日兰高速铁路联络线引入工程的路基优化研究

2023-11-29谷存雷

高速铁路技术 2023年5期

谷存雷袁报李宁杨泉

（1.鲁南高速铁路有限公司，济南 250101；2.中铁二院北方勘察设计有限责任公司，济南 250000；3.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

日兰高速铁路东起山东省日照西站，西至河南省兰考南站，设计速度350 km／h，全长494 km。其中,日照西至曲阜东站段长235 km，设8 个车站，已于2019年开通运营；曲阜至庄寨段长198.6 km，设7 个车站，于2021年开通运营。日兰高速铁路曲阜东站工程于2017年12月开工建设，总工期不到两年，面临着工期压力大，运营安全风险高等挑战。

在接轨方案的选择上，王宏礼［1-2］等通过综合经济技术比选，推荐采用临沂、菏泽方向均于南侧引入曲阜东站的方案。针对京沪高速铁路曲阜东站接轨和高速铁路场工程，袁报［3-4］等采用了扰动小、附加荷载小的研究思路，以降低对既有线的变形影响及干扰。通过并站变并轨，临沂革命老区实现了乘坐高速铁路直达北京的夙愿。

本文拟针对日兰高速铁路曲阜东站项目路基工程进行研究总结。

1 工程概况

曲阜东站路基工程包含两大组成部分：（1）既有京沪高速铁路路基拓宽以满足接轨要求，即高速铁路场接轨段路基工程；（2）既有京沪曲阜东站东侧新建鲁南车场，即鲁南场并场段路基工程。

京沪高速铁路曲阜东站的路基以填方为主，一般填高6.5 m。该段属冲洪积平原地貌，地势平坦开阔。此段地表覆盖第四系Q4粉质粘土（a0.1～0.2=0.32），部分地表覆盖8～10 m 厚的松软土（a0.1～0.2=0.34），下层是第四系Q3粉质粘土（a0.1～0.2=0.21），其中含有部分中砂和粗砂夹层，钻孔未揭示基岩，地下水位8～25 m。

既有京沪高速铁路无砟轨道板1：1 影响范围路基基底采用桩筏结构进行加固，筏板厚0.5 m，其余地基采用矩形布置的CFG 桩进行加固。筏板底范围内桩间距1.5 m×1.5 m，桩长30 m，其余范围桩间距1.5 m（纵向）×1.6 m（横向），桩长25～15 m 横向渐变。日兰高速铁路引入京沪高速铁路曲阜东站平面示意如图1所示。

图1 日兰高速铁路引入京沪高速铁路曲阜东站平面示意图

2 引入工程技术难点分析

2.1 技术难点

日兰高速铁路引入京沪高速铁路的主要技术难点为：（1）临近既有运营高速铁路侧施工；（2）无砟轨道严苛的沉降控制；（3）帮填无法避免的附加应力；（4）京沪桩底深厚的可压缩层。

2.2 方案论证

近年来，苏谦等［5-9］对轻质混凝土的研究逐渐深入。由于轻质混凝土具有免碾压，重度小等优点，在工程中得到广泛的推广和应用。本文依托工程填料选择轻质混凝土，拟比选CFG 桩、旋喷桩、管桩、微型钢管桩、钻孔隔离桩等地基加固处理方案，如图2所示。结合研究，为减少对既有京沪高速铁路的扰动，初期推荐采用微型钢管桩+轻质混凝土的方案。

图2 方案比选示意图

2.2.1 地质参数回归分析

数值模型物理力学参数如表1所示。

UFBG-AOTF的反射光谱由主反射峰和以主反射峰对称的左右一阶次反射峰组成.主次反射峰之间波长间隔的增加与声波频率fa呈正比关系，比例系数约为0.14 nm/MHz[11].因此，调节加载到UFBG-AOTF上的声波频率，可以得到不同倍频因子的毫米波信号.如图5所示，声波频率fa分别为0.572 MHz、1.717 MHz、2.862 MHz、4.007 MHz、5.152 MHz和6.294 MHz时，经PD拍频后可得到倍频因子分别为2、6、10、14、18、22的毫米波信号.

表1 模型计算物理力学参数表

数值分析结果表明，弹性模量取值压缩模量10 倍式回归拟合较好。现场施工沉降和计算沉降如图3所示。

图3 实测沉降与计算沉降模拟示意图

2.2.2 影响范围确定

当线间距L=43 m 时，采用10 m 地基处理深度+普通填料填筑，京沪高速铁路的沉降值为0.8 mm，将45 m 作为影响控制距离，并使用轻质混凝土加固填筑范围。

2.2.3 轻质混凝土性能改良

通过西南交通大学轻质混凝土室内动力学试验，得到了普通与高强轻质混凝土湿密度与临界动应力的关系，如图4所示。综合考虑其动力性能，路基基床表层采用0.6 m 厚级配碎石，底层采用0.6 m 高强加筋轻质混凝土，其下采用一般轻质混凝土。新老路基间和基底加强防水设计，以避免外界水渗入轻质混凝土结构。

图4 密度临界动应力示意图

2.2.4 方案比选

确定“轻质混凝土”的填料方案以及“施打附加应力阻断桩”措施后，推荐采取钻孔灌注桩地下连续墙方案。建议鲁南场的地基处理措施及参数（直径、桩长及间距）参照既有京沪高速铁路地基处理措施执行。

经计算，隔离桩应力阻断后，既有京沪高速铁路的沉降量下降了约40%，但需进一步考虑施工扰动的问题。当隔离桩的桩长达到30 m 后，既有京沪高速铁路的附加沉降很小，且微型桩桩长变化对既有京沪高速铁路的附加沉降影响并不明显。最终，接轨段选取轻质混凝土+30 m 隔离桩+15 m 微型桩方案。

表2 不同桩长隔离桩附加沉降表（mm）

经研究决定在曲阜东站高速铁路场接轨段地基加固中采用钻孔灌注桩措施，并采用预应力管桩+筏板+轻质混凝土的设计方案和邻近既有线施工全自动沉降、位移监测方案。同时，探讨了全套管抓斗取土工艺的优缺点。该工艺能够有效控制附加应力、避免挤土效应、降低塌孔风险，尤其适用于砂层地基。然而，该工艺也存在一些缺点，如常规设备需要在天窗点进行施工，这可能会对既有CFG 桩压管造成影响，存在较大的风险。此外，施工速度较慢，无法在一个天窗点完成一根桩的全套施工工艺，使得风险不可控。

综上所述，应综合考虑这些因素，根据不同区域的地质条件和工程需求，对地基处理方式进行优化，并设置试桩区补充不同桩型的工艺试验，以探究不同桩型在不同地质条件下的适用性和效果。

2.3 试桩情况及分析

曲阜东站试桩试验区完成了Ⅵ区（管桩，引孔20 m及无引孔）、Ⅳ区（管桩，引孔15 m）、Ⅱ区（微型注浆钢管桩）共3 个区的试桩。试验过程中加强了对沉降位移的监测。管桩能够较好地穿过引孔深度范围内的砂层，但在未引孔的范围内，由于存在摩阻力损失，导致管桩无法穿过较厚的砂层。

试桩结果表明：

（1）前2 排桩桩长约为15 m，该2 排桩产生的横向作用未完全显现。

（2）从第6 排后管桩施工未引孔，其产生的挤土效应偏大。

（3）当管桩施工至第8 排以后，后排桩挤土效果逐渐减小。

（4）若不考虑前2 排桩产生的水平位移，从第3 排开始考虑管桩的影响，前3 排桩引起的京沪模拟正线位置的地表水平位移为4 mm。后排桩施工结束后，模拟京沪正线位置的地表水平位移为10 mm。

（5）根据深层水平位移的分析，地面以下15 m 范围内的水平位移变化不大。在模拟京沪正线位置处，深部水平位移为5.7 ～ 10 mm。

2.4 最终方案确定

经研究确定钻孔灌注桩作为曲阜东站高速铁路场接轨段地基加固措施的设计方案，加固平面示意如图5所示。

图5 最终加固平面示意图

上、下行联络线采用埋入式桩板结构+轻质混凝土方案，Ⅰ-9 安全线的地基加固措施为CFG 桩，如图6所示。该方案共计538 根钢筋混凝土钻孔灌注桩，总桩长14 925 m。其中，30 m 桩长295 根，25 m 桩长243 根。靠近既有线第1 排桩共计136 根。

图6 CFG 桩及桩板结构加固断面示意图

采用全套管全回转（液压）抓斗取土成桩工艺，其特点：360°回转钻进，全套管（超前）钻进，管内抓土，套管内保证土体深度不小于1 m。单桩施工时间10 ～12 h，机械设备高度低，稳定性高，已应用于既有线的施工中，施工振动小，履带吊机行进效率高。同时，控制设备高度，以满足非天窗点施工的要求。CFG 桩采用长螺旋施工工艺。

高永强［10］对石济客运专线并行京沪高速铁路工程项目开展了并行100 km 长度内自动监测系统。本项目借鉴并制定了专项自动监测方案，包括监测范围、系统设计、测点布设设计、设置预警值及报警值等，系统梳理高速铁路自动化沉降监测的实施流程和控制因素，以确保运营安全。自动监测断面示意如图7所示。