地基加固成樁對鄰近高速鐵路變形影響研究

梁金平

（魯南高速鐵路有限公司，濟南 250101）

中國高速鐵路從無到有，從落后到領先，從引進國外技術到指定中國標準，實現了跨越式發展。截至2019年底，全國鐵路里程已占世界高速鐵路總量的2／3，以“八縱八橫”主干通道為骨架的高速鐵路網已基本建成［1-6］。由于鐵路建設工程的廣泛性，目前部分引入工程形式一般與既有運營高速鐵路鄰近并行，或以幫寬形式填筑。鄰近既有高速鐵路路基工程的建造過程對既有高速鐵路將產生種種不利影響。在以往建設工程對鄰近鐵路工程建造影響研究中，高顯平［7］利用數值模擬探究了基坑施工影響下鐵路所產生的變形規律，并制定了相應的控制措施。顧津申［8］探究了地面堆積荷載對鄰近高速鐵路橋墩沉降的影響規律，并根據現場工況進行了安全評估分析。孫宗磊［9］探究了鄰近鐵路橋梁建筑工程對鐵路沉降變形的影響規律，對現場的監測測量確定合理施工方案。曹全［10］對下穿高速鐵路工程的防護及沉降進行了評估。

鄰近鐵路建設工程對既有鐵路同樣會產生影響。為減小新建線路對既有線路的施工影響，一方面可以減小地基處理過程的施工擾動，評價新建線路地基加固成樁過程對鄰近既有線路基的擾動影響，研究不同樁型、不同成樁工藝對鄰近區域土體的擾動影響，開展不同成樁過程對鄰近區域土體的變形分布與發展規律影響的現場試驗，為新建線路路基地基加固的方案設計與施工組織提供指導。另一方面可以研發新的路基填筑材料和新路基結構，通過使用輕質填筑材料控制附加應力，減小附加沉降，減輕對既有路基的側向和豎向荷載，從而有效控制既有路基的變形。

為評價新建線地基加固成樁過程對鄰近既有線路基的擾動影響，本文通過開展預應力管樁成樁過程對鄰近區域土體的變形分布與發展規律影響的現場試驗，研究不同成樁距離對鄰近區域土體位移的擾動影響。研究成果可為新建線路路基地基加固的方案設計與施工組織提供指導。

1 試驗監測方案與工程

1.1 監測方案

試樁試驗區選取在新建魯南場正線東側的擬建綜合維修車間整體式道床復合地基加固范圍內，場地位置如圖1所示。試驗共規劃了6 個試樁區，分別為I 區、Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區、Ⅴ區及Ⅵ區，其中Ⅳ區、Ⅵ區均為預應力管樁區，Ⅳ區試驗完成引孔15 m 管樁14 排，Ⅵ區試驗先完成管樁引孔20 m 管樁5 排，之后完成管樁無引孔成樁9 排各試驗這樁位布置如圖1所示。針對地表水平及豎向位移、深層土體水平位移兩項測試內容，建立自動化監測數據采集系統進行實時監測，獲得Ⅳ區及Ⅵ區預應力管樁地基加固措施施工工藝及施工過程對臨近土體的地表水平及豎向位移、深層土體水平位移的影響規律，各區詳細樁位布置如圖2所示。

圖1 曲阜東站試樁試驗區平面位置示意圖

圖2 各試驗區樁位布置圖

1.2 試驗監測方案

地表水平及豎向位移監測：采用超高精度全自動測量機器人配合地表固定棱鏡，測量地表的水平及豎向位移，獲取成樁過程中鄰近區域地表水平及豎向位移發展規律。土體深層水平位移監測：采用全向水平位移傳感器和陣列式柔性測斜儀，測量地表和深層土體水平位移，獲取成樁過程中鄰近土體水平位移沿土體深度的分布及變化規律。地表水平及豎向位移監測基準點選?。阂勒障嚓P測量規程，每個測站需要設置不少于3 個基準點?；鶞庶c應設置在變形影響范圍之外、便于長期保存的穩定位置，且基準點的間距不大于1 km。依照現場實際情況，實際布設6 個基準點，基準點標石埋深1.5 m。觀測頻率：各測試項目均采用自動化監測系統，元件布設完成后地表水平及豎向位移、深層土體水平位移、孔隙水壓力及地下水位均可通過自動采集、傳輸設備進行實時量測。本次試驗設定儀器監測頻率為：地表位移監測頻率15 min／次、深層土體水平位移30 min／次。

試驗區監測斷面與測點平面布置示意如圖3所示。地表水平及豎向變形監測的每個斷面設置8 個地表位移測點，各斷面測點距離試驗區邊界距離依次為1.0 m、5.0 m、8.0 m、11.3 m、16.3 m、20.0 m、35.5 m和60.0 m，地表位移測點編號為“S +斷面號+順序號”。土體深層水平位移監測的每個斷面設置2 個深層水平位移測點，深層水平位移觀測點布設于距試驗區邊界1.0 m、5.0 m，孔深30 m。

圖3 監測斷面與測點平面布置示意圖（m）

2 監測結果與分析

2.1 地表水平及豎向位移分析

試驗Ⅵ區、Ⅳ區地表橫向水平位移隨成樁進度的變化如圖4、圖5所示。

圖4 Ⅵ 區地表橫向水平位移隨成樁進度的變化圖

圖5 Ⅳ區地表橫向水平位移隨成樁進度的變化圖

由圖4、圖5 可知：

（1）試驗Ⅵ區（引孔20 m管樁5排）：共成樁196根，在距離試驗區邊界1 m、5 m、8 m 處測點S-5-1～S-5-3 引起的地表最大橫向水平位移依次為14.2 mm、12.3 mm、10.1 mm，地表最大縱向水平位移依次為10.1 mm、2.8 mm、2.6 mm（線路大里程方向，下同），地表隆起依次為1.7 mm、1.6 mm、0.7 mm；在距試驗區邊界11.3 m（模擬高速鐵路場幫填京滬Ⅱ股道）、16.3 m（模擬高速鐵路場幫填京滬Ⅱ股道）、20.0 m（模擬魯南場填筑京滬5 股道）、35.5 m（模擬魯南場填筑京滬Ⅱ股道）測點S-5-4～S-5-7 處引起的地表橫向水平位移依次約為7.9 mm、5.9 mm、4.4 mm、1.6 mm，地表縱向水平位移依次約為2.3 mm、1.8 mm、1.5 mm、1.2 mm，未引起明顯地表隆起變化。壓樁對60 m 測點S-5-8 未造成明顯影響。

（2）試驗Ⅳ區（引孔15 m 管樁14 排）：共成樁196 根，在距離試驗區邊界1 m、5 m、8 m 處測點S-3-1～S-3-3 引起的地表最大橫向水平位移依次為13.7 mm、7.9 mm、7.5 mm，地表最大縱向水平位移依次為4.5 mm、4.1 mm、3.6 mm，地表隆起位移依次為2.4 mm、1.6 mm、1.4 mm；在距試驗區邊界11.3 m、16.3 m、20.0 m、35.5 m 測點S-3-4～S-3-7 處引起的地表橫向水平位移依次約為6.4 mm、4.8 mm、3.9 mm、1.3 mm，地表縱向水平位移依次約為3.3 mm、2.7 mm、2.7 mm、1.6 mm，測點S-3-4 地表有約1.4 mm 的隆起，測點S-3-5～S-3-7 無明顯的地表豎向位移。壓樁對60 m 測點S-3-8 未造成明顯影響。

（3）結合2 個試驗區地表最大橫向水平位移、縱向水平位移及地表隆起位移可知，隨著測點距離的增大測點水平位移、地表隆起位移均隨之減小，試驗Ⅵ區地表水平位移大于試驗Ⅳ區，但地表隆起位移小于Ⅳ區，且當距離達到60 m 時地表位移將不受影響。

2.2 深層土體水平位移分析

試驗Ⅵ區、Ⅳ區1 m、5 m 處深層水平位移發展變化如圖6、圖7所示。

圖6 Ⅵ區1 m、5 m 處深層水平位移發展圖

圖7 Ⅵ區1 m、5 m 處深層水平位移發展圖

由圖6、圖7 可知：

（1）試驗Ⅵ區壓樁產生的位移主要為橫向位移。距試驗Ⅵ區邊界1 m 處測點D-5-1 的深層橫向水平位移隨成樁排數的增多而增大，地表橫向水平位移最大值約為17.2 mm，深層最大值約為15.5 mm，出現在地表以下13～15 m 處，在深度23～30 m 段迅速減少。深層縱向水平位移在成樁過程中最大值為3.0 mm，至全部成樁時，地表縱向水平位移基本恢復至0 mm，深層縱向水平位移最大值為-1.8 mm，出現在深度13 m 處。因深層水平位移的測量精度為1.5 mm，故可以認為縱向位移變化很小。距試驗Ⅵ區邊界5 m 處測點D-5-2 的深層橫向水平位移隨成樁排數的增多而增大，地表橫向水平位移最大值約為14.8 mm，深層水平位移隨深度遞減，在地表以下5 m、15 m、25 m處橫向位移約為12.0 mm、9.7 mm、3.9 mm。深層縱向水平位移在成樁過程中最大值為1.4 mm，至全部成樁時，地表縱向水平位移恢復至0.4 mm，深層縱向水平位移最大值為-1.8 mm，出現在深度19 m 處。

（2）試驗Ⅳ區壓樁產生的位移主要為橫向位移。距試驗Ⅳ區邊界1 m 處測點D-3-1 的深層橫向水平位移隨成樁排數的增多而增大，地表橫向水平位移最大值約為11.7 mm，深層最大值約為9～10 mm，出現在地表以下12～20 m處，在深度20～30 m段逐漸減少。深層縱向水平位移在成樁過程中最大值為5.0 mm，至全部成樁時，地表縱向水平位移約為2.6 mm，深層縱向水平位移最大值為3.0 mm，出現在地表以下20 m 處。距試驗Ⅳ區邊界5 m 處測點D-3-2的深層橫向水平位移隨成樁排數的增多而增大，地表橫向水平位移最大值約為8.9 mm，深層水平位移整體上隨深度遞減，在地表以下5 m、15 m、25 m 處橫向位移約為7.1 mm、7.8 mm、4.2 mm。深層縱向水平位移在成樁過程中最大值為1.6 mm，至全部成樁時，地表縱向水平位移基本恢復至0 mm，深層縱向水平位移最大值為2.8 mm，出現在深度19 m 處。

（3）兩個試驗區內深層水平位移隨著地表深度的增大及測點距離的增加而不斷減小，深層橫向水平位移最大值在地表以下13～15 m 處，在深度23～30 m段迅速減少。試驗Ⅵ區橫向水平位移大于試驗Ⅳ區，而深層縱向水平位移小于試驗Ⅳ區。

3 結論

本文研究了預應力管樁成柱過程對臨近區域土體的變形分布與發展規律的影響，得到主要結論如下：

（1）試驗Ⅵ區距離試驗區邊界1 m、5 m、8 m 處測點引起的地表最大橫向水平位移依次為14.2 mm、12.3 mm、10.1 mm，最大縱向水平位移依次為10.1 mm、2.8 mm、2.6 mm；試驗Ⅳ區處測點引起的地表最大橫向水平位移依次為13.7 mm、7.9 mm、7.5 mm，最大縱向水平位移依次為4.5 mm、4.1 mm、3.6 mm，可見距離試驗邊界處越遠，測點水平位移越小，試驗Ⅵ區地表水平位移大于試驗Ⅳ區。

（2）試驗Ⅵ區距離試驗區邊界1 m、5 m、8 m 處地表隆起依次為1.7 mm、1.6 mm、0.7 mm，Ⅳ區距離試驗區邊界1 m、5 m、8 m 處測點地表隆起位移依次為2.4 mm、1.6 mm、1.4 mm，表明測點距離越遠，隆起位移越低，且IV 區位移大于Ⅵ區。

（3）距試驗Ⅵ區邊界5 m 處地表橫向水平位移最大值約為14.8 mm，在地表以下5 m、15 m、25 m 處橫向位移約為12.0 mm、9.7 mm、3.9 mm；試驗Ⅳ區地表橫向水平位移最大值約為8.9 mm，地表以下5 m、15 m、25 m 處橫向位移約為7.1 mm、7.8 mm、4.2 mm?？梢姍M向水平位移隨著地表深度的增大而不斷減小，且試驗Ⅵ區橫向水平位移大于試驗Ⅳ區。