田月峰

魯南高速鐵路有限公司，濟(jì)南 250102

2020 年中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司發(fā)布的《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》明確提出，到2035年將率先建成20 萬(wàn)km 左右的鐵路網(wǎng)現(xiàn)代化鐵路網(wǎng)，其中高速鐵路里程可達(dá)7 萬(wàn)km 左右。這將不可避免地遇到越來(lái)越多的既有運(yùn)營(yíng)高速鐵路近接工程，其形式一般為路基幫寬或鄰近堆載填筑［1-3］。其中樁基加固地基、堆載填筑等過(guò)程均改變了原有地基的應(yīng)力分布而導(dǎo)致既有高速鐵路路基產(chǎn)生附加變形，施工機(jī)械的安全控制也威脅著高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同施工過(guò)程對(duì)巖土體狀態(tài)擾動(dòng)及保持進(jìn)行了研究。地基處理方面，Massarch［4］通過(guò)開(kāi)展沉樁施工現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)，分析了壓樁過(guò)程中周圍巖土體變形空間分布規(guī)律。朱慶盛［5］仿真分析了靜壓樁壓入紅黏土過(guò)程中土顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。李珺［6］分析了群樁擠土效應(yīng)下鄰近基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形規(guī)律。秦世偉、郭棟等［7-8］分析了壓樁順序、設(shè)置引孔、控制壓樁速度、設(shè)置應(yīng)力釋放孔等措施在控制擠土效應(yīng)上的有效性。鄰近填筑堆載方面，楊生等［9］計(jì)算分析了大面積堆載條件下鐵路路基位移變形規(guī)律，對(duì)比了不同工況的隔離樁控制既有路基變形的效果。黃瑞堂等［10］采用室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了不同鄰近堆載作用下高速鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的附加應(yīng)力與變形的分布規(guī)律。王崇淦等［11］計(jì)算分析了鄰近堆載不同高度、不同距離、是否兩側(cè)堆載等工況下高速鐵路橋墩位移規(guī)律，根據(jù)無(wú)砟軌道橋梁基礎(chǔ)變形限制，提出了單側(cè)堆載下臨界距離參考值。在多因素影響下，理論分析、數(shù)值計(jì)算等手段并不能完全保障既有高速鐵路路基變形不超限。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)既有高速鐵路路基變形，動(dòng)態(tài)評(píng)估新建線路施工對(duì)既有線安全運(yùn)營(yíng)的影響，對(duì)動(dòng)態(tài)指導(dǎo)施工、保障既有高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)具有重要作用。

本文依托新建魯南高速鐵路近接既有京滬高速鐵路工程，分析了此類近接工程路基變形成因及控制難點(diǎn)，提出變形控制關(guān)鍵技術(shù)體系，形成近接工程中既有高速鐵路路基變形控制對(duì)策，為類似工程提供借鑒及參考。

1 工程概況及控制難點(diǎn)

京滬高速鐵路路基填高約3～5 m，地基主加固區(qū)采用樁板結(jié)構(gòu)，CFG 樁樁長(zhǎng)30 m；次加固區(qū)采用樁網(wǎng)復(fù)合地基結(jié)構(gòu)，CFG 樁樁長(zhǎng)15～25 m（漸變）。新建魯南高速鐵路在既有京滬高速鐵路曲阜東站分別利用到發(fā)線車檔、維修工區(qū)聯(lián)絡(luò)線上插入道岔進(jìn)行接軌，稱為接軌段，如圖1所示。

圖1 曲阜東站接軌段工程總體平面示意

幫寬接軌段施工過(guò)程中，臨近路基填土荷載在既有鐵路路基基底以下產(chǎn)生不可忽視的附加應(yīng)力，使得既有線產(chǎn)生附加沉降，不可避免地對(duì)京滬高速鐵路運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)造成影響。因此，應(yīng)對(duì)不同的地基處理方案進(jìn)行比較，并選用重度小的填料進(jìn)行幫寬填筑。

地基處理、路基填筑等施工過(guò)程中，取土樁施工過(guò)程中引起的附加沉降、擠土樁施工引起的擠土效應(yīng)、不均勻填筑引起的不均勻變形等問(wèn)題同樣不能忽視，應(yīng)制定京滬高速鐵路路基變形監(jiān)測(cè)方案，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)既有路基變形。

臨近既有線施工作業(yè)，打樁機(jī)、吊機(jī)等高聳施工機(jī)械的傾倒可能侵入限界，進(jìn)而影響既有線的安全運(yùn)行，應(yīng)實(shí)時(shí)評(píng)估施工對(duì)既有路基的影響。

新建線臨近既有高速鐵路施工時(shí)，附加應(yīng)力作用不可避免會(huì)對(duì)既有高速鐵路路基產(chǎn)生擾動(dòng)，發(fā)生沉降變形和水平位移，影響軌道平順性。施工機(jī)械在線路附近作用也對(duì)線路構(gòu)成威脅，影響正常運(yùn)營(yíng)。有效控制新建線路建設(shè)對(duì)臨近既有鐵路路基變形影響是近接工程的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

2 少擾動(dòng)樁基施工控制

地基處理過(guò)程中，樁基施工擠土、機(jī)械振動(dòng)等都可能引起京滬高速鐵路路基的偏移，威脅線路運(yùn)營(yíng)安全。為評(píng)價(jià)新建線地基加固成樁過(guò)程對(duì)臨近既有京滬高速鐵路路基的擾動(dòng)影響，研究不同樁型、不同成樁工藝對(duì)臨近區(qū)域土體的擾動(dòng)影響，開(kāi)展預(yù)應(yīng)力管樁、微型注漿鋼管樁和鉆孔灌注樁現(xiàn)場(chǎng)成樁試驗(yàn)，對(duì)新建線路基地基加固的方案設(shè)計(jì)與施工組織具有重要的指導(dǎo)意義。

經(jīng)試驗(yàn)可知，管樁不適用于臨近京滬高速鐵路的地基加固施工，建議優(yōu)先采用全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)成樁，在場(chǎng)地狹小的情況下可采用微型樁成樁。

全回轉(zhuǎn)設(shè)備是能夠驅(qū)動(dòng)鋼套管進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)，并將鋼套管壓入和拔除的施工機(jī)械。該設(shè)備在作業(yè)時(shí)產(chǎn)生下壓力和扭矩，驅(qū)動(dòng)鋼套管轉(zhuǎn)動(dòng)，利用管口的高強(qiáng)刀頭對(duì)土體、巖層、鋼筋混凝土等障礙物進(jìn)行切削，利用套管的護(hù)壁作用，然后用液壓沖抓斗將鋼套管內(nèi)物體抓出，達(dá)到挖孔目的。

樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中，采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、套管和鋼筋籠采用分節(jié)下放孔中的方式，可以減小履帶吊的吊運(yùn)高度和吊運(yùn)范圍?；剞D(zhuǎn)全套管成樁工藝如圖2 所示，該工藝一定程度上避免了機(jī)械設(shè)備傾倒而侵限，而且套管保護(hù)孔壁防止塌孔，也能減小對(duì)既有線的影響。

圖2 全回轉(zhuǎn)全套管成樁工藝示意

幫寬段地基處理開(kāi)始時(shí)間為2018 年11 月22 日，完成時(shí)間為2019年6月10日。京滬高速鐵路Ⅰ股、Ⅱ股道代表性監(jiān)測(cè)斷面K536+960 處出現(xiàn)局部沉降，Ⅰ股道累計(jì)沉降1.18 mm，Ⅱ股道1.23 mm。鉆孔樁施工期間自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示施工過(guò)程對(duì)京滬高速鐵路造成影響極小，見(jiàn)圖3?？芍两底冃涡∮? mm，處于經(jīng)常保養(yǎng)線以下，在受控狀態(tài)內(nèi)。

圖3 少擾動(dòng)樁基施工控制下京滬高速鐵路變形

3 泡沫混凝土減載填筑

近接工程對(duì)既有京滬高速鐵路進(jìn)行幫寬填筑時(shí)，不僅要控制幫填部分路基的工后沉降，同時(shí)要嚴(yán)格控制既有路基沉降。常規(guī)路基填筑荷載大，在既有路基內(nèi)產(chǎn)生新的附加應(yīng)力易造成既有路基沉降變形超限，同時(shí)常規(guī)路基填筑施工機(jī)械擾動(dòng)也是造成既有路基沉降的因素之一。常規(guī)的幫填方法難以保證既有線路的正常運(yùn)營(yíng)。

魯南高速鐵路接入工程根據(jù)減載需求，研發(fā)了新的路基填料，發(fā)展了新路基結(jié)構(gòu)。填料密度在650～850 kg∕m3，強(qiáng)度為 1.0 MPa（普通泡沫混凝土）和1.6 MPa（高強(qiáng)加筋泡沫混凝土）兩種。與一般的A、B組填料相比，重量減輕2.6～3.4 倍，有效降低了因幫填引起的附加沉降。

泡沫混凝土重度比一般土體小，根據(jù)不同材料組成及用量、不同氣泡率，按工程需要在大范圍內(nèi)調(diào)整密度和強(qiáng)度，可減輕施加于地基的附加應(yīng)力，進(jìn)而控制臨近既有高速鐵路幫寬或臨近堆載填筑引起的。施工采用管路泵送的方式現(xiàn)澆，可在狹小空間澆筑，自流平，自硬化，無(wú)需碾壓或振搗。硬化后可自立，可垂直填筑。所用材料對(duì)環(huán)境無(wú)污染，且可利用粉煤灰等工業(yè)廢渣，具有優(yōu)越的環(huán)保特性。

泡沫混凝土采用普通硅酸鹽水泥、發(fā)泡劑、水三種原材料經(jīng)一體機(jī)拌和成形。水泥摻量高的情況下，硬化過(guò)程中產(chǎn)生大量水化熱，施工中澆筑層表面易出現(xiàn)裂紋，需灌漿修補(bǔ)處理。為降低水化熱，采用礦粉拌制漿液后與水泥漿融合再與發(fā)泡液一同拌制泵送至澆筑點(diǎn)。此外，在每澆筑層表面向下10 cm 位置加設(shè)一道φ1.0 mm、10 cm×10 cm 的鋼絲網(wǎng)片后，澆筑層表面幾乎不出現(xiàn)裂紋。兩種措施相結(jié)合，有效減少了裂縫出現(xiàn)，保證了輕質(zhì)混凝土的整體性，大大降低其受力損壞的概率，保證了幫填實(shí)施效果。

輕質(zhì)混凝土采用軟管泵在無(wú)落差水平級(jí)的泵送距離一般不超過(guò)400 m。通過(guò)增設(shè)中轉(zhuǎn)站以及改造泵送設(shè)備和優(yōu)化輕質(zhì)混凝土制備流程，可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離泵送輕質(zhì)混凝土，泵送距離可達(dá)1 200 m，減少了輕質(zhì)混凝土設(shè)站次數(shù)和臨時(shí)工程數(shù)量，節(jié)約了施工成本。

4 既有高速鐵路路基變形實(shí)時(shí)監(jiān)控

由于地基處理過(guò)程中樁的擠土效應(yīng)會(huì)造成既有京滬高速鐵路路基的水平位移，同時(shí)地層中存在礫砂、中砂，樁基施工過(guò)程的振動(dòng)易引起地基沉陷、堆載產(chǎn)生附加應(yīng)力，均會(huì)造成路基沉降變形，所以需要同時(shí)開(kāi)展路基沉降監(jiān)測(cè)與水平位移監(jiān)測(cè)。

由于高速鐵路線路對(duì)于軌道平順的高要求，需對(duì)區(qū)域內(nèi)正線Ⅰ、Ⅱ股道變形開(kāi)展監(jiān)測(cè)。沉降監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性極大地依賴于基準(zhǔn)點(diǎn)選取的合理性。基準(zhǔn)點(diǎn)需選擇遠(yuǎn)離施工擾動(dòng)區(qū)域的穩(wěn)定建筑物處，比如深樁基、橋臺(tái)基礎(chǔ)、涵洞等，對(duì)于運(yùn)營(yíng)線路可結(jié)合工務(wù)部門日常巡檢數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)點(diǎn)的穩(wěn)定性，并定期進(jìn)行人工校核。監(jiān)測(cè)過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的人工復(fù)核。測(cè)點(diǎn)的間距需要兼顧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作性能與經(jīng)濟(jì)性，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致液路排泡困難，影響測(cè)點(diǎn)芯片的工作狀態(tài)，造成數(shù)據(jù)失真；過(guò)小會(huì)影響線路的運(yùn)營(yíng)，同時(shí)增大施工成本。綜合考慮，每隔20 m 布設(shè)1個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 近接工程自動(dòng)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布置

在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，按60 m 間距布設(shè)自動(dòng)全向傳感水平位移計(jì)。水平位移計(jì)布設(shè)于既有京滬高速鐵路邊坡坡腳外0.5 m 位置處至路肩的坡面上。根據(jù)荷載變形機(jī)理和維護(hù)要求，結(jié)合運(yùn)營(yíng)線路的要求，測(cè)斜孔位置應(yīng)盡量靠上，管口做好保護(hù)措施，以便于設(shè)備維護(hù)。水平位移計(jì)布設(shè)斷面應(yīng)與沉降觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)斷面合并設(shè)置。在不影響既有京滬高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全的條件下，水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)盡量靠近既有京滬高速鐵路。

選取K536+960 為典型斷面，既有京滬高速鐵路路基沉降變形時(shí)程曲線見(jiàn)圖5?？芍?，沉降主要產(chǎn)生在擋墻開(kāi)始至鋪軌完成之間，鋪軌結(jié)束后此處沉降速率隨時(shí)間逐漸減小，逐漸收斂。

圖5 K536+960斷面I股道沉降變形時(shí)程曲線

K536+960 斷面水平位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖6，監(jiān)測(cè)期為 2019 年 2 月 2 日至 2019 年 5 月 5 日?？芍?，該位置施工期間x方向最大值4.98 mm，發(fā)生層位為27 m，原因可能為樁基施工過(guò)程中提鉆過(guò)快，導(dǎo)致該層位朝樁基打孔方向變形。y方向最大值為1.89 mm，發(fā)生層位為2.6 m。上述監(jiān)測(cè)結(jié)果也說(shuō)明了新建線近接既有高速鐵路路基施工采用少擾動(dòng)樁基、泡沫混凝土減載，可有效控制施工過(guò)程中既有京滬高速鐵路路基變形。

圖6 K536+960斷面水平位移監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)論與建議

1）新建線臨近既有高速鐵路施工時(shí)，有效控制新建線路建設(shè)對(duì)臨近既有鐵路路基變形的影響是近接工程的難點(diǎn)。

2）臨近京滬高速鐵路的地基加固施工可采用全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)成樁，避免機(jī)械設(shè)備傾倒而侵限，考慮場(chǎng)地狹小的情況下也可采用微型樁成樁。

3）采用泡沫混凝土進(jìn)行幫寬填筑，創(chuàng)新了新建路基裂縫控制、超長(zhǎng)距離泵送施工工藝，有效降低了因幫填引起既有路基的附加沉降。

4）針對(duì)臨近營(yíng)業(yè)線地基處理、減載填筑可能出現(xiàn)的不均勻沉降變形等問(wèn)題，建議制定針對(duì)性監(jiān)測(cè)方案，以實(shí)時(shí)評(píng)估施工對(duì)既有線路基變形的影響，保障線路平順安全運(yùn)營(yíng)。