泡沫混凝土控制既有京沪高铁桥梁承台沉降的应用研究

孙福洋

(中铁六局集团有限公司，北京 100036)



泡沫混凝土控制既有京沪高铁桥梁承台沉降的应用研究

孙福洋

(中铁六局集团有限公司，北京 100036)

摘要：受场地选址限制，津保铁路曹庄动车运用所检查库临近京沪高速铁路正线建设，其施工会影响既有高铁桥墩沉降变形，影响京沪高铁运营安全。首先通过采用规范计算方法及有限元数值模拟，围绕地基土体固有物理力学性质、作用位置、荷载等影响因素，分析曹庄动车运用所检查库对既有京沪高铁桥梁承台沉降影响，确定检查库的合理位置。其次，根据桥梁承台沉降分析结果，从减轻填料自重荷载出发，选择轻质泡沫混凝土换填检查库地基施工工艺，并进行桥梁承台相应的沉降影响分析，确定换填轻质泡沫混凝土的可行性及经济性。最后，结合实际工程施工情况，在施工过程中对京沪高铁承台进行了变形监测验证，结果表明泡沫混凝土回填效果良好。该工艺对今后类似工程建设有着重要参考价值。

关键词：既有线；桥梁承台；沉降分析；泡沫混凝土

1 工程概况

新建曹庄动车运用所承担了天津铁路枢纽辖区内京沪高速铁路、津秦客运专线、津保铁路等客运专线动车组存车、检修作业。所内共设检查库线10条、存车线48条以及洗车库等配套设施，占地2 050亩(1亩=666.7 m2)，其中检查库单体建筑面积4.9万m2，长468 m、宽103.5 m，为运用所内体量最大的单体建筑。因场地选址受限，检查库需临近既有京沪高铁正线修建，检查库西端外墙中心线至京沪高速铁路下行正线中心线最小垂直距离为27.12 m，检查库西侧最外侧桩基中心至京沪高速铁路东侧最外桥梁桩基中心距离为24.98 m。鉴于京沪高铁已通车运营，检查库施工距离正线太近，检查库施工对京沪高速铁路安全有影响。在受检查库场地和工艺要求双重限制情况下，在检查库施工过程中，如果不能有效的控制地基基础施工材料和工艺，京沪高速铁路东侧最外桥梁桩基和京沪高速铁路下行正线桥梁桩基可能会产生比较大的沉降和水平位移，这样会严重影响京沪高铁的运营安全。

泡沫混凝土系指在砂、石屑或粉煤灰等材料(下称原料土)中按照一定的比例添加水泥、水和气泡，经充分混合、搅拌后所形成的轻型填土材料，具有质量轻、物理力学性能好的特点[1]。本文在认真总结轻质泡沫混凝土施工应用技术研究成果的基础上，从降低作用荷载方面考虑，检查库场地采用轻质泡沫混凝土回填，以减少和控制检查库施工对既有线承台的沉降影响，并在施工过程中对桥梁承台进行了沉降监测验证，确保检查库施工不对京沪高速铁路运营产生影响或产生较小影响。

2 检查库建设对京沪高铁桥梁承台沉降影响分析

2.1 工程条件

曹庄动车运用所检查库与既有线京沪高速铁路之间的位置关系如图1所示，图左侧为既有京沪高速铁路，自上而下桥墩编号分别为7至1。桥墩基础均为桩基础，有效桩长约52 m。检查库站场平均填土厚度为1.5 m。场地长468 m，宽103 m，左侧有3 m宽道路，场地下侧有宽10 m道路，填土面积总计471 m×113 m。

曹庄运用所检查库为钢排架单层结构，柱下采用灌注桩；检查地沟及道床基础采用预应力空心方桩。 灌注桩桩长约21.0 m，桩径600 mm，单桩竖向承载力特征值800 kN。桩尖土层为粉土层。

曹庄运用所检查库工程建设对京沪桥梁承台沉降的影响不仅与土体固有物理力学指标有关，还与新建工程布置位置、荷载关系密切。因此本文主要研究荷载作用位置、荷载大小两个要素的影响，采用规范计算方法及有限元数值模拟加以讨论。

图1　检查库与京沪线桥梁墩台位置关系图(单位：m)

2.2 计算工况

由于本工程控制参数为荷载作用位置与荷载大小，所以选取以下工况：

(1)工况一，维持现有填土范围及距离不变，检查库外墙中心距京沪高速铁路下行线线路中心27 m。

(2)工况二，填土区域整体右移3 m，检查库外墙中心距京沪高速铁路下行线线路中心30 m。

(3)工况三，填土区域整体右移6 m，检查库外墙中心距京沪高速铁路下行线线路中心33 m。

(4)工况四，在工况三基础上，考虑换填20 m、30 m、50 m轻质填料(泡沫轻质混凝土)。

2.3 附加荷载确定

附加荷载由建筑自重和场地内附加填土两部分组成,建筑自重附加荷载包括结构柱顶反力值及填充墙自重附加荷载，可根据《建筑地基基础设计规范》5.3.5条规定方法计算出作用在基础底面的附加应力值。整体柱底反力合计为7 733 kN，检查库首层填充墙自重31 133 kN，单层边跨自重12 787 kN，双层边跨自重11 190 kN。场区填土荷载可根据场区内填土高度以及填土重度来计算填土荷载。填土重度按照20 kN/m3考虑，场地填土平均高度计算值为1.478 m，则由填土产生的附加荷载为29.56 kN/m2。由检查库自重和场地内填土引起的总附加荷载为41 kN/m2。其中建筑自重占总附加应力的28%，填土占72%。

2.4 计算参数的确定

沉降计算分析采用《建筑地基基础设计规范》5.3.5条规定方法进行计算，沉降经验系数取值根据天津规范10.1.6条及地基基础规范规定为0.3～0.8；考虑到承台下桩长较长，且土体等效压缩模量较大，综合比较后将沉降计算经验系数取为0.4。计算深度为桩尖以下20 m的土体。各层土体压缩模量如表1所示。

表1 土体压缩模量

2.5 计算结果与分析

根据《建筑地基基础设计规范(GB50007—2011)》中5.3.5条公式：

式中：s为地基最终变形量(mm)；s′为按分层总和法计算出的地基变形量(mm)；Ψs为沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定，无地区经验时可根据变形计算深度范围内压缩模量的当量值；N为地基变形计算深度范围内所划分的土层数；p0为相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加压力(kPa)；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量(MPa)，应取土的自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段计算；zi、zi-1为基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离(m)；αi、αi-1分别为基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

计算分析分两步进行，第1步计算首先仅考虑场地平移因素下的桥墩沉降及差异沉降值(工况一～工况三)，其计算结果见表2，结果汇总见表3。

计算表明，在建筑场地长、宽保持不变的前提下，场地至桥墩的距离越短，引起桥墩沉降越大，且变化越明显，但沉降差变化不明显。对比工况一、工况二和工况三的沉降量，可以发现填土离既有桥墩越近，影响越大。

综合工艺和站场线束摆放等综合因素，检查库工程最终确定位置为检查库整体平移6 m，即检查库端距离京沪线桥梁墩台33 m(工况三计算位置)。

2.6 轻质泡沫混凝土换填沉降影响分析

由检查库自重和场地内填土引起的总附加荷载为41 kN/m2。其中建筑自重占总附加应力的28%，场地填土占72%，因此检查库工程引起沉降的主要因素为场地填土，若能减少填土重度，可有效降低沉降影响。故从降低作用荷载方面考虑，将检查库场地靠近京沪高铁桥墩侧部分填土换为轻质泡沫混凝土。泡沫混凝土重度一般为4～6 kN/m3，考虑到泡沫混凝土可能因受潮而自重增加[2]，故计算重度为6 kN/m3，换填总重量9 kN/m2。

表2 工况一～工况三各承台沉降差

表3 考虑场地平移计算汇总表

针对工况三的情况，按不同工程量考虑从库端起，沿库跨度方向按换填宽度20 m、30 m、50 m三种情况考虑(见图2)。

图2 换填位置示意图(单位：m)

工况三下换填宽度为20 m、30 m、50 m情况下采用《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)规范方法计算，检查库工程建设对临近的京沪高铁墩台沉降分析结果见表4。

表4 考虑换填轻质材料沉降值汇总表

从上述的计算结果相比可知，各计算趋势一致，数值差异不大。

从表5中数值可以看出，随着换填宽度加大，承台沉降最大值、沉降差有所降低。换填30 m能够有效减轻承台最大沉降及差异沉降，且换填30 m与50 m对比相差不大，但换填50 m工程量增加近70%，工程经济指标不尽合理。实际施工采用换填轻质泡沫混凝土宽度为30 m，换填范围为场地左侧，长113 m、宽30 m、深1.478 m。

表5 实测桥墩累计沉降量表

3 施工方案的确定及实施情况

曹庄动车应用所检查库工程场地最终位置距京沪正线桥台最短距离33 m，且场地内靠近京沪高速铁路正线桥墩一侧采用换填30 m轻质泡沫混凝土的施工方案。泡沫混凝土取代普通回填土这一铁路路基创新施工工艺，减少了回填土50%～70%的重度，降低了回填附加荷载。轻质泡沫混凝土回填结构示意图如图3所示。

图3 轻质泡沫混凝土回填示意图(单位：m)

结合监测，泡沫混凝土在曹庄动车应用所检查库施工中总结的应用经验如下：

(1)浇筑轻质泡沫混凝土前，进行基底碎石垫层施工，做好防排水工程等施工准备工作，碎石垫层应严格按照相关要求进行施工。

(2)轻质泡沫混凝土单层浇筑厚度，应控制在0.5～1.0 m范围。

作为一名在国企科研一线工作的科研工作者，通常会在一个团队中开展协同研究工作。每一个研究人员会有自己的研究思路与想法，每一个研究人员又会从团队中的其他人身上得到启示和帮助，那么如何处理研究工作中的这种矛盾与协同呢，下面我要分享的是自身的一个案例。

(3)轻质泡沫混凝土单个浇筑区浇筑层的浇筑时间应控制在水泥浆初凝时间内，上层浇筑层仅当相邻的下层浇筑层终凝后方能浇筑施工。

(4)浇筑过程中，当需要移动浇筑管时，应沿浇筑管放置的方向前后移动，而不宜左右移动浇筑管，如确实需要左右移动浇筑管，则应将浇筑管尽可能提出当前已浇筑轻质混凝土表面再移动。

(5)进行扫平表面时，应尽量使浇筑口保持水平，并使浇筑注口离当前浇筑轻质混凝土表面尽可能低。

(6)尽量减少在已浇筑完未固化的轻质混凝土里来回走动。

(7)当遇到大雨或持续时间较长的小雨天气时，未固化的轻质混凝土表层应采取遮雨措施，防止雨水浸泡。

(8)轻质泡沫混凝土与检查库等库房基础之间设置变形缝，变形缝及施工缝采用复合模板填塞。

4 监测结果分析与讨论

新建工程临近既有线施工,必然会影响既有线的变形和沉降,为确保施工和既有线运营安全,施工期间需对既有线展开沉降变形监测,实时评估安全性,确保施工及既有线运营安全处于可控状态[3-5]。曹庄动车应用所检查库工程临近京沪高铁桥墩，为验证既有线桥墩沉降理论计算结果，同时为确保施工期的京沪高速铁路运营安全，对京沪高铁C75#～C81#桥墩进行了沉降监测。临近施工的7个桥墩(C75#～C80#)墩身沿垂直线路两侧各布置一个测点，共计14个监测点；施工影响范围外的2个桥墩(C73#和C83#)各布设1个监测工作基点，在C71#，C85#每个桥墩设置1个监测基准点，合计18个测点。项目观测在2013年4月16日进行了第1次沉降和水平位移观测，至2013年11月10日结束，共进行了148期沉降监测，最后各桥墩累计沉降量见表5。 根据京沪高铁C75#～C81#墩基础沉降观测数据，施工期间最大沉降量为3.61 mm；施工后期沉降曲线趋于平缓，沉降变形趋于稳定，但沉降量均减少，京沪高铁桥墩累计最大沉降量为3.09 mm，远小于规范规定无砟轨道工程桥墩最大总沉降值在15 mm以内、相邻桥墩差异沉降小于5 mm的要求。

实测沉降值与理论计算沉降值对比见表6。

表6　检测结果与理论计算沉降对比

通过以上数据对比及分析，曹庄动车运用所检查库地基基础在开挖回填过程中，京沪高铁桥墩影响的沉降值与沉降理论计算值基本吻合，满足京沪高铁安全运营要求。

由于施工期土体荷载增加不规律，造成监测点沉降曲线波动较大，最大差异沉降量为1.39 mm，施工后期差异沉降趋于稳定并且数值减小。

5 结论

(1)轻质泡沫混凝土相对普通回填土具有轻质、力学性能良好的优点，能有效减轻填土重量，减小附加荷载大小，进而有效减少曹庄动车运用所检查库工程建设对临近既有线京沪高铁桥墩沉降影响，确保既有高铁的运营安全。

(2) 曹庄动车运用所检查库及站场临近京沪高速铁路修建对既有桥墩及基础所产生的附加影响是可控的，能满足规范要求及无砟轨道的要求，并且与理论计算值基本吻合。

(3) 本工程临近既有高速铁路施工时采用合理优化位置布置、创新填料选择的思路，为今后类似工程临近高铁施工的沉降控制创造性的提供了一种有效的思路和方法。

参考文献

[1]张 磊,杨鼎宜.轻质泡沫混凝土的研究及应用现状[J].混凝土,2005,19(8)：44-48

[2]袁 璞,马芹永,张海东.轻质泡沫混凝土SHPB试验与分析[J].振动与冲击,2014:33(17)：115-119

[3]赵 勇,陈 占,徐红星.高速铁路无砟轨道路基沉降监测和研究[J].铁道工程学报，2012,165(6):45-49

[4]王胜涛,杨广庆,薛晓辉,等.高速公路路基沉降监测技术研究[J].铁道建筑,2008(2):76-78

[5]龚建伍.建筑物变形监测与安全评价的研究[D].武汉：武汉大学,2004:13-17,24-33

On the Application of Foamed Concrete to Controlling the Settlement of the Cap of the Bridge of an Existing Railway

Sun Fuyang

( The Sixth Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Beijing 100036,China )

Abstract:Limited by the choice of the site, the Test Storehouse of the high-speed train application institution at Caozhuang Village of the Jin-Bao Railway has to be built near the main line of the Beijing-Shanghai High Speed Railway, in which case the construction of it may affect the settlement and deformation of the piers of the bridge of the existing high speed railway,as a result of which the safe operation of the Beijing-Shanghai High Speed Railway may be affected.With all the influential factors,such as the inherent physical and mechanical properties of the earth body of the foundation,the functional positions and loads, taken into account, the effects of the Test Storehouse of the high-speed train application institution at Caozhuang Village of the Jin-Bao Railway on the settlement of the caps of the bridges of the existing Beijing-Shanghai High Speed Railway are analyzed,upon the basis of which the proper location of the Test Storehouse is determined. Then, to reduce the self-weight load of the filler,the light-weight foamed concrete is chosen to fill the base of the test storehouse according to the analytic results of the settlement of the caps of the bridge, with the corresponding effects of settlement of the bridge analyzed, and the feasibility and economy of filling the light-weight foamed concrete verified. Finally,with the practical construction conditions considered,the possible deformation of the caps of the bridge of the Beijing-Shanghai High Speed Railway is monitored and tested. The tested results show that the foamed concrete filled produces very good effects.The process used for this project may serve as an important useful reference for other similar projects in the future.

Key words:existing railways;cap of a bridge;analysis of settlement;foamed concrete

收稿日期：2016-03-10

作者简介：孙福洋(1978—)，男，高级工程师，主要从事土木工程技术管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.002

中图分类号：U443.25

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)03-0007-05