楊 泉 高柏松 李井元 肖飛知 徐 駿

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

新建線臨近既有無(wú)砟高速鐵路路基施工方案研究

楊 泉 高柏松 李井元 肖飛知 徐 駿

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

目前工程中基本未見(jiàn)臨近既有無(wú)砟軌道高速鐵路路基填筑案例。曲阜～臨沂城際鐵路需要在京滬高鐵的曲阜東站接軌，接軌段城際鐵路需與京滬無(wú)砟高鐵正線并行，線間距最小僅6.5m，城際鐵路的路基荷載及填筑施工對(duì)京滬正線會(huì)造成沉降變形影響，需要重點(diǎn)研究變形控制的工程措施。文章通過(guò)數(shù)值分析，從沉降、經(jīng)濟(jì)性和施工干擾等角度綜合對(duì)比了微型鋼管樁加固、CFG樁加固、高壓旋噴樁加固、基底換填輕質(zhì)混凝土四種地基處理方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了最佳處理方案。經(jīng)分析，結(jié)合靜壓法施工對(duì)天然地基進(jìn)行微型樁加固，采用質(zhì)輕高強(qiáng)、不需壓實(shí)的輕質(zhì)混凝土填筑施工等措施,大幅降低了路基填筑及施工干擾風(fēng)險(xiǎn)。該方案可為類似工程提供技術(shù)參考，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

無(wú)砟高速鐵路； 臨近施工； 輕質(zhì)混凝土； 微型鋼管樁； 方案研究

1 引言

隨著我國(guó)交通和城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，將面臨越來(lái)越多在臨近既有高速鐵路進(jìn)行構(gòu)筑物施工的各種工程難題[1]。目前，國(guó)內(nèi)基本未見(jiàn)臨近既有運(yùn)營(yíng)無(wú)砟軌道高速鐵路填筑路基的工程案例。已有的工程案例主要為深厚軟基地段臨近既有運(yùn)營(yíng)有砟鐵路增建二線，代表性案例是蕭甬鐵路，主要通過(guò)加強(qiáng)地基處理措施來(lái)減少對(duì)運(yùn)營(yíng)線沉降的影響。臨近無(wú)砟軌道高速鐵路施工上跨橋的橋墩工程案例較多，主要采用設(shè)隔離樁，調(diào)整打樁施工工藝的措施減少對(duì)運(yùn)營(yíng)線沉降影響[2]。

列車長(zhǎng)期安全、舒適、平順運(yùn)行的要求, 是路基工程設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題[3]。高速鐵路對(duì)變形要求極高，臨近高速鐵路施工時(shí)不可避免會(huì)對(duì)既有高速鐵路路基地段產(chǎn)生擾動(dòng)，從而產(chǎn)生各類變形，引起軌道不平順，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 工程概況

曲阜至臨沂城際鐵路位于山東省南部濟(jì)寧市、臨沂市境內(nèi)。線路西端起自山東省曲阜市，自曲阜市引出后，沿日蘭高速公路向東經(jīng)泗水縣、平邑縣、費(fèi)縣，終至臨沂市。曲阜至臨沂城際線為有砟軌道，擬于上海端安全線股道10接軌，如圖1所示。上聯(lián)與京滬高速鐵路股道Ⅱ線間距最近為6.5 m，填高約為4.5 m，城際處幫寬6.25 m，下聯(lián)臨近京滬高速鐵路股道Ⅰ。上下聯(lián)在K 536+856.5～K 536+996區(qū)間由并行逐漸遠(yuǎn)離京滬高速鐵路Ⅰ、Ⅱ股道。

圖1 接軌處臨近京滬高速鐵路正線平面布置圖

既有曲阜東站地基加固處理具體措施為：正線無(wú)砟軌道板基礎(chǔ)下按1∶1放坡至地面范圍內(nèi)樁頂設(shè)置0.15 m碎石墊層，其上鋪設(shè)0.5 m厚C30鋼筋混凝土板，其他部分樁頂設(shè)0.6 m碎石墊層，中間鋪設(shè)2層抗拉強(qiáng)度不小于100 kN/m的土工格柵；路堤基底采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，鋼筋混凝土板下間距為1.5 m，正方形布置，樁長(zhǎng)30.0 m，鋼筋混凝土板以外范圍沿線路方向樁間距為1.5 m，橫向間距為1.6 m，填筑基床表層以前堆載預(yù)壓，如圖2所示。

圖2 接軌處既有京滬高速鐵路正線典型斷面圖(m)

京滬高速鐵路路堤基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式采用樁筏結(jié)構(gòu)，無(wú)砟軌道板下按照1∶1放坡至地面范圍內(nèi)設(shè)置鋼筋混凝土板，板厚0.5 m，鋼筋混凝土板外側(cè)既有路堤部分均為樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，墊層厚度為0.6 m，鋼筋混凝土板厚度與京滬高速鐵路相同。將地基土層劃分為6層，土質(zhì)及土層厚度如表1所示。

表1 天然地基土層參數(shù)

京滬高速鐵路地基已用CFG樁加固，正方形布置，樁間距為1.5 m，樁徑為0.5 m，鋼筋混凝土板外側(cè)采用矩形方案布樁，沿線路方向樁間距為1.5 m，橫向間距為1.6 m，樁徑為0.5 m。

3 施工對(duì)策分析

線路臨近既有京滬高速鐵路施工，施工過(guò)程中存在相互干擾?？紤]到京滬高速鐵路極為嚴(yán)格的變形控制要求，新建線天然地基顯然要采取加固措施，路堤填料是否換用特殊材料需待計(jì)算而定，擬定普通填料做路堤填料。根據(jù)規(guī)范并參考路基手冊(cè)[4]共同確定路堤填料物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。初步選擇幾種供比選的常規(guī)地基處理方案如表3所示。

表2 路堤填料參數(shù)

4 方案比選分析

碎石墊層按K30=130 MPa/m，變形模量E=28.6 MPa，容重γ=22 kN/m3。鋼筋混凝土板按C25混凝土計(jì)算，彈性模量E=2.8×104MPa，泊松比μ=0.20，容重γ=25 kN/m3。 荷載采用規(guī)范規(guī)定的軌道及列車荷載[5]取54.1 kN/m2，沿軌道中心線分布寬3.4 m。京滬高速鐵路K 536+856～K 536+966區(qū)間，曲臨城際上、下聯(lián)分別臨近Ⅰ、Ⅱ股道路基由并行狀態(tài)逐漸偏離成獨(dú)立路基。選取K 536+894、K 536+932、K 536+9663處代表性斷面，采用FLAC分別進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示，結(jié)果匯總?cè)鐖D6所示。

表3 地基加固方案比選

圖3 K 536+894處斷面有限元沉降云圖

圖4 K 536+932處斷面有限元沉降云圖

圖5 K 536+966處斷面有限元沉降云圖

圖6 不同斷面京滬正線路堤表面沉降曲線

由圖3～圖6可知，3種典型斷面沉降曲線中，K 536+894處斷面沉降值最大，京滬正線Ⅰ股道中心線3個(gè)斷面沉降值1.15 mm、0.85 mm、0.71 mm，Ⅱ股道中心線處依次為2.02 mm、1.65 mm、1.35 mm。說(shuō)明此斷面為整個(gè)并行段的最不利斷面。

以K 536+894處斷面為計(jì)算斷面，填料采用普通土，地基加固處理分別采用微型鋼管樁、CFG樁、高壓旋噴樁、換填輕質(zhì)混凝土4種方案分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

表4 各工況下路基面產(chǎn)生的附加沉降值

從表4可知，施工全過(guò)程4種方案沿地面線產(chǎn)生的最大附加沉降大小排序?yàn)椋?<1<3<2，京滬高速鐵路Ⅰ股道中心線處沉降值依次為1.1 mm、1.15 mm、1.37 mm、1.43 mm，Ⅱ股道中心線依次為1.82 mm、2.02 mm、2.19 mm、2.34 mm，通過(guò)最大沉降的比較，4種地基處理方案加固效果差距不太明顯。

數(shù)值計(jì)算不考慮地基處理的施工擾動(dòng)過(guò)程，僅考慮處理方案在路堤填筑、運(yùn)營(yíng)荷載影響下的變形控制效果。以上計(jì)算表明，4種方案的變形控制效果相當(dāng)。對(duì)擬定方案進(jìn)行全面評(píng)價(jià)還需從經(jīng)濟(jì)性和施工干擾對(duì)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，如表5所示。

表5 加固方案地基加固方案綜合評(píng)價(jià)比選表

結(jié)合前述地基處理變形影響的數(shù)值計(jì)算，從施工干擾、經(jīng)濟(jì)性對(duì)4種方案可行性進(jìn)行了綜合比選，由比選結(jié)果可知，微型樁加固方案雖造價(jià)較高，但相比其工程總投資額是可接受的，考慮到施工過(guò)程中，處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的既有京滬高速鐵路路基變形是施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵，微型樁采用靜壓法施工對(duì)既有京滬高速鐵路路基施工干擾最小，施工風(fēng)險(xiǎn)最低，變形控制效果與其他方案相當(dāng)，推薦此方案為最終的地基處理方案。

前述內(nèi)容已經(jīng)論證了采用微型樁方案的合理性，計(jì)算顯示采用普通填料條件下，4種方案的加固效果都較為明顯，Ⅱ股道中心線處沉降值為1.35 mm。臨近既有無(wú)砟高速鐵路施工目前沒(méi)有沉降控制，鐵路局要求施工時(shí)對(duì)既有高速鐵路線基本達(dá)到零影響[7]，按照此標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)與各方商議，將沉降控制在1 mm以內(nèi)認(rèn)為較為合理，上訴措施仍未達(dá)到變形控制的要求。

由于輕質(zhì)混凝土質(zhì)輕高強(qiáng)的特點(diǎn)[8]，可將路堤填料換為輕質(zhì)混凝土填料，比較與普通填料的應(yīng)用效果，微型樁采用的布置形式不變，樁徑仍為0.15 m、樁長(zhǎng)為25 m、樁間距為0.5 m，沉降曲線如圖7所示。

圖7 兩種填料路基面產(chǎn)生的附加沉降分布

從圖7可知，路堤填料為輕質(zhì)混凝土?xí)r，路基面產(chǎn)生的附加沉降明顯小于普通填料，沉降減小比例在60%～70%；既有線路基附加沉降呈現(xiàn)中間小兩端大的形式，并在Ⅱ股道坡腳處達(dá)到最大，最大沉降值是：輕質(zhì)混凝土為0.88 mm、普通土填料為2.07 mm。在京滬高速鐵路Ⅱ股道中心線處，輕質(zhì)混凝土沉降值為0.72 mm、普通土填料為2.02 mm。

由于普通填料重度大，新建線臨近既有京滬高速鐵路路基施工時(shí)，變形控制難以滿足要求，加之普通填料填筑時(shí)需分層壓實(shí)，對(duì)既有線干擾較大[6]，而輕質(zhì)混凝土重度小(為普通填料的1/3)，填筑不存在碾壓過(guò)程，較好解決了諸多技術(shù)難題，采用輕質(zhì)混凝土作為路堤填料很有必要的。確定地基處理方案為微型樁后，需通過(guò)計(jì)算確定其合理布置形式。計(jì)算分析時(shí)可先固定微型樁直徑為0.15 m，再確定其樁長(zhǎng)及樁間距。

施工工況保持不變，固定樁徑為0.15 m、樁間距為0.5 m，設(shè)置幾組變化樁長(zhǎng)，通過(guò)比較加固效果確定樁長(zhǎng)。擬定樁長(zhǎng)為15 m、20 m、25 m、30 m 4組分別計(jì)算，沉降曲線如圖8所示，曲線位置為路基表面。

圖8 不同樁長(zhǎng)沿路基面附加沉降分布

從圖8沉降變化趨勢(shì)可知，隨著鋼管樁樁長(zhǎng)的增加，路堤填筑使京滬高速鐵路路基面產(chǎn)生的附加沉降減小，樁長(zhǎng)從15 m增加到25 m時(shí)，附加沉降變化梯度逐漸減小，當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)25 m后，路基面沉降減小坡度明顯放緩，即當(dāng)樁長(zhǎng)增至25 m后，樁長(zhǎng)繼續(xù)增加對(duì)減小路基面附加沉降效果不甚明顯，可認(rèn)為25 m是合理的樁長(zhǎng)。

保持施工工況不變，固定樁徑為0.15 m、樁長(zhǎng)為25 m，設(shè)置幾組變化樁間距，通過(guò)比較加固效果確定樁間距。擬定樁長(zhǎng)為0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m 4組分別計(jì)算，沉降曲線如圖9所示，測(cè)點(diǎn)位置為路基表面。

圖9 不同樁間距產(chǎn)生的路基面附加沉降分布

由圖9中沉降變化趨勢(shì)可知，樁間距與路基面附加沉降呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)樁間距大于0.5 m后，靠近新建路基附加沉降增加較大，超出變形控制要求，樁間距為0.5 m時(shí)，變形在可控范圍內(nèi)，樁間距小于0.5 m后附加沉降減小趨勢(shì)并不明顯，即樁間距減小不能明顯改善路基加固效果，可認(rèn)為0.5 m是合理的樁間距。

通過(guò)以上計(jì)算分析，在確定地基加固形式采用微型樁方案情況下，微型樁較為合理的布置形式為：樁徑為0.15 m、樁長(zhǎng)為25 m、樁間距為0.5 m。

5 結(jié)論

通過(guò)沉降數(shù)值計(jì)算、經(jīng)濟(jì)性和施工干擾綜合分析，得出以下結(jié)論：

(1)曲阜～臨沂線在曲阜東站臨近京滬無(wú)砟高速鐵路路基施工是基本可行的；

(2)經(jīng)初步論證，對(duì)天然地基采用微型樁加固，路堤填料換為輕質(zhì)混凝土，通過(guò)雙重工程措施保證臨近無(wú)砟高速鐵路施工影響達(dá)到最小，滿足工程需求。此方案實(shí)施既保證施工和運(yùn)營(yíng)安全，又為以后類似工程提供技術(shù)參考，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Research on Subgrade Construction Scheme of Newly Built Railway Close to Ballastless Track High-speed Railway

YANG Quan GAO Baisong LI Jingyuan XIAO Feizhi XU Jun

(China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd.,Chengdu 610031,China)

There is no existing case of roadbed filling beside the existing ballast-less track high speed railway, Qufu-Linyi interurban railway will connect the Jing-hu high speed railway at Qufu east railway station, the connection part railway will be parallel to the mail line of Jing-hu high speed railway, the minimum distance between the connection part railway and Jing-hu high speed railway just is 6.5 m. The loading and the fill construction of the interurban railway will lead to settlement deformation of Jing-hu high speed railway, the control engineering measures should be studied. The simulation works have been done in this paper, and the deformation, economy and construction disturbance were analyzed to select the best construction measure, as to reduce the influence to Jing-hu high speed railway. The simulation results show that using the mini steel tube pile to reinforce the natural subsoil and replacing the embankment fill material with lightweight concrete will greatly reduce the rick of embankment filling and construction disturbance，which can provide technical reference for similar projects，has certain enginearing application value.

ballastless track high speed railway; close to the construction ;lightweight concrete; mini steel tube pile; schematic study

2015-09-09

楊泉(1989-)，男，助理工程師。

1674—8247(2016)02—0015—05

U213.1

A