临近既有客运专线的高铁路基地基处理设计

2017-07-07杭红星

四川建筑 2017年3期

关键词：形槽轻质管桩

杭红星

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

临近既有客运专线的高铁路基地基处理设计

杭红星

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

以商合杭高铁阜阳至杭州段路基设计工点为例，介绍了碎石注浆桩、泡沫轻质土、钻孔桩+U形槽结构、管桩桩板结构等地基处理措施在各种工程地质条件下的临近营业线路基地基处理中的应用情况。

临近营业线；泡沫轻质土；碎石注浆桩； U形槽；管桩桩板结构

1 工程概况

商合杭铁路阜阳至杭州段北起安徽省淮南市，经由合肥、巢湖、芜湖、宣城、湖州，终止于既有杭州东站。全线地形地貌分界明显，淮河以北主要为淮河冲积平原，淮河及其支流高阶地主要分布在淮南至合肥北城一带，长江及其支流一级阶地主要分布在巢湖至芜湖一带，剥蚀残丘零星分布于淮南、巢湖、安吉等地区。商合杭铁路阜阳至杭州段新建正线全长349.978 km，全线除肥东、芜湖站为有碴轨道外，其余地段正线均铺设CRTSⅢ型无砟轨道。全线路基建筑总长度76.283 km。

2 临近既有客运专线路基设计难点

铁路系统一般规定距既有线线路中心30 m范围内为临近营业线范围，其施工属于营业线施工安全管理范畴。客运专线路基对变形要求严格，在既有客专路基两侧进行新线路基施工时可能存在如下问题：(1)新线地基处理时，如受限高、场地空间等影响，常规的施工机械和方法无法进场施工，需要研发新的地基加固技术；饱和黏土地基中大面积沉桩，由于饱和黏土不排水抗剪强度低，渗透性差，沉桩过程中桩周土体受强烈扰动发生竖向隆起和水平挤压产生，土颗粒之间孔隙自由水形成超孔隙水压，土体不排水抗剪强度随之降低，危及既有线路基的稳定。(2)常规路基填料由于重度大，当直接帮填在既有线路基上时，会大幅增加地基内部的附加应力，导致既有线路基产生新的工后沉降和水平位移，且由于场地空间限制，填料填筑时压实质量难以保证。(3)新线路基填筑前，既有线正线两侧路基坡脚外排水沟将被侵占，填筑前需设计新的排水系统兼满足既有线和新线的排水需求。(4)挖方车站既有两侧边坡已处于服役状态，两侧帮宽新线时势必要开挖既有边坡，施工过程中需确保边坡不发生过大变形而危及既有线安全等。上述问题均是设计阶段需要考虑并采取有效对策予以解决。

3 临近既有客运专线路基设计研究

商合杭高铁设计时速350 km/h，多处与在建或已运营的客运专线铁路并行，如合蚌客专、合宁铁路、合福铁路、皖赣客专、宁杭客专等，上述并行段所处地貌单元类型丰富，地基岩土体特性差异大，有长江、淮河高阶地地区的深厚黏土层，有巢湖、太湖冲湖积平原地区深厚淤泥质土等，具有广泛的代表性。

3.1 碎石注浆桩技术

碎石注浆桩是一种非挤土桩[2]，施工设备较矮，一般施工场地上部净高6 m以上皆可实施。施工时先采用小型钻机成孔，孔内预埋洗孔和注浆管，之后填充粒径16～32.5 mm、级配不良的碎石粗骨料,用清水洗孔后再注入M40水泥砂浆，水灰比控制在0.5～0.6，注浆压力2～5 MPa，砂子应采用细砂，并适当使用减水剂等外加剂以及粉煤灰等掺和料。

商合杭正线引入水家湖站后，施工边界距离合蚌高铁路基无砟轨道中心10～30 m，为降低机具高度，减小对既有线的干扰，保证运营安全，地基采用碎石注浆桩进行加固处理。设计桩径0.5 m，桩间距1.8 m，桩长8 m。碎石注浆桩顶设1.0 m×1.0 m×0.3 m正方形桩帽[3]。桩帽顶面铺设双向钢筋网片，钢筋采用HPB300级，直径10 mm，间距10 cm，末端设180°弯钩，钢筋保护层厚度50 mm。施工时桩头0.3 m范围挖除，现场浇筑C35混凝土，桩顶铺0.6 m厚垫层(碎石+中粗砂)，垫层中铺设2层双向土工格栅，两端回折不少于3.0 m，典型设计断面如图1所示。

图1 碎石注浆桩加固地基典型横断面

3.2 泡沫轻质土技术

常规的地基处理思路是利用换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法对地基土进行加固，用以改良地基土的工程特性[4]；泡沫轻质土路基设计思路则相反，它是通过降低路基填土的容重来匹配地基的承载能力。泡沫轻质土是一种由“用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与必须组分水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料”[5]。

合宁铁路肥东站位于岗地地貌，除河流及水塘附近局部分布有淤泥质粉质黏土外，其余大部都为黏土，软塑～硬塑状。商合铁路从肥东站引出，采用正线外包方案，帮宽及并行小于30 m的范围主要为路基工程。为降低新线对既有合宁铁路的影响，对于填土高大于6 m的路基地段，基床底层以下采用现浇泡沫轻质土填筑,泡沫轻质土湿重度6～7 kN/m3，28 d无侧限抗压强度需满足以下条件：离轻质土顶部距离0～1.0 m范围内不小于1.2 MPa;离轻质土顶部距离大于1.0 m范围强度不小于1.0 MPa。轻质土填筑体固化后的常规检验指标为表干密度及抗压强度。每个构造单元应在浇筑点出料口制取试件至少2组，每组3个，分别做28 d龄期表干密度及抗压强度检验。

如图2所示，泡沫轻质土填筑体最底部设置0.15 m厚的碎石垫层，垫层上设0.2 m厚中粗砂内夹一层HDPE防渗土工膜，其上设置1层φ3.2@50镀锌铁丝网；填筑体最顶部铺设0.2 m厚中粗砂内夹一层HDPE防渗土工膜，其下设置3层φ3.2@50镀锌铁丝网，间距0.5 m；轻质土中部铺设一层φ8@100钢筋网。HDPE防渗土工膜力学指标需满足拉伸强度大于17 MPa、直角撕裂强度大于80 N/mm、断裂伸长率大于450 %；纵横向搭接宽度不得小于5 cm,搭接方式应采用热焊方式。

图2 泡沫轻质土路基设计典型横断面

3.3 钻孔桩+U形槽结构

钻孔桩+U形槽结构土是由钢筋混凝土钻孔桩、钢筋凝土悬臂墙及承载板组成。其工作机理是，通过两侧悬臂墙收坡并承担填土水平土压力，通过承载板将上部荷载传到桩体继而扩散到桩间土、下卧硬层或桩底硬层，达到零沉降的目的，广泛适用于空间受限地段路基处理。

DK360+233.62～DK360+326.24、YDK360+226.33～YDK360+314.06工点分居合蚌高铁两侧接入合肥北城，为无砟轨道单线路基。合肥北城站位于岗地地貌区，表层多硬塑状粉质黏土，厚度一般大于20 m。商合杭铁路接入后，施工边界距离合蚌高铁路基轨道中心约20 m，合蚌高铁为时速350 km无砟轨道高速铁路，路基设计需确保既有线安全，包括避免引起既有线附加沉降、水平位移或施工机械侵入等。常规的复合地基加固联合边坡放坡处理方案加固深度有限或者施工机械设备过高，且侵占了既有路基的边坡，无法彻底消除新线对既有线的附加影响，技术风险极大。

采用钻孔桩+U形槽结构处理方案可从根本上避免对既有客运专线的影响，且可有效控制施工机械设备高度。两侧悬臂墙高4.0 m，单元结构长14.88 m(1.44+3×4+1.44)，宽18.8 m(1.4+4×4+1.4)，板厚0.8 m，每单元沿纵向设4排、沿横向设5排钻孔桩，采用C40钢筋混凝土，桩径0.8 m，正方形布置，桩长27 m，典型横断面设计如图3所示。设计时，考虑轨道结构荷载、列车荷载、填土水平土压力及竖向自重、结构自重，采用温克尔模型模拟桩侧土体的约束作用，采用纵向、横向平面框架连续梁力学模型进行受力分析并按容许应力法进行结构配筋设计。

图3 钻孔桩+U形槽结构设计典型横断面

3.4 管桩桩板结构

预应力管桩用于高速铁路地基加固处理时可充分发挥桩身混凝土强度高、穿透能力强并可打入密实的砂层及强风化层等特点，对持力层起伏变化较大的地质条件适应性强。

DK453+949.52～DK455+870.47接入合福铁路巢湖东站，路基填高8～9 m。车站范围为巢湖湖积平原区，水塘遍布，多分布第四系冲湖积淤泥质粉质黏土，灰褐色，流塑状，厚0～18 m；下伏基岩为志留系泥岩、泥质砂岩，灰绿～紫红色，强～弱风化，基本承载力350～500 kPa。

为了消除商合杭铁路建设可能对合福巢湖东站产生的不利影响，地基拟采用PHC管桩处理，管桩外径500 mm，壁厚125 mm，强度等级C80，其各种参数应满足GB 13476-2009《先张法预应力混凝土管桩》的要求。设计管桩桩间距采用2.4 m、2.6 m两种，桩长16.5～26.0 m，桩端进入强风化泥岩2 m；桩顶满铺设置C40钢筋混凝土筏板，厚度0.55 m(图4)。

图4 管桩桩板结构路基设计典型横断面

现场施工前首先采用静压设备试桩。若静压施工能够达到设计承载力并进入强风化泥岩持力层，则管桩施工工法采用静压法。若静压法无法达到设计要求，只能采用锤击法。在商合杭场及合福场之间设置2排应力释放孔，孔内填充砂石，及时消散管桩施工过程中产生的超孔隙水压力。应力释放孔顶部增设一排隔震沟，挖深1 m、宽2 m。当采用锤击法施工时，穿过软土层时应轻击，避免桩体一次贯入过大并产生较大的超孔隙水压力。