黄土地区高速铁路路基帮填施工关键技术

张亮

（中国铁路兰州局集团有限公司 兰州工程建设指挥部，甘肃 兰州 730031）

0 引言

随着我国交通事业蓬勃发展，铁路网密度不断增加，亟需对部分既有路基进行帮宽，以满足铁路运量、便捷要求［1］。在高速铁路路基帮宽施工中，既有线处于营运状态，需对既有线进行开挖、帮填，施工要求高、控制难度大［2-3］。在高速铁路路基帮填施工相关研究中，刘源浩等［4］通过数值模拟方法，构建既有线在动静载荷作用下的路基帮宽施工模型，对多工况下的路基帮填施工进行对比，分析了帮宽施工时新旧路基变形规律；杨学林［5］以高边坡帮宽工程为依托，通过自动化静力水准仪器，对并行段落既有高速铁路路基进行长达2年的监测，反映了高边坡帮填施工时既有线的变形程度；廖进星［6］依托张吉怀铁路引入沪昆场实际工程，对帮宽工程中存在的风险进行分析，并结合现场建立了风险评估指标体系；杨莹［7］以肥东站铁路路基帮宽工程为依托，结合数值分析和现场试验，对比了泡沫轻质土和常规填料在路基帮宽时既有线和新建线的应力及变形情况；李斯等［8］通过分析铁路帮宽工程中差异沉降，提出从泡沫轻质土路基结构设计、湿密度设计2个方面控制沉降变形，并提出泡沫混凝土浇筑的具体办法；傅珍等［9］使用有限元建立了拓宽路基差异沉降模型，对拓宽路基差异沉降特性进行了分析，并研究了土基压缩模量、路基高度、拓宽方式等对路基差异沉降产生的影响；周川滨等［10］结合具体铁路帮宽工程，进行数值计算并结合帮填时既有路基沉降监测数据，得出帮填作用下既有路基沉降发展规律；李竹庆［11］研发了大温差、自适应高精度变形监测系统，在既有高速铁路路基变形监测中进行运用，取得了良好效果。在既有文献中，针对黄土地区帮宽工程，尤其帮填施工技术研究较少。因此，依托黄土地区高速铁路路基帮宽工程，针对路基帮填过程中面临的问题与技术难点，研究提出相应施工工艺，并对工艺的合理性进行验证。

1 工程概况

黄土地区某新建铁路设计速度250 km/h，铁路等级为客运专线，正线数目为双线。该新建铁路在既有城际铁路K47+986—K49+181 以路基帮宽方式引入。工点范围内主要地质特征如下：

（1）砂质黄土（Q4al+pl3）。浅黄色、稍湿稍密、土质均匀，可见针孔状大孔隙和虫孔，层厚2.5～4.5 m。

（2）砂质黄土（Q4al+pl3）。浅黄色、潮湿稍密，层厚7.3～12.4 m。

（3）砾砂（Q4al+pl5）。浅黄色、稍密饱和，以石英和长石为主，层厚0～7.2 m。

（4）泥岩夹砂岩（N1Ms+Ss）。棕红色、弱风化、泥质结构，为黏土矿物，成岩作用较差、岩质较软，为Ⅳ级软石。

既有路基地基部分：采用双向水泥土搅拌桩加固处理，桩径50 cm、桩长13 m、桩间距1.3 m，桩顶设置厚0.5 m、中间位置夹铺1层80 kN/m双向土工格栅的碎石垫层，处理后复合地基承载力特征值fsk=152 kPa。路基部分基床以下路提、基床底层、基床表层，分别采用渗水土、水泥改良土（1.9 m）、级配碎石（0.6 m）进行分层填筑。

新建路基地基部分：采用高压旋喷加固处理，桩径50 cm，桩长11～16 m、桩间距1.4 m，正方形布置，桩顶设置厚0.6 m、中间位置夹铺1 层100 kN/m 双向土工格栅的碎石垫层，处理后复合地基承载力特征值fsk=155 kPa。路基部分基床以下路提、基床底层、基床表层，分别采用B 组渗水土、B 组渗水土（0.8 m）、0.6 m级配碎石+0.1 m 中粗砂+复合土工膜+0.1 m 中粗砂（0.8 m）进行分层填筑。

2 路基帮填施工问题与难点分析

2.1 存在问题

（1）路基变形影响既有线安全运营。在路基帮填过程中，帮宽路基填料和机械施工均在既有路基处产生附加应力；压路机压实填料需振动压实，产生动载荷。既有路基在附加应力作用下产生一定变形，造成轨道几何形位变化。

（2）临时防护结构易侵入既有线造成安全隐患。既有铁路防护栅栏一般由水泥柱和铁丝网共同构成，结构相对稳定。施工前，应先在既有路基路肩设置硬隔离设施进行防护，硬隔离设施为临时性结构，防护性相对较差，施工过程中易损坏并侵入既有线，形成一定安全隐患。

2.2 技术难点

（1）台阶开挖处尺寸控制差，易形成较大临空面。既有路基开挖台阶时，一般先采用破碎机拆除既有路基的边坡防护骨架，再用平地机配合挖掘机一起开挖台阶，机械体积大、施工精准度控制差，易产生高度超过设计要求的大面积条形临空面，既有路基边坡部分高度成直立状态，有部分及整体结构失稳风险。

（2）新旧路基台阶搭接处位于既有路基应力松弛区域，衔接性差。在运营过程中，既有路基中下部受力区在列车载荷作用下呈较密实状态，而两侧区域受自然应力、防护层绿化植物根系等影响，其密实状态逐渐松弛。新旧路基衔接处恰好处于应力松弛区域，衔接部位施工完成后，新路基强度高、既有路基强度低，造成整体性、衔接性较差。应力松弛区及台阶开挖示意见图1。

图1 应力松弛区及台阶开挖示意图

（3）受新路基工后沉降影响，新旧路基产生差异沉降［12-14］。既有路基一般已营运较长时间，工后沉降趋于稳定，新建路基在施工完成及开始运营后，相较于既有路基沉降变形大，形成新旧路基之间差异沉降，新旧路基变形不协调，影响轨道几何行为，尤其在新建铁路轨道接入既有铁路轨道部位，不利影响更显著。

3 现场施工控制技术

3.1 组织准备

在帮宽施工前，首先考虑营业线施工主要危险源，如挖断电缆、施工机械侵入限界、大型机械设备倾覆、起重设备事故、坠落物、风、机械碰撞既有线墩台、接触网支柱倒杆、接触网断线等。针对危险源分项建立应对措施及应急预案。施工过程中，设立专人、专班与既有线运营单位保持联系，保持通信不间断，理清既有线列车到达帮宽工点时间，在列车到达前停止大型机械施工。现场施工中，防护员必须配备铁路交通火炬信号设备，在紧急情况下进行发射，保证既有线运营安全。

3.2 路基帮填工艺

3.2.1 高压旋喷桩施工

高压旋喷桩施工时，不可避免地产生挤土效应，对既有路基复合地基产生影响，造成既有路基轨道结构几何行位变化［15-16］。项目实施前，在现场开展单桩、多桩挤土试验，分析高压旋喷桩施工挤土效应影响；然后，在既有路基坡脚设置应力释放孔，降低对既有路基影响。

3.2.2 褥垫层施工

高压旋喷桩施工完成后形成复合地基，可有效提高地基承载力。在桩顶铺设厚0.6 m碎石垫层作为褥垫层，进行载荷分配传递、协调桩顶及桩间土的受力和变形、提高复合地基整体承载能力。现场施工时，褥垫层分2 次摊铺：第1 次摊铺后，采用机械碾压，控制褥垫层厚度为0.3 m，再在其表面铺设土工格栅；第2 次摊铺后，再次采用机械碾压，最终控制褥垫层厚度为0.6 m。

3.2.3 基床以下路提及基床底层施工

现场基床以下路提和基床底层均采用B组渗水土填料，由下而上分层填筑。正式填筑前，用破碎机拆除既有路基骨架护坡，拆除前应测量放线，严禁超线拆除，拆除高度控制在约0.8 m。拆除完成后，将碎料运至弃土场，通过小型挖掘机沿线路方向开挖台阶，台阶开挖尺寸控制为高0.6 m、宽0.9 m。开挖完成后，采用平地机精平台阶，并人工配合清除台阶处植被根系。最后，用压路机静压台阶部位2次，在紧贴台阶内壁处大型压路机未压处，用小型手扶式压路机进行补压。

一级台阶开挖及碾压完成后，沿台阶方向（线路方向）铺设宽3 m的土工格栅，土工格栅搭接位置用自制U 形钢筋固定。固定后，进行摊铺填料，填料含水率控制在约4.5%为宜，每级台阶摊铺2 层填料，每层碾压完厚度控制在约0.3 m，2层填料控制厚度为0.6 m。

二级台阶开挖工序及控制参数同上，即拆除骨架→运转碎料→台阶开挖→台阶精平及碾压→铺设土工格栅→分层填筑并碾压，再进行三、四级等台阶依次开挖及相应工序施工，直至填筑至基床底层表面高度位置处。施工后现场台阶位置见图2。

图2 施工后现场台阶位置

3.2.4 基床表层施工

在基床表层施工时，机械离既有轨道位置更近，更应注意防护。台阶开挖前，拆除既有路肩处干砌片石护肩，在既有线道砟坡脚位置沿线路方向摆放1排防砟袋，以防止施工扰动导致溜砟，台阶开挖及基本处理方式同基床底层和基床以下路提。

基床表层先填筑1 层中粗砂，碾压厚度控制在0.1 m；铺设1 层复合土工膜，土工膜接头处注意上下顺序应符合路基横向排水要求；搭接处用黏结防水胶处理，搭接宽度大于0.1 m；在复合土工膜上铺设碾压控制厚度为0.1 m 的中粗砂；最后，在中粗砂上铺设厚0.6 m的3%水泥稳定级配碎石，分2层摊铺碾压，每层碾压控制厚度为0.3 m。

在填筑过程中，应严格控制填筑质量，并按规范要求对各层填料开展现场试验检测。检测项目主要包括压实度、含水率、动态变形模量Evd、地基系数K30平板载荷试验检测。

3.3 路基变形监测及结果分析

路基帮填时，褥垫层、基床以下路提、基床底层和基床表层的施工均对营业线位移产生影响。营运线位移变化监测是保证帮宽工程顺利安全施工的有效措施。正式施工前，沿K47+986—K49+181 在既有线基道砟坡脚布设全自动位移监测系统——物位计（见图3），布设间距50 m。将物位计固定于沉降板，挖深0.3 m槽，安装并连接信号传输线路，现场设定的物位计主要控制参数为相邻监测点的位移变化累计差值，通报值3 mm、预警值5 mm、报警值8 mm。

图3 物位计布设

现场既有路基上下行侧均需帮填施工，上下行侧均按50 m 间隔布设物位计监测点，选取上行侧断面1和其相邻断面2 的监测数据进行分析。2 个断面路基高度为5.20 m，路基帮填历时120 d。现场路基填筑高度及物位计监测累计沉降值见图4。

图4 现场路基填筑高度及物位计监测累计沉降值

由图4 可知，在路基帮填过程中，断面1、2 处物位计测点累计沉降值呈不断增大趋势；由于现场各种原因，当路基帮填中途停止施工时，沉降值基本不变，呈蠕变状态缓慢增加；断面1、2 处帮填施工完成后，断面1 最大累计沉降值为16.23 mm，断面2 最大累计沉降值为17.35 mm；断面1、2 最大累计沉降差值为1.13 mm，未达到设定通报值3.00 mm。监测数据表明，在工点内运用该施工工艺并严格控制工艺流程，确保了施工中既有路基稳定，保证了既有线安全运营。

4 结论

通过对高速铁路帮宽工程中面临的主要问题及难点进行梳理分析，结合具体实际工程，研究总结施工工艺，并对营业线进行监测分析，主要得出以下结论：

（1）主要问题：一是帮填施工过程中既有路基会产生附加应力，从而产生相应变形，影响既有轨道结构平顺性；二是帮宽施工过程中营业线防护性差，易侵入营业线。

（2）技术难点：一是台阶开挖尺寸难控制，易形成临空面；二是新旧路基衔接处为应力松弛区域，衔接性差；三是新旧路基产生差异沉降。

（3）提出工点内铁路帮宽施工工艺，建立铁路帮宽工程防护机制、优化台阶开挖及处理方式、靠近既有线施工举措等，并在现场施工中成功运用。

（4）通过在既有线布设的物位计监测系统，量化路基帮填时对既有线的影响程度，保证了既有线安全运营。路基填筑时，既有路基会产生沉降变形，所选取研究断面当帮填完成后累计最大变形值为17.35 mm；当帮填停止施工时，变形为蠕变增加形式。