新建高速铁路受限地段路基设计实践——以商合杭高铁为例

吴成杰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

我国“四纵四横”骨干高速铁路网已基本建设完成，目前正在加紧建设“八纵八横”高铁网[1]。由于高速铁路运营速度高，变形控制严格，新线建设对既有高铁周边环境的影响大，对运营产生不利影响，特别是在既有车站受限地段。目前，在建或计划修建的高速铁路，如何做到与既有高速铁路网无缝衔接，存在较大的问题。这些问题在目前国内的高速铁路建设中时有遇到，解决起来较为困难。国际上，大规模成网需要并行营业线的情形很少遇到，缺少经验可循；我国高铁建设及运营时间尚短，目前还处于摸索阶段，缺少成熟、系统的技术方案。近年来，已出现由于周边环境的变化导致营业线出现附加沉降和偏移以及施工受限地段路基影响营业线安全的案例[2]，采用常规的加固处理方案无法妥善解决。

设计时速350 km的无砟轨道商丘至合肥至杭州高速铁路(以下简称“商合杭高铁”)需要接入既有的水家湖站、肥东站、合肥北城站、芜湖站，接入前后，较长距离存在不同条件限制施工的地段和邻近营业线路基，包括合蚌高铁、合宁铁路、合福高铁、皖赣铁路等。这些受限地段和邻近营业线段施工时，必然会对营业线安全产生不利影响。通过采用合理的设计、施工方案[3-4]，确保这些受限地段既有铁路运营安全和施工安全是急需解决的问题，实践证明采取针对性的综合加固处理措施效果良好。

受限地段的路基主要类型有：(1)引入既有水家湖站，有施工机具限高要求，咽喉区场地拆迁，需保护既有设备；(2)引入既有肥东站邻近营业线，路基填筑高度较高，荷载过大，会对既有路基产生附加变形和偏移[5]；(3)引入既有合肥北城站，受既有桥梁工程影响场地受限，桥路过渡路基长度较短且坡脚需收坡；(4)引入既有芜湖站高铁限速地段，场地地基承载力较低，施工机具需采取抗倾覆措施。

针对以上情况，必须控制不同类型受限地段路基施工对营业线的影响，并确保线路安全运营，在建过程根据实际情况，商合杭高铁路基设计主要采用碎石注浆桩地基处理、泡沫轻质土填筑、CFG桩、钻(挖)孔桩+承载板、钻(挖)孔桩+筏板(U形槽)结构等综合处理方式，减小对营业线的不利影响。

2 水家湖站路基设计

2.1 工程概况

水家湖站位于安徽省合肥市长丰县水家湖镇，新建商合杭场[6]与既有合蚌客运专线间距32.0 m(中-中)。合蚌高铁为运营时速300 km无砟轨道高速铁路，在施工期间已同步实施商合杭场站台450 m长度区段CFG桩地基处理和基床底层换填工程；其余地段均需要增建路基。

水家湖站地处河流高阶地，地势平坦，交通便利。地层如下：表层素填土，杂色，松散，厚1～2 m；①Q3al黏土，灰色，夹有黄褐色，硬塑，σ0=160 kPa，厚1～6 m；②Q3al黏土，褐黄色、黄褐色，硬塑，局部夹有少量铁锰结核，σ0=180 kPa，厚4～20 m；③Q3al细圆砾土，褐黄、红棕色，密实，饱和，σ0=300 kPa，厚0～3 m；⑤1K2x钙质砂岩，全风化，棕红色；⑤2K2x钙质砂岩，强风化，棕红色；⑤3K2x钙质砂岩，弱风化，棕红色。

2.2 设计方案

包含变更设计在内，水家湖站商合杭线地基处理共设计了碎石注浆桩、CFG桩、钻孔桩+承载板、挖孔桩+承载板四种地基处理方案[7-8]。

2.2.1 碎石注浆桩方案

碎石注浆桩是一种新型地基处理方法，其施工工艺流程为：钻机成孔→一次清孔→下注浆管→碎石投放→清洗钻孔→压力注浆。注浆采用孔底返浆，注浆压力2～5 MPa。碎石注浆桩采用取芯钻机施工时，机具轻便、高度仅6～8 m，特别适合于水家湖站施工机具高度受限地段，可完全避免施工机械倾覆危及营业线运营的施工安全风险。

水家湖站碎石注浆桩处理地段，设计桩间距1.8 m，桩长8～15 m，正方形布置，桩顶设置0.6 m厚碎石+中粗砂+土工格栅褥垫层，设计桩体28 d立方体抗压强度≮10 MPa。典型设计断面如图1所示，处理效果见图2。

图1 碎石注浆桩典型设计断面

图2 碎石注浆桩成桩效果(右侧为合蚌高铁)

理论计算结果表明，堆载预压荷载，不会引起邻近合蚌高铁路基的附加沉降，见图3。碎石注浆桩施工过程中，合蚌高铁保持正常运营，施工安全风险得到充分规避。

图3 沉降计算结果

2.2.2 CFG桩方案

CFG桩方案为变更设计方案。施工过程中，碎石注浆桩具有施工机械高度小、对既有线无倾覆的安全威胁，但存在工效较低，需要人工较多的缺点。经过研究，对CFG桩设备进行了改装，将CFG桩支架高度控制在15 m以内，部分加固深度10 m以内的碎石注浆桩变更为CFG桩。施工期间，在CFG桩架上设2根固定缆绳，防止桩机倾覆。该方案大幅提高了工效，并降低了投资。

2.2.3 钻孔桩+承载板结构方案

在水家湖站两端咽喉区，受制于拆迁影响，路基预压期不足，且新线路基离营业线路基更近，施工风险更大，因此设计采用钻孔桩+承载板结构方案[9]，稳定性好，严格控制了沉降，对营业线无影响。钻孔灌注桩径φ0.8 m，间距4.0 m×5.0 m，桩长14.0～19.0 m；承载板采用C40钢筋混凝土浇筑，厚0.65 m。桩板结构方案设计见图4、图5。

图4 咽喉区桩板结构平面布置

图5 咽喉区桩板结构横断面设计

2.2.4 挖孔桩+承载板设计方案

原合蚌高铁牵引变电所位于商合杭场右侧，输电线横跨商合杭高铁。受限于施工净高和保护输电塔的需要，采用两个单元的挖孔桩+承载板结构设计，实施后达到了好的效果。挖孔桩直径1.25 m，挖孔桩横向间距3.8 m，纵向跨度(2.79+8.0+8.0+2.79) m。承载板采用C40钢筋混凝土板，厚0.65 m，宽10.5 m。挖孔桩+承载板设计方案见图6、图7。

图6 挖孔桩+承载板结构平面布置

图7 挖孔桩+承载板结构横断面设计

3 肥东站路基设计

3.1 工程概况

肥东站位于安徽省合肥市肥东县，原为合宁铁路车站，2台6线，合宁铁路为运营时速200 km有砟轨道铁路。商合杭高铁引入肥东站时，在车站两侧各增加1股道，作为商合杭正线，并改建既有2股道作为到发线；商合杭高铁新建维修工区紧邻既有高路堤布置。商合杭铁路正线路基填高3.1～9.3 m，维修工区填高3.5～11.3 m。

车站所处场地属于岗地间坳谷地貌，地面平坦开阔。地层主要为：表层人工填土，多为合宁线路基填土；①Q4al淤泥质粉质黏土，灰褐色，流塑，σ0=80 kPa；②Q4al黏土，褐灰色，软塑，σ0=120 kPa；③Q3al黏土，褐黄色，硬塑，σ0=180 kPa。

3.2 设计方案

邻近既有路基填土势必造成既有路基产生附加沉降，影响正常运营；道岔区的不均匀变形甚至会危及运营安全。商合杭高铁施工图设计从两方面考虑减轻新建路堤填土对高铁营业线路基的影响：一是采用搅拌桩对软弱地基进行加固处理，保持地基稳定，控制软弱地基的变形；二是对于填土较高、荷载较大地段，基床以下路堤采用泡沫轻质土填筑，减小填土荷载，从而减小对营业线路基的影响。

肥东站正线路基代表性设计断面见图8。帮宽路堤基床以下路堤填筑泡沫轻质土，泡沫轻质土中部铺设1层φ8 mm@100 mm×100 mm钢筋网，顶部以下1 m范围铺设3层镀锌铁丝网，顶面铺设1层HDPE防渗土工膜。轻质土外侧采用0.5 m厚钢筋混凝土面板贴面，面板拉筋埋入轻质土内部，保证面板的稳定性。肥东站维修工区填土较宽且较高，为减小附加荷载对营业线的影响，既有线坡脚以外10 m范围路堤采用泡沫轻质土填筑，代表性设计横断面见图9。

图8 肥东站正线路基泡沫轻质土帮填设计(单位：m)

图9 肥东站维修工区路基泡沫轻质土帮填设计

泡沫轻质土主要设计指标如下。(1)容重：6～7 kN/m3；(2)强度：顶部以下距离0～1.0 m范围28 d抗压强度≮1.2 MPa；>1.0 m时28 d抗压强度≮1.0 MPa；(3)单层浇筑厚度0.5～1.0 m。[10]由于泡沫轻质土目前还缺乏应用于路基基床的实践经验，肥东站泡沫轻质土设计仅用于基床以下路堤填筑[11]。

3.3 施工效果

泡沫轻质土施工简便，拌和、发泡设备均在路基以外完成，采用现浇施工，施工速度快，对营业线路的影响小。沉降监测结果表明，新建路基和营业线路基最大沉降量不超过15 mm[12-13]。商合杭高铁肥东站自2016年施工以来，既有合宁铁路安全运营未受影响。

4 合肥北城站

4.1 工程概况

商合杭高铁在合肥北城以路基形式接入既有合蚌高铁合肥北城站，接轨处线间距28.5 m。接轨处路基平面示意见图10。

图10 合肥北城站路基平面示意(单位：m)

路基地层自上而下依次为表层素填土(Q4ml)，杂色，松散；①粉质黏土(Q3al)，褐黄色、黄褐色，硬塑，σ0=200 kPa；②2钙质砂岩(K1z)，褐红色，强风化，σ0=400 kPa；②3钙质砂岩(K1z)，褐红色，弱风化，σ0=650 kPa。

地下水为孔隙潜水，地下水埋深约1.7 m。

4.2 设计方案

由于并行合蚌高铁1-14 m框架涵的影响,,必须采用路基引入既有线路。该段新建路基长度仅92 m，且中间有1孔14 m框架涵，并行合蚌高铁为运营时速300 km无砟轨道高速铁路，因此，新建商合杭高铁路基工程设计必须充分考虑对合蚌高铁运营路基的影响，严格控制既有路基的变形。初步设计选用CFG桩地基处理方案和钻孔灌注桩+U形结构方案[14]，经计算营业线的附加变形均在可控范围之内。通过方案比选，最终实施采用了钻孔灌注桩+U形结构方案。钻孔桩为φ0.8 m钻孔灌注桩，正方形布置，间距4.0 m×4.0 m，桩长27.0 m，桩顶设置厚0.8 m的C40 U形钢筋混凝土承载板。采取该方案设置U形结构的目的一是收坡，避免新建路基压占既有路基边坡产生附加变形，二是与放坡相比可节省钻孔桩工程量，降低工程投资。

图11 钻孔桩+U形槽横断面设计

5 芜湖站

5.1 工程概况

芜湖站位于安徽省芜湖市，采用宁安场、宁芜场、商合杭场并场的设计。商合杭场已由宁安城际铁路作好预留。新建商合杭高铁接入商合杭场时，路基工程左侧为在建宁芜货线铁路，线间距19.5 m。

芜湖站地处长江一级阶地。地层自上而下依次为：Q4ml杂填土，灰黄～灰色，松散，厚度极不均匀，主要为混凝土碎块等建筑垃圾；①Q4al粉质黏土，褐灰色，软塑，σ0=120 kPa；②Q4al粉质黏土，灰黑色，流塑，σ0=80 kPa；③Q4al粉质黏土、黏土，浅黄～灰绿色，硬塑，σ0=180 kPa；④Q3al粉质黏土、黏土，褐黄色，硬塑，σ0=200 kPa。

地下水埋深0.5～2.0 m。

5.2 设计方案

该工点为高速铁路限速段，设计按时速250 km有砟轨道考虑。该工点设计难点是新建正线路基软土地基处理方案的选择。由于地表分布一层杂填土，主要为建筑垃圾，设计考虑正线路基采用CFG桩处理，桩间距1.6 m，桩顶设置0.6 m厚褥垫层，遇到不可钻进的建筑垃圾时，采取翻挖换填处理后再施工CFG桩。右侧存车线路基采用袋装砂井处理。设计方案见图12。

图12 芜湖站商合杭正线CFG桩处理设计横断面

该段路基施工时间较晚，且施工时相邻宁芜货线已开通运营，并正在进行电气化改造。由于CFG桩施工设备较高，地基承载力低，施工时设备晃动厉害，存在倾覆风险，对宁芜线运营存在较大安全风险。经现场试验，邻近宁芜线30 m范围内铺设了1层1 m厚工作垫层，CFG桩顶设置2根钢缆绳，固定于混凝土承重块上，这些措施保证了CFG桩设备施工时的安全，消除了对运营线路的安全隐患。

采用CFG桩处理地基，沉降控制效果好，对营业线路变形影响小。其缺点是设备高大，存在机具倾覆风险。运营铁路为高速铁路时，施工方案很难取得运营管理单位的同意[15]。当营业线路为普速铁路时，采用CFG桩处理地基，并做好设备防倾覆措施，是一种较好的地基处理方法。该段CFG桩施工已经顺利完成。

6 设计方案评价

新建商合杭高铁引入既有车站临近高铁运营线不同类型的受限地段，采用综合的加固处理设计及施工方案评价如下。

(1)碎石注浆桩桩体强度较高，施工机具高度较小，适用于邻近营业线地基处理施工，CFG桩造价相对较低，当桩长较短时，对设备进行改造，可避免施工机械倾覆危及营业线的安全风险。

(2)泡沫轻质土容重小，用于邻近营业线路堤填筑，营业线附加变形小，施工方便，对营业线路基干扰小。

(3)钻(挖)孔桩+承载板(U形结构)沉降控制好，施工时采取合适的护壁措施，营业线附加变形小；同时可选择的成桩机械形式较多，可较好控制机械高度，减小设备倾覆的风险，施工对营业线影响较小，是一种较安全可靠的地基处理方案。

(4)CFG桩强度较高，沉降控制效果好，成桩过程对地基扰动较小。其不足之处是施工机械高度较高，存在倾覆风险，危及营业线行车安全。当地基较软弱时，可通过采取降低设备高度、增加工作垫层、安全防护措施消除对营业线的安全隐患。

新建商合杭高铁引入既有车站不同类型的受限地段路基工程和邻近高铁营业线的沉降监测数据显示，设计及施工方案安全可靠，达到了预期效果。

7 结论与建议

商合杭高铁已于2019年底开通运营。设计人员根据现场实际情况，采用综合加固处理设计及施工方案，有针对性地解决了新建路基引入既有车站不同类型的受限地段对既有运营高速铁路的施工安全及运营安全影响的问题，在实践中证明这些措施效果好，为其他类似工程提供可借鉴的实例。建议结合工程实际与实践不断进行经验积累，以丰富工程处理方案，提高工程质量与安全。