濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)基礎(chǔ)預(yù)埋設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉長利

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)基礎(chǔ)預(yù)埋設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉長利

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

分析了濕陷性黃土路基地段接觸網(wǎng)土建接口要求及技術(shù)難點(diǎn)，針對(duì)濕陷性黃土地段路基處理措施及接觸網(wǎng)荷載特性，研發(fā)了帶承臺(tái)、小樁徑鉆孔灌注樁接觸網(wǎng)基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)的抗震及防滲漏水措施、基礎(chǔ)內(nèi)獨(dú)立接地極技術(shù)在鄭西客運(yùn)專線應(yīng)用效果良好，在我國西部濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路建設(shè)項(xiàng)目中得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

濕陷性黃土 高速鐵路 接觸網(wǎng)基礎(chǔ) 預(yù)埋

在濕陷性黃土地區(qū)修建高速鐵路，嚴(yán)格控制路基沉降是關(guān)鍵。通過鄭西客專工程試驗(yàn)段的路基關(guān)鍵技術(shù)研究［1-4］，形成了成套地基處理技術(shù):在濕陷性黃土地段，根據(jù)濕陷性厚度和土壤含水率采取5%水泥改良土換填、強(qiáng)夯法、水泥土擠密樁及柱錘沖擴(kuò)樁等措施;在上部為濕陷性黃土、下部為松軟土地段，濕陷性黃土厚度＜6 m時(shí)采用強(qiáng)夯+CFG樁組合措施，厚度＞6 m時(shí)采用長短樁復(fù)合地基措施，其中短樁采用水泥土擠密樁，長樁采用CFG樁;在上部為濕陷性黃土、下部為厚層黏性土地段，采用埋入式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)路基。

濕陷性黃土地區(qū)的路基沉降控制要求及其處理技術(shù)給接觸網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提出特殊要求。本文分析濕陷性黃土地區(qū)的接觸網(wǎng)土建接口要求及技術(shù)難點(diǎn)，提出相應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并介紹其應(yīng)用情況。

1 接觸網(wǎng)土建接口要求及技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)我國高速鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求，路基上各種預(yù)埋設(shè)備及基礎(chǔ)應(yīng)與路基填筑統(tǒng)籌規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分步實(shí)施，保證路基強(qiáng)度、穩(wěn)定性及防排水性能［5］。

1.1 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)置及樁徑控制

濕陷性黃土地段的各種路基加固樁布置最小間距僅1 m，使得接觸網(wǎng)基礎(chǔ)不能大斷面開挖，須與路基同步施工，且施工中應(yīng)避開各種路基加固樁，避免影響路基穩(wěn)定，因此接觸網(wǎng)需采用小孔徑的鉆孔灌注樁。另外，埋入式連續(xù)樁板路基結(jié)構(gòu)的外沿與電纜槽內(nèi)沿之間的縫隙僅850 mm，考慮施工誤差，接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的樁徑被限制為φ700 mm，如圖1所示。

圖1 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)與樁板結(jié)構(gòu)、電纜槽位置關(guān)系(單位:mm)

1.2 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)抗震及防滲漏水

地震災(zāi)害將引起支柱劇烈晃動(dòng)、基礎(chǔ)位移，造成基礎(chǔ)本體開裂或基礎(chǔ)四周邊緣與路肩混凝土防水層之間出現(xiàn)縫隙。如2008年5·12汶川地震曾引起西安鐵路局管內(nèi)的寶成、陽安、西康、隴海鐵路等多處接觸網(wǎng)基礎(chǔ)受損，如圖2所示。

圖2 汶川地震引起接觸網(wǎng)基礎(chǔ)本體開裂

對(duì)于地震動(dòng)峰值加速度0.2g以上的地區(qū)，為預(yù)防地震災(zāi)害后接觸網(wǎng)基礎(chǔ)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，需進(jìn)行接觸網(wǎng)基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)。另外，濕陷性黃土地段的防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中在路肩表面采取了混凝土封蓋的措施，由于接觸網(wǎng)基礎(chǔ)是唯一的深度穿過基床底層的路基附屬設(shè)施，要求地震后接觸網(wǎng)四周縫隙不能出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，避免對(duì)路基下面的濕陷性黃土造成影響。

1.3 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)接地

基床表層的級(jí)配碎石填筑及基床底層的地基處理措施如水泥改良土換填、水泥土擠密樁、CFG樁及埋入式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)等，導(dǎo)致路基與地層之間的電阻率升高，埋設(shè)在路基里面的貫通地線接地不良，需利用接觸網(wǎng)基礎(chǔ)作為綜合接地系統(tǒng)的豎向接地極。

2 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)構(gòu)造及接口設(shè)計(jì)

2.1 路基上接觸網(wǎng)基礎(chǔ)橫向布置

接觸網(wǎng)基礎(chǔ)與路基填筑同步施工，采用φ700 mm鉆孔灌注樁設(shè)置于兩側(cè)路肩的軌道與電纜槽之間，對(duì)于無砟軌道、有砟軌道，基礎(chǔ)中心至相鄰軌道中心距離分別為3.15，3.25 m。接觸網(wǎng)基礎(chǔ)在無砟軌道區(qū)段路基上橫向設(shè)置如圖3所示。

圖3 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)在無砟軌道路基上橫向設(shè)置(單位:m)

2.2 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)構(gòu)造

接觸網(wǎng)基礎(chǔ)采用JA，JB，JC 3種型式，與鐵道部通用圖《接觸網(wǎng)H型鋼柱》的底座法蘭盤規(guī)格相對(duì)應(yīng)。根據(jù)H型鋼柱的標(biāo)準(zhǔn)彎矩值，將接觸網(wǎng)基礎(chǔ)荷載等級(jí)分為5種，具體工況及荷載等級(jí)如圖4所示。

圖4 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)工況及荷載等級(jí)

采用鄭西客運(yùn)專線路基壓實(shí)系數(shù)、密度及內(nèi)摩擦角等進(jìn)行接觸網(wǎng)基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計(jì)。接觸網(wǎng)基礎(chǔ)采用了長方體承臺(tái)以解決小孔徑樁基礎(chǔ)抗傾覆安全系數(shù)不夠及正摩阻力不夠的問題。其中，JA，JB型基礎(chǔ)采用單孔灌注樁，樁徑700 mm，承臺(tái)為深1.2 m、截面分別為700 mm×700 mm，900 mm×700 mm的長方體。當(dāng)支柱彎矩＞200 kN·m時(shí)小孔徑單樁已無法滿足荷載要求，故JC型基礎(chǔ)采用帶承臺(tái)的雙樁基礎(chǔ)，兩根樁徑均為φ700 mm，承臺(tái)為截面尺寸2 450 mm×700 mm、深1.2 m的長方體。接觸網(wǎng)基礎(chǔ)構(gòu)造尺寸見表1。

表1 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)構(gòu)造尺寸

表1中，JC-5型基礎(chǔ)采用帶承臺(tái)的雙樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)構(gòu)造如圖5所示，在控制樁徑、樁長的同時(shí)保證了基礎(chǔ)穩(wěn)定性，抗傾覆安全系數(shù)＞1.5。

圖5 JC-5型接觸網(wǎng)基礎(chǔ)構(gòu)造(單位:mm)

這種接觸網(wǎng)帶承臺(tái)的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)主要在兩個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新:

1)長方體承臺(tái)設(shè)計(jì)是鉆孔樁與接觸網(wǎng)梯形基礎(chǔ)的巧妙結(jié)合。針對(duì)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)荷載特性及等級(jí)，深1.2 m的長方體承臺(tái)有效降低了基礎(chǔ)水平側(cè)壓力、樁底壓應(yīng)力(圖4中P1，P3)，解決了小孔徑樁正摩阻力不足及抗傾覆安全系數(shù)不夠的問題。

2)JC-5型基礎(chǔ)采用雙樁基礎(chǔ)以解決樁徑、樁長受限的問題。當(dāng)支柱彎矩＞200 kN·m時(shí)，接觸網(wǎng)常規(guī)做法是加大樁徑，如京津城際、石太客專等采用φ900 mm鉆孔樁。根據(jù)文獻(xiàn)［6］對(duì)濕陷性黃土中樁基的數(shù)值模擬結(jié)果，加大樁徑、樁長都會(huì)減少濕陷性黃土中樁基承載力的折減，加大樁長的效果更好，由于濕陷性黃土地段要求接觸網(wǎng)控制樁徑，且增加樁長不利于工程質(zhì)量控制，故設(shè)計(jì)了帶承臺(tái)的雙樁基礎(chǔ)。

3 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)抗震及防滲漏水設(shè)計(jì)

在接觸網(wǎng)基礎(chǔ)承臺(tái)和樁基內(nèi)均設(shè)計(jì)有鋼筋籠，而且地腳螺栓之間采用了φ10 mm箍筋焊接，承臺(tái)表面采用定位鋼板固定地腳螺栓，提高了接觸網(wǎng)基礎(chǔ)抗震能力。

接觸網(wǎng)基礎(chǔ)四周出現(xiàn)縫隙將存在滲漏水的隱患，除了承臺(tái)可對(duì)φ700 mm鉆孔樁起到遮蓋效果外，作為防止?jié)B漏水的措施，在濕陷性黃土地段的路肩表面混凝土封蓋之前，采用瀝青混凝土對(duì)承臺(tái)四周(接觸網(wǎng)基礎(chǔ)出土點(diǎn))進(jìn)行填充，防止雨水侵入，避免接觸網(wǎng)基礎(chǔ)處成為濕陷性黃土地段路基防排水的薄弱環(huán)節(jié)。

4 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)接地設(shè)計(jì)

為利用接觸網(wǎng)基礎(chǔ)作為綜合接地系統(tǒng)的豎向接地極，在鉆孔灌注樁內(nèi)設(shè)置了接地極。在鉆孔灌注樁旋挖至規(guī)定深度并清孔后，在鉆孔樁內(nèi)打入地下一根∠50×6接地角鋼，用φ16接地鋼筋連接并引至地面上，與鋼筋籠、基礎(chǔ)螺栓等焊接后在基礎(chǔ)凸臺(tái)小里程側(cè)引出“L”橋隧型接地端子，如圖6所示。

圖6 樁基內(nèi)接地極設(shè)計(jì)(單位:mm)

5 工程試驗(yàn)及應(yīng)用

濕陷性黃土地區(qū)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)在鄭西客運(yùn)專線工程試驗(yàn)段(DK349+765—DK359+550)試驗(yàn)通過后，技術(shù)攻關(guān)成果于2006年元月形成鄭西客運(yùn)專線通用圖《路基上接觸網(wǎng)H型鋼柱基礎(chǔ)通用參考圖》，經(jīng)德國DEC公司與鐵三院咨詢聯(lián)合體審批后供全線使用。

在基床表層級(jí)配碎石鋪設(shè)、壓實(shí)后，接觸網(wǎng)基礎(chǔ)在電纜槽之前施工或與其同步施工。首先利用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔樁的干鉆開挖，在隨后進(jìn)行的承臺(tái)開挖、清孔過程中均不能有雨水侵入，成孔后應(yīng)立即進(jìn)行基礎(chǔ)澆制。JB-4型基礎(chǔ)澆制完畢后如圖7(a)所示，JC-5型基礎(chǔ)澆制完畢如圖7(b)所示。基礎(chǔ)臺(tái)面還留有CPⅢ觀測樁的空間，便于路基沉降觀測。

圖7 JB-4，JC-5型基礎(chǔ)澆制后效果

接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的小里程側(cè)(鄭州側(cè))預(yù)埋“L”橋隧型接地端子，如圖8(a)所示，在鄭西客專靜態(tài)驗(yàn)收過程中進(jìn)行了接地電阻測試，結(jié)果表明單個(gè)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的接地電阻不超過10 Ω。為形成接地網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)，利用不銹鋼連接線將無砟軌道板、接觸網(wǎng)基礎(chǔ)和電纜槽內(nèi)接地端子(連接貫通地線)三者連接成一體，確保綜合接地系統(tǒng)發(fā)揮功能，如圖8(b)所示。

圖8 基礎(chǔ)預(yù)埋接地端子及接地連接線

在路基電纜槽施工完畢后，路基進(jìn)行了路肩表面瀝青混凝土封蓋，使接觸網(wǎng)基礎(chǔ)與路基工程融為一體，接觸網(wǎng)基礎(chǔ)與路肩表面防排水效果如圖9所示。

圖9 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)與路肩表面防排水效果

6 國內(nèi)外技術(shù)對(duì)比分析

我國先期或同期建設(shè)的高速鐵路如京津城際及合寧、合武、石太、武廣客專等均未涉及濕陷性黃土地質(zhì)問題，接觸網(wǎng)基礎(chǔ)形式也與鄭西客運(yùn)專線不同，基礎(chǔ)內(nèi)沒有承臺(tái)及專門的防滲漏水設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)內(nèi)利用鋼筋籠接地，無獨(dú)立接地極，接地效果受混凝土保護(hù)層的影響較大。

國外高速鐵路路基地段接觸網(wǎng)基礎(chǔ)形式較為多樣化，典型的有:①法國采用鉆孔樁，立桿采用插入H型鋼柱并灌漿，不便于支柱更換，基礎(chǔ)內(nèi)無接地設(shè)計(jì);②德國采用管樁基礎(chǔ)，管樁打入地下的過程存在對(duì)路基擾動(dòng)的問題，立桿采用插入等徑混凝土圓桿并灌漿，不便于支柱更換，基礎(chǔ)內(nèi)無接地設(shè)計(jì);③西班牙采用鉆孔灌注樁，支柱與基礎(chǔ)采用法蘭連接，基礎(chǔ)為單孔樁，沒有承臺(tái)及專門的防滲漏水設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)內(nèi)利用鋼筋籠接地，無獨(dú)立接地極;④日本新干線采用杯形基礎(chǔ)，立桿采用插入等徑混凝土圓桿并灌漿，不便于支柱更換，基礎(chǔ)內(nèi)無接地設(shè)計(jì)。

通過以上對(duì)比分析可以看出，針對(duì)濕陷性黃土路基地段開發(fā)的帶承臺(tái)的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)及其防滲漏水措施、基礎(chǔ)內(nèi)獨(dú)立接地極等技術(shù)均具有創(chuàng)新性。

7 結(jié)語

通過對(duì)濕陷性黃土地段接觸網(wǎng)土建接口要求及技術(shù)難點(diǎn)的分析，針對(duì)濕陷性黃土地段地基處理措施及接觸網(wǎng)荷載特性，研發(fā)了帶承臺(tái)的、小樁徑的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，其抗震及防滲漏水措施、基礎(chǔ)內(nèi)獨(dú)立接地極等為創(chuàng)新設(shè)計(jì)，經(jīng)過鄭西客運(yùn)專線三年運(yùn)營實(shí)踐未發(fā)現(xiàn)問題，目前已在我國西部地區(qū)高速鐵路如西寶、大西、寶蘭、西成客專及蘭新第二雙線等工程中推廣應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

［1］錢征宇．鄭西客運(yùn)專線濕陷性黃土工程技術(shù)的新進(jìn)展［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2008(10):71-79．

［2］王應(yīng)銘，李肖倫．鄭西客專陜西段路基濕陷性黃土地基處理簡介［J］．巖土力學(xué)，2009，30(增2):283-286．

［3］黃世斌．濕陷性黃土區(qū)鐵路樁基試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2010(7):87-89．

［4］楊德志，馮世進(jìn)，熊巨華，等．濕陷性黃土中樁基的數(shù)值模擬［J］．低溫建筑技術(shù)，2010(2):98-100．

［5］中華人民共和國鐵道部．TB 10621—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．

Design and application of catenary mast embedded foundation on high speed railway in collapsible loess area

LIU Changli

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd．，Xi’an Shaanxi 710043，China)

This paper identifies the technical requirements and difficulties in the construction of civil catenary interface in collapsible loess areas．In accordance with the treatment measures taken at the subgrade section and the loads on catenary itself，small-diameter cast-in-place pile catenary foundation with platform was developed．It is an innovative design to both China and the world，as it has seismic structure，anti-seepage structure and independent earth electrode inside the foundation．Its application in Zhengzhou-Xi'an passenger-dedicated railway has been proved productive and further popularization has achieved in the high speed railway constructions in other collapsible loess areas of China．

Collapsible loess;High speed railway;Catenary foundation;Embedment

(責(zé)任審編 李付軍)

U213．1+4;U225．4+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．05．37

1003-1995(2013)05-0122-04

2012-10-17;

2013-01-22

劉長利(1972—)，男，吉林四平人，高級(jí)工程師，碩士。