張 紅 秦文達 張海鳳 孫召伍 曹乾桂

(1 中鐵十局集團有限公司， 濟南 250001；2 魯南高速鐵路有限公司， 濟南 250102)

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，鐵路線路越來越密集，新建線與既有線發(fā)生交叉、并行或引入的情況逐漸增多[1-5]。鄰近既有線的新建線路基施工會給既有線帶來附加荷載，導(dǎo)致既有線路路基變形，嚴(yán)重時劣化軌道工作性能。目前，針對新建線與既有線平行且相離的情況，部分學(xué)者已結(jié)合具體工程展開研究，如黃建陵等人[6]針對滬寧城際鐵路分析了新建線地基開挖對既有京滬鐵路路基邊坡穩(wěn)定性的影響；劉維正等人[7]對新建滬寧城際鐵路進行原位監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明既有線路基受到新建線地基加固的擠土影響較小。相比新建線與既有線平行且相離的情況，新建線引入既有線的工程更加復(fù)雜。新建線引入既有線需拓寬既有線路基以實現(xiàn)接軌，既有線路基要承受附加荷載，易引發(fā)附加沉降。張萬濤等人[8]針對石濟客運專線引入既有京滬高速鐵路德州東站并站工程，探討了地基加固和路基填筑對既有線路基變形的影響；李井元等人[9]采用數(shù)值模擬方法對魯南高速鐵路引入京滬高速鐵路曲阜東站接軌段路基的臨界距離、路基填料、地基處理及施工安全等展開分析，獲得了重要研究成果。然而，目前有關(guān)新建線引入既有線的研究仍然較少，針對該問題的研究仍不深入，隨著類似工程的逐漸增多，鄰近既有線的新建線施工擾動問題將愈加凸顯。

鑒于此，本文依托魯南高速鐵路曲阜東站新建聯(lián)絡(luò)線接軌段路基工程，開展不同樁型群樁試樁試驗，研究群樁成樁對鄰近場地擠土變形影響，同時對比不同樁型成樁工藝的優(yōu)缺點，進而為聯(lián)絡(luò)線地基加固方案提供設(shè)計依據(jù)。再結(jié)合接軌段路基變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究聯(lián)絡(luò)線地基加固及路基填筑對既有路基的擾動變形影響。

圖1 曲阜東站平面布置圖

1 工程背景

魯南高速鐵路是中國首例在既有線正常行車情況下進行聯(lián)絡(luò)線路基施工的線路[10]。新建魯南高速鐵路以在曲阜東站并站的方式引入既有京滬高速鐵路，分別通過高速鐵路上、下聯(lián)絡(luò)線與既有京滬高速鐵路兩側(cè)股道進行接軌，如圖1所示。為滿足路基接軌要求，既有京滬高速鐵路兩側(cè)需進行幫填拓寬。然而，幫填拓寬區(qū)域地基加固引發(fā)的擠土效應(yīng)以及路基填筑施工所增加的附加荷載都將對既有地基及路堤產(chǎn)生不利影響。因而選擇合理的地基加固方式以及路基填筑材料對控制聯(lián)絡(luò)線施工對既有路基影響至關(guān)重要。

2 聯(lián)絡(luò)線地基加固對鄰近路基變形影響

2.1 群樁施工試樁試驗

為進一步確定合理的地基加固樁型以及有效的防控擠土變形措施，在聯(lián)絡(luò)線施工以前，選取預(yù)應(yīng)力管樁(下稱“管樁”)、微型注漿鋼管樁(下稱“微型樁”)及全套管全回轉(zhuǎn)鉆孔灌注樁(下稱“灌注樁”)開展了大面積群樁成樁工藝及擠土變形試樁試驗[11]，試樁試驗區(qū)位置，如圖1所示。本文對3種樁型成樁擠土效應(yīng)以及成樁工藝進行對比，并以此說明接軌段路基地基加固采用灌注樁的設(shè)計依據(jù)。

在相同加固范圍條件下，管樁與微型樁、灌注樁在成樁完成后，距試驗區(qū)1 m測孔的深層土體橫向水平位移對比結(jié)果如圖2所示。值得說明的是，由于各樁型的樁徑及樁間距不同，本文采用相近加固范圍成樁所引起的擠土位移進行近似對比，即認為8排微型樁的加固寬度(寬度約為4.5 m)近似等于3排管樁的加固寬度(寬度約為5.0 m)，5排微型樁+2排管樁的加固寬度(寬度約為7.0 m)等于5排微型樁+1排灌注樁的加固寬度(寬度約為6.5 m)。相同加固范圍條件下各樁型引發(fā)的最大橫向水平位移值如表1所示。

表1 最大橫向水平位移對比表

從圖2和表1可以看出，3排管樁壓樁引起距試驗區(qū)1m測孔的最大橫向水平位移量約為8排微型樁引起的4倍，并且方向一致。5排微型樁+2排管樁引起距試驗區(qū)1 m測孔的最大橫向水平位移量約為5排微型樁+1排灌注樁引起的3倍。但微型樁+灌注樁成樁引起的土體位移方向與微型樁+管樁引起的不一致。微型樁+灌注樁成樁引起的土體位移方向向灌注樁鉆孔的孔內(nèi)方向發(fā)展，其主要原因在于灌注樁施工過程中，鉆孔施工完畢后遭遇小雨，導(dǎo)致混凝土灌注施工暫停，因而引發(fā)了一定程度的縮孔現(xiàn)象，使得土體水平位移向孔內(nèi)發(fā)展，但位移量很小。

圖2 距試驗區(qū)1 m測孔的橫向水平位移對比圖

整體上，管樁成樁引發(fā)的擠土變形要顯著大于微型樁和灌注樁成樁引發(fā)的土體擾動變形。

3種樁型的成樁工藝及其成樁設(shè)備如圖3所示。管樁采用山河智能ZYJ680液壓靜力壓樁機進行靜壓施工，靜壓前采用KLL20-600長螺旋鉆機進行預(yù)引孔施工，鉆機處于工作狀態(tài)時可高達26.5 m，對于鄰近京滬鐵路運營存在潛在施工風(fēng)險。微型樁采用XY-2型微型樁機進行施工，因樁數(shù)較多，需多組微型樁機同時施工，易造成施工場面混亂，不易管理，且微型樁質(zhì)量不易控制。灌注樁樁徑較大，所需數(shù)量相對較少，采用XRT2000全套管全回轉(zhuǎn)鉆機配合神鋼7080GS履帶吊等器械進行施工。XRT2000全套管全回轉(zhuǎn)鉆機最大高度4.02 m，神鋼7080GS履帶吊工作狀態(tài)最大高度小于10.0 m，相較管樁施工來說，對鄰近線安全可能引發(fā)的施工風(fēng)險要小很多。

圖3 各樁型成樁工藝及施工設(shè)備圖

從擠土變形量、施工機械作業(yè)空間及鄰近既有線作業(yè)安全等因素綜合考慮，灌注樁要優(yōu)于管樁和微型樁。

2.2 接軌段路基地基加固對既有路基變形影響

2.2.1接軌段路基樁位分布及測點布置

基于以上試樁成果，新建聯(lián)絡(luò)線地基最終采用鉆孔灌注樁進行地基加固。為盡可能地降低路基填筑引發(fā)的附加沉降以及工后累積沉降，在灌注樁樁頂以上鋪設(shè)鋼筋混凝土承臺板對上部路基填料進行支撐。鋼筋混凝土承臺板厚0.8 m，埋入原地面以下0.3 m，與樁頂剛性連接(樁主筋全部錨入承臺板)，承臺板底設(shè)0.05 m厚C25混凝土墊層。

魯南高速鐵路引入京滬高速鐵路接軌段聯(lián)絡(luò)線地基加固的樁位布置及監(jiān)測測點分布如圖4所示。聯(lián)絡(luò)線接軌段共分布有7個水平位移計測孔，對應(yīng)編號H1～H7，布置于既有路基坡腳位置，與鉆孔灌注樁樁心最近距離約為1.2 m。

2.2.2既有路基坡腳水平變形

典型測孔的橫向水平位移分布如圖5所示，其他測孔分布規(guī)律類似，并且位移量比列出測孔要小，在此不再贅述。圖中橫向水平位移為垂直既有線路方向的水平位移，其中正值代表朝向既有路基邊坡坡外，負值代表朝向坡內(nèi)。

圖4 樁位分布及測點布置圖

圖5 典型測點橫向位移分布

從圖5中可以看出，灌注樁施工完成時，H2測孔位移量最大，主要原因為：H2測孔比H3測孔離樁位更近，比H1測孔鄰近成樁數(shù)量更多。值得注意的是，各測點橫向水平位移都朝向坡外，且位移分布主要集中在地下埋深0～8.0 m之間，其原因可能是鉆孔灌注樁施工完成后發(fā)生了一定縮孔，在鄰近既有京滬路基荷載的側(cè)向壓力影響下，縮孔現(xiàn)象加重，導(dǎo)致坡腳位移向孔內(nèi)發(fā)生一定位移，但位移量不大。因此，鉆孔灌注樁施工鄰近既有線時，鉆孔施工完成后應(yīng)及時進行灌注，以控制縮孔位移的繼續(xù)發(fā)展。

整體上，各測孔橫向水平位移均不大，最大位移量在H2測孔埋深1 m位置處，為2.38 mm，表明聯(lián)絡(luò)線采用灌注樁進行地基加固對既有路基擾動影響微弱。

3 聯(lián)絡(luò)線路基填筑對鄰近路基變形影響

高速鐵路無砟軌道路基對變形控制極為嚴(yán)格，聯(lián)絡(luò)線路基填筑所施加的附加荷載可能引發(fā)既有路基產(chǎn)生較大附加沉降。為盡可能減小聯(lián)絡(luò)線路基填料施加在既有路基上的附加荷載，根據(jù)室內(nèi)試驗成果并借鑒類似工程經(jīng)驗，最終選擇輕質(zhì)混凝土作為既有京滬鐵路拓寬聯(lián)絡(luò)線路基的主體填料。采用的輕質(zhì)混凝土濕密度為650～850 kg/m3，幫填路基表層為0.6 m厚級配碎石摻5%水泥，表層下方為0.6 m厚高強度加筋輕質(zhì)混凝土層，其下澆筑普通輕質(zhì)混凝土。結(jié)合既有路基沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文對輕質(zhì)混凝土在聯(lián)絡(luò)線路基填筑中的適用性展開分析與評價。

3.1 沉降變形監(jiān)測測點布置

接軌段既有路基是沉降變形觀測的重點部位。采用測點物位計，結(jié)合水平基準(zhǔn)點物位計建立沉降變形監(jiān)測點，通過傳輸總線傳輸至數(shù)據(jù)平臺中心，建立沉降變形實時監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)。在接軌段內(nèi)I股道和II股道沿線路方向每隔約20 m布設(shè)1個監(jiān)測點(如圖6(a)所示)，監(jiān)測點固定在無砟軌道底座板外側(cè)側(cè)面(如圖6(b)所示)，沿平行于線路方向布設(shè)監(jiān)測線。

圖6 接軌段既有路基沉降變形測點布置示意圖

3.2 既有路基沉降變形分布

接軌段既有路基沿線沉降變形分布如圖7所示。

圖7 接軌段既有路基沉降變形分布圖

由圖7可知，聯(lián)絡(luò)線路基填筑完成后，接軌段路基在里程K 536+700～K 537+020內(nèi)均發(fā)生了明顯的沉降變形，其中在里程K 536+700～K 536+879之間，Ⅱ股道沉降變形整體大于Ⅰ股道，主要原因在于：該里程段內(nèi)高速鐵路上行聯(lián)絡(luò)線填筑輕質(zhì)混凝土體積量明顯大于下行聯(lián)絡(luò)線，而從K 536+879斷面往大里程方向，高速鐵路上行聯(lián)絡(luò)線逐漸遠離Ⅱ股道，同時下行聯(lián)絡(luò)線填筑量逐漸增加。

I股道最大沉降變形量發(fā)生在斷面K 536+960上，為3.2 mm；Ⅱ股道最大沉降變形量發(fā)生在斷面K 536+800斷面上，為4.7 mm。李井元等人采用數(shù)值模擬方法，開展了不同填料引起的京滬高速鐵路路基面附加沉降影響研究，計算得到Ⅰ股道路肩沉降量為0.52 mm、Ⅱ股道路基沉降量為0.77 mm。相比本文的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，計算值要小得多，其原因一方面在于本文測點位置位于京滬路基軌道底座板兩側(cè)，與數(shù)值計算測點位置有所差異；另一方面在于實際工程中，各種器械施工都會對既有京滬路基產(chǎn)生一定的擾動影響，而數(shù)值計算中并未體現(xiàn)此種影響。

TG/GW 115-2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試驗)》[12]中規(guī)定：經(jīng)常保養(yǎng)時，軌道靜態(tài)高低容許偏差管理值為4.0 mm，該值為10 m弦測量所得值。Ⅰ股道和Ⅱ股道相鄰沉降變形測點都在20 m左右，相鄰測點高低偏差最大約為3.9 mm。由此可見，Ⅰ股道和Ⅱ股道保養(yǎng)時，軌道靜態(tài)高低容許偏差都要小于4.0 mm，滿足規(guī)范要求。因此將輕質(zhì)混凝土用于聯(lián)絡(luò)線路基填筑，路基幫填對既有京滬線正常運營的擾動影響很小。

典型測點沉降變形的時程曲線如圖8所示。

圖8 Ⅰ股道K 536+960測點圖

由圖8可知，在輕質(zhì)混凝土施工期間，沉降變形呈線性增長，輕質(zhì)混凝土施工完畢后的路基其他施工繼續(xù)引發(fā)了測點的沉降變形，并約占總沉降量的1/3。表明輕質(zhì)混凝土填筑完成后，其他施工階段仍能引發(fā)路基發(fā)生較大沉降變形，應(yīng)對后期施工階段(如軌道安裝等)，繼續(xù)加強自動化監(jiān)控，并建立預(yù)警機制。

4 結(jié)論

本文針對聯(lián)絡(luò)線施工對鄰近線路基的擾動變形問題，開展了不同樁型群樁施工試驗，并結(jié)合魯南高速鐵路引入京滬高速鐵路聯(lián)絡(luò)線路基施工的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了聯(lián)絡(luò)線地基加固及路基填筑對既有線路基的擾動變形影響，得到以下結(jié)論：

(1)從擠土擾動變形影響、施工機械作業(yè)空間及鄰近既有線作業(yè)安全等因素綜合考慮，聯(lián)絡(luò)線地基加固全套管鉆孔灌注樁要優(yōu)于預(yù)應(yīng)力管樁和微型注漿鋼管樁。

(2)魯南高速鐵路曲阜東站聯(lián)絡(luò)線地基采用灌注樁+鋼筋混凝土承臺板結(jié)構(gòu)進行加固對既有路基擾動影響微弱，既有路基坡腳最大位移量為2.38 mm，表明灌注樁+鋼筋混凝土承臺板結(jié)構(gòu)的設(shè)計是合理的。受鄰近既有路基荷載的附加側(cè)向壓力作用，灌注樁成樁過程中，路基坡腳位移朝向坡外發(fā)展，鉆孔完成后應(yīng)及時進行混凝土灌注，以防止位移持續(xù)發(fā)展。

(3)將輕質(zhì)混凝土用作魯南曲阜東站聯(lián)絡(luò)線路基材料進行填筑施工，既有線接軌段沿線沉降變形不大，滿足《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試驗)》要求，表明路基幫填對既有京滬高速鐵路正常運營的擾動影響很小。但填筑完成后的其他施工階段有可能導(dǎo)致沉降變形較大增長，因此應(yīng)對后期施工階段繼續(xù)加強自動化監(jiān)控并建立聯(lián)動預(yù)警機制。