板的縱橫向配筋見表3。從表3中可清晰的看出，無論縱向、橫向，承載板底部配筋要強于頂部配筋，縱向配筋要強于橫向配筋，這和承載板的受力特性是相符的。

根據《鐵路工程混凝土配筋設計規范》（TB 10064-2019）中，“支承中心兩側各相當于板厚1/2的長度范圍內，箍筋間距不應大于100mm”的規定，主要是為防止所箍受壓鋼筋縱向彎曲。按此條規范配筋，在樁和板結合處，箍筋間距不應大于100mm，變相地增加了主筋的數量。由于主筋直徑較大，再加上樁基伸入承載板的鋼筋，造成樁和板結合處配筋過密，給混凝土澆筑和搗固都帶來不少困難，容易在此處產生空洞。而架空式樁板結構受力特性更接近于橋梁剛架結構，在結合處可考慮適當增大箍筋間距，建議將其增大到150mm。

4" "施工方案概述

根據實際場地條件，結合鄰近營業線施工的特點，制定架空式樁板結構主要施工流程如圖6所示。

鉆孔樁施工是整個施工過程中最大的風險源。鉆孔樁樁徑1m，采用反循環回旋鉆機成孔。鋼筋籠由鋼筋廠分節加工，永平板車運至現場，采用汽車起重機吊裝?；炷劣晒捃囘\輸至孔口，采用導管法水下灌注混凝土。

施工采用FXZ250型車載反循環回旋鉆機鉆孔，鉆機最大鉆孔直徑2.5m，最大鉆孔深度300m，工作狀態整車寬2.5m，工作狀態整車高5.8m。該機型自身質量為68t，采用履帶式地盤，質心低，自身穩定性好，回旋鉆機工作狀態整機高5.8m，滿足鄰近營業線橋梁樁基施工需要。

鉆進時鋼護筒全程跟進，開始鉆進時低擋慢速鉆進，確保孔位準備，使初成孔堅實、堅直、圓順，以能起導向作業，并防止孔口坍塌。鉆至護筒下1m后再以正常速度鉆進。鉆進過程中，應經常檢查土層變化，對不同的土層采用不同的鉆速、鉆壓、泥漿比重和泥漿量。在砂土或軟土等容易坍孔的土層中鉆孔時，宜采用慢速輕壓鉆進，同時應提高孔內水頭和加大泥漿比重。鉆孔時，孔內水位宜高于護筒底腳0.5m以上或地下水位以上1.5～2.0m。鉆孔樁回旋鉆施工如圖7所示。

鋼筋籠吊放過程中存在侵入既有線安全限界的風險，故采用5.5m鋼筋籠，并在鋼筋籠底部拉一根纜風繩，人工牽引配合鋼筋籠吊裝入孔。在最不利吊裝位，起重機距離寧安客專上行線最近距離為4.13m，確保萬一機械倒塌不會對既有線接觸網產生危害。機械站位圖8所示。

5" "施工過程數值模擬分析

5.1" "數值模型建立

經驗法只能對施工結束后的地表最終沉降有一個大致的判斷，不能較準確地估量地表水平位移，也不能考慮三維運動狀態下對地表變形的影響。而數值模擬計算方法的出現，使人們對土體位移變形特性的模擬變得簡單。現如今，數值分析方法在預測路基施工引起的地層變形領域得到了廣泛運用。

在本次數值模擬計算中，采用了有限元軟件 Midas GTX NX，對路基施工過程進行了三維數值模擬計算分析?；诔攸S鐵路的設計方案，在分析中考慮了池黃鐵路施工對既有寧安客運專線的影響。該計算模型的土體采用修正的 Mohr-Coulumb 本構模型模擬，鉆孔樁、系梁及承載板等結構構件用彈性本構模型模擬。數值模型建立如圖9所示。

5.2nbsp; "施工工況設置

對架空式樁板結構的施工過程進行簡化，分成3種工況。工況1：初始應力平衡。計算初始應力場，得到固結完成的場地模型。對于非線性土體而言，其變形受應力場影響較大，因此為了后續工況計算能夠得到較為合理的數值，需要計算施工前的初始應力場，并將所得應力場與后續工況計算所得疊加。工況2：架空式樁板結構鉆孔樁施工。激活架空式樁板結構鉆孔樁單元，模擬鉆孔樁施工對既有客運專線產生的影響。工況3：架空式樁板結構承載板施工。激活架空式樁板結構承載板單元，模擬承載板施工對既有客運專線產生的影響。工況4：架空式樁板結構施加列車荷載。激活架空式樁板結構列車荷載單元，模擬列車運行對既有客運專線產生的影響。

5.3" "計算結果分析

架空式樁板結構施工期間，各施工工況引起既有線路基在x、y、z向的最大位移見表4。

通過數值模擬計算結果可知，采用架空式路基開展施工，各工況引起既有線路基最大累計水平位移為1.04mm，最大累計沉降為1.06mm。根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB 10182-2017）可知，架空式樁板結構施工及列車荷載引起既有寧安客運專線路基產生的最大累計水平位移和沉降，均小于規范規定限值的2mm，滿足要求。

6" "研究結論

架空式樁板結構是一種新型的樁板結構，在國內應用并不多，為鄰營高鐵路基施工打開了新思路。通過總結分析，得到以下結論：

架空式樁板結構可代替接長涵洞，對既有線影響更小，工程造價低，施工進度快。架空式樁板結構，樁和板直接連接，參考橋梁受力模式，結合處箍筋間距可適當加大。架空式樁板結構在施工時盡量采用小機械，數值由模擬分析得到，施工和運營期間其對既有線的影響較小。

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