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)專線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)條件下的臨近營業(yè)線路基地基處理中的應(yīng)用情況。

臨近營業(yè)線； 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，長江及其支流一級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)。商合杭鐵路阜陽至杭州段新建正線全長349.978 km，全線除肥東、蕪湖站為有碴軌道外，其余地段正線均鋪設(shè)CRTSⅢ型無砟軌道。全線路基建筑總長度76.283 km。

2 臨近既有客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)難點(diǎn)

鐵路系統(tǒng)一般規(guī)定距既有線線路中心30 m范圍內(nèi)為臨近營業(yè)線范圍，其施工屬于營業(yè)線施工安全管理范疇?？瓦\(yùn)專線路基對變形要求嚴(yán)格，在既有客專路基兩側(cè)進(jìn)行新線路基施工時(shí)可能存在如下問題：(1)新線地基處理時(shí)，如受限高、場地空間等影響，常規(guī)的施工機(jī)械和方法無法進(jìn)場施工，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)直接幫填在既有線路基上時(shí)，會大幅增加地基內(nèi)部的附加應(yīng)力，導(dǎo)致既有線路基產(chǎn)生新的工后沉降和水平位移，且由于場地空間限制，填料填筑時(shí)壓實(shí)質(zhì)量難以保證。(3)新線路基填筑前，既有線正線兩側(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)兼滿足既有線和新線的排水需求。(4)挖方車站既有兩側(cè)邊坡已處于服役狀態(tài)，兩側(cè)幫寬新線時(shí)勢必要開挖既有邊坡，施工過程中需確保邊坡不發(fā)生過大變形而危及既有線安全等。上述問題均是設(shè)計(jì)階段需要考慮并采取有效對策予以解決。

3 臨近既有客運(yùn)專線路基設(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)營的客運(yùn)專線鐵路并行，如合蚌客專、合寧鐵路、合福鐵路、皖贛客專、寧杭客專等，上述并行段所處地貌單元類型豐富，地基巖土體特性差異大，有長江、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，一般施工場地上部凈高6 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。

商合杭正線引入水家湖站后，施工邊界距離合蚌高鐵路基無砟軌道中心10～30 m，為降低機(jī)具高度，減小對既有線的干擾，保證運(yùn)營安全，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，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，它是通過降低路基填土的容重來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。為降低新線對既有合寧鐵路的影響，對于填土高大于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無側(cè)限抗壓強(qiáng)度需滿足以下條件：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，通過兩側(cè)懸臂墻收坡并承擔(dān)填土水平土壓力，通過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，為無砟軌道單線路基。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無砟軌道高速鐵路，路基設(shè)計(jì)需確保既有線安全，包括避免引起既有線附加沉降、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)備過高，且侵占了既有路基的邊坡，無法徹底消除新線對既有線的附加影響，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既有客運(yùn)專線的影響，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C80，其各種參數(shù)應(yīng)滿足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16.5～26.0 m，樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖2 m；樁頂滿鋪設(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。若靜壓法無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，只能采用錘擊法。在商合杭場及合福場之間設(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)，穿過軟土層時(shí)應(yīng)輕擊，避免樁體一次貫入過大并產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力。

4 結(jié)束語

新線路基臨近既有客運(yùn)專線建設(shè)時(shí)，需要在設(shè)計(jì)階段、施工前準(zhǔn)備及施工過程中積極采取有效措施，確保運(yùn)營線安全。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，在施工過程中無振動(dòng)、無噪音、不擠土, 對周圍的建筑物影響很小。

(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，對周圍土體擾動(dòng)小，可有效避免新線地基處理與路基填筑造成運(yùn)營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.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至杭州段施工圖路基工程參考圖集[R]. 2015.

[4] 葉觀寶,高彥斌.地基處理[M].北京：中國建筑出版社， 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