高速铁路制梁台座设计方案研究

刘学忠

(中铁三局第六工程有限公司，山西晋中 030600)

1 概述

铁路工程与其他工程相比，一个显著特点是大型临时工程规模比较大。高速铁路建设中，制梁场因其临时占地面积大、造价高，是工程建设中最重要的大型临时工程。然而，目前开工在建高铁在梁场制梁台座设计上，各单位设计理念不一、差别较大。根据笔者的调查，有的制梁场台座所需成本竟然高达30万元以上，而有的却只有10万元～15万元，所以台座方案设计对造价有着很大的影响。笔者以大西高铁洪洞制梁场为例，介绍在制梁台座方案选择上的一些方法和思维。

2 工程概况

大西客专洪洞制梁场设制梁台座10座。预制梁的结构形式是单箱单室双线整孔无砟轨道箱形简支梁，梁型为高速铁路广泛采用的通桥(2008)2322A系列。设计共预制梁583孔，每孔跨径31.5 m，梁自重835 t。场地位于汾河流域低阶地，场地土层主要由第四纪全新世早期以及上更新世冲洪积成因的粉质粘土、卵石组成。地表粉质粘土层承载力特征值fak=120 kPa，承载力较低。

3 制梁台座地基处理方案比选和设计

制梁台座地基加固的目的在于提高地基刚度，减少总沉降量和不均匀沉降量。根据《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》有关规定，预制梁在存梁时，四支撑点不平衡量不大于2 mm。由于施工荷载重，地基承载力要求高，必须选择合适的地基处理方案，以提高地基承载力、减少沉降和控制不均匀沉降。地基处理加固将直接关系到预制梁工程的造价、质量和进度。

3.1 地基应力计算

根据《铁路大型临时工程和过渡工程设计暂行规定》(铁建设［2008］189号)有关规定，制梁台座结构及基础按照以下两种最不利工况进行设计:1)浇筑梁体完毕尚未张拉时，设计荷载均布于制梁台座上，如图1所示;2)台座上混凝土梁张拉完毕尚未提梁时，箱梁结构自重荷载集中作用于制梁台座两端，如图2所示。

图1 混凝土浇筑完毕至张拉前台座受力示意图

作用在混凝土台座上的荷载主要有:模板1 800 kN、梁重8 350 kN、施工荷载300 kN、混凝土台座总重1 920 kN(其中两端重455 kN)。根据《铁路大型临时工程和过渡工程设计暂行规定》，超载系数取 1.1。

图2 初张拉后至提梁前台座受力示意图

第一种工况下，作用于台座均布荷载 q1=1.1×(1 800+8 350+300+1 920)/32.6=417 kN/m。作用于地基的平均应力为 p=417/6.0=70 kPa。

第二种工况下，作用于台座均布荷载 q2=1.1×(1 800+8 350+300+455)/2/3=1 817 kN/m。作用于地基的平均应力为p=1 817/6.0=302 kPa。

3.2 地基处理方案选择

根据规范要求，在选择地基处理方案中，考虑因素如下:

1)考虑到本场地地下水位埋深较浅，采用强夯法压密浅层土时，易出现橡皮土现象，强度提高幅度难以达到要求;采取降水加强夯方式对工期不利;本场区缺土，强夯施工要求补给土因而增加成本。2)本场区地质条件适合注浆，但注浆方式存在以下问题:无上覆压力情况下注入量有限，且很难精确控制浆液注入量，加固后的地基存在局部范围不均匀的问题，容易造成不均匀沉降，令注浆难以达到很高的加固要求。3)CFG桩作为取土桩，常用桩径400 mm～600 mm。本场区的Q4地层土较为松散，成孔、保持孔径较困难，孔壁稳定性难以保证，施工质量难以控制。4)PHC管桩和预制方桩;场区附近经初步调查无预制桩厂，现场预制受现场客观条件限制对工期不利。从太原等外地运桩来现场成本较高。由于卵石层较厚，粒径不均匀，以之为持力层时，为保证桩基承载力需贯入一定深度，对施工设备和施工控制要求较高，难以保证施工质量。5)灌注桩，包括钻孔桩挖孔桩。灌注桩施工中，场地浅层松散的黄土层有塌孔和跑浆的可能，需有严格的护壁措施。卵石层为稍密～中密，易塌孔，施工难度较大;施工工艺有排浆的要求，场地整洁困难，成本较高。场地地下水位较高，无法采用挖孔桩施工。6)水泥土搅拌桩属于成熟技术，加固材料单一，适宜本场地地基加固。相比于单轴、双轴搅拌桩，三轴搅拌桩具有施工质量保证度高、桩体强度大、成桩质量好、场地适应性强、施工进度快的特点，适宜对本场地部分工程进行地基加固。

综合研究后，确定采用三轴搅拌桩加固处理制梁台座地基。对部分填方区域填土分层碾压密实，填筑分层厚度30 cm～50 cm，压实度不小于93%。

3.3 地基处理设计

根据在类似地基的京沪高铁、石武客专等数个梁场的施工经验，采用三轴搅拌桩进行地基加固，加固效果好，施工进度快，成桩质量稳定;单幅加固面积大，因此底板抗冲切要求低、底板厚度比桩基方案低;为保证台座整体沉降变形均匀，除在台座两端进行加固外，台座中部区域也进行了加固，基础整体的不均匀沉降较小(据实测小于2 mm)。台座范围地基加固平面布置详见图3。

图3 32m长制梁台座地基加固平面布置图

桩型采用φ850@600水泥土搅拌桩。采用P.O32.5普通硅酸盐水泥，水灰比1.5，水泥掺入比22%。外加剂木质素用量为水泥用量的0.2%。为保证水泥土搅拌均匀，必须控制好钻机下沉及提升速度，钻机钻进搅拌速度一般在1 m/min，提升搅拌速度一般在1.0 m/min～1.5 m/min，以保证水泥土能够充分搅拌混合均匀。提升速度不宜过快，避免孔壁塌方等现象。桩施工时，相邻两桩施工间隔不得超过12 h。

1)工程量。加固范围基础宽度6.0 m，长33.4 m，桩长9.5 m(有效桩长9 m)。三轴搅拌桩单个台座工程量为28根桩，加固桩的总面积为42 m2，总进尺约294 m，总方量为441 m3。按照180元/m3计算，单个台座造价约7.9万元。按照初步布置的10个台座计算，总方量约4 410 m3，总造价约79万元。

2)承载力验算。根据国家标准JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范第12.2.2条规定，用水泥土桩处理的地基，其承载力计算公式如式(1)所示。

其中，fspk为复合地基容许承载力特征值，kPa;m为面积置换率，台座中部取0.17，两端取 0.40;Ap为桩的截面积，m2，单桩为1.5 m2;fsk为桩间土容许承载力，实勘得120 kPa;β为桩间土承载力折减系数，取0.9;Ra为单桩竖向承载力特征值，kN，通过式(2)，式(3)估算取小值。

其中，fcu为抗压强度平均值，取1.6 MPa;η为桩身强度折减系数，取0.30;d为桩的平均直径;D为桩周长，三轴搅拌桩为3.34 m;n为桩长范围内所划分的土层数;li为桩周第i层土的厚度，m;L为桩有效长度，m;qi为桩周第i层土的容许摩阻力，取15 kPa;αp为桩端土承载力折减系数，取0.6;qp为桩端土的容许承载力，取300 kPa。

按式(2)计算:Ra=ηfcu·Ap=0.30×2 000×1.5=900 kN。

按式(3)计算:Ra=D ×L×qi+αp×Ap×qp=5.33×9.5×15+0.6×300×1.5=1 030 kN，取 Ra=900 kN。

复合地基承载力:台座中部:fspk=0.17 ×900/1.5+0.9 ×110 ×(1 －0.17)=184 kPa＞70 kPa，满足要求。

台座两端:fspk=0.4×900/1.5+0.9×110×(1 －0.4)=305 kPa＞302 kPa，满足要求。

4 制梁台座设计

根据上述图1，图2台座的受力模型，台座两端与中间部位通过沉降缝分隔开来，从而使预制梁从浇筑至提梁搬走，对台座连续墙的作用只有竖向压力，连续墙不承受弯矩作用，因此台座连续墙的配筋只需考虑构造配筋即可。与采用弹性地基梁原理设计的台座相比，减少了大量钢筋用量。洪洞梁场的实践证明，计算模型的选取较为符合实际受力情况。

制梁台座结构通常采用3道连续墙的结构形式，如图4所示。

图4 台座平面布置示意图

5 结论和建议

通过洪洞制梁场台座方案的设计表明:1)结合地形地质条件及当地可提供的社会资源，选择合适的地基处理方案，在给施工带来便利的同时，可大幅节约成本。2)在方案设计中，合理的受力分析模型非常重要。据对其他一些梁场的调查，部分制梁场台座连续墙通长设置，未在两端设沉降缝，将连续墙当作弹性地基梁进行分析计算，计算结果结构承受较大的弯矩，需配很多钢筋，给项目增加了成本。本项目每个制梁台座总成本约12万元，较为经济。

通过洪洞梁场制梁台座设计方案的比选，笔者认为当前在台座设计上还存在以下一些问题:

1)根据《铁路大型临时工程和过渡工程设计暂行规定》有关规定，台座上混凝土梁张拉完毕尚未提梁时，箱梁结构自重荷载集中作用于制梁台座两端。而根据笔者现场的观察，梁体初张拉后，梁体中部与底模并未产生明显的分离。据分析可能是在初张拉两端预应力作用下所产生的外力矩较小，引起梁体跨中向上的挠度不足以克服梁体自重作用所产生的向下的挠度，导致实际上箱梁结构自重荷载并未全部集中作用于台座两端，而使两端偏大，中部尚有部分竖向支撑力。所以全部支撑于台座两端的假设可能导致竖向荷载偏大。

2)现场箱梁设计横截面尺寸分析，3个连续墙并非均匀受力。如何根据梁体截面尺寸及模板的支撑情况，准确分析荷载在3道连续墙的分配需要进一步研究。在未对此有准确的分析结果之前，台座设计上应该考虑偏载安全系数。

有关对台座的工作机理的研究分析，有必要进行进一步的探索，从而进一步提高梁场台座设计水平。