高速鐵路制梁臺座設(shè)計方案研究

劉學(xué)忠

(中鐵三局第六工程有限公司，山西晉中 030600)

1 概述

鐵路工程與其他工程相比，一個顯著特點是大型臨時工程規(guī)模比較大。高速鐵路建設(shè)中，制梁場因其臨時占地面積大、造價高，是工程建設(shè)中最重要的大型臨時工程。然而，目前開工在建高鐵在梁場制梁臺座設(shè)計上，各單位設(shè)計理念不一、差別較大。根據(jù)筆者的調(diào)查，有的制梁場臺座所需成本竟然高達30萬元以上，而有的卻只有10萬元～15萬元，所以臺座方案設(shè)計對造價有著很大的影響。筆者以大西高鐵洪洞制梁場為例，介紹在制梁臺座方案選擇上的一些方法和思維。

2 工程概況

大西客專洪洞制梁場設(shè)制梁臺座10座。預(yù)制梁的結(jié)構(gòu)形式是單箱單室雙線整孔無砟軌道箱形簡支梁，梁型為高速鐵路廣泛采用的通橋(2008)2322A系列。設(shè)計共預(yù)制梁583孔，每孔跨徑31.5 m，梁自重835 t。場地位于汾河流域低階地，場地土層主要由第四紀(jì)全新世早期以及上更新世沖洪積成因的粉質(zhì)粘土、卵石組成。地表粉質(zhì)粘土層承載力特征值fak=120 kPa，承載力較低。

3 制梁臺座地基處理方案比選和設(shè)計

制梁臺座地基加固的目的在于提高地基剛度，減少總沉降量和不均勻沉降量。根據(jù)《客運專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件》有關(guān)規(guī)定，預(yù)制梁在存梁時，四支撐點不平衡量不大于2 mm。由于施工荷載重，地基承載力要求高，必須選擇合適的地基處理方案，以提高地基承載力、減少沉降和控制不均勻沉降。地基處理加固將直接關(guān)系到預(yù)制梁工程的造價、質(zhì)量和進度。

3.1 地基應(yīng)力計算

根據(jù)《鐵路大型臨時工程和過渡工程設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)［2008］189號)有關(guān)規(guī)定，制梁臺座結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)按照以下兩種最不利工況進行設(shè)計:1)澆筑梁體完畢尚未張拉時，設(shè)計荷載均布于制梁臺座上，如圖1所示;2)臺座上混凝土梁張拉完畢尚未提梁時，箱梁結(jié)構(gòu)自重荷載集中作用于制梁臺座兩端，如圖2所示。

圖1 混凝土澆筑完畢至張拉前臺座受力示意圖

作用在混凝土臺座上的荷載主要有:模板1 800 kN、梁重8 350 kN、施工荷載300 kN、混凝土臺座總重1 920 kN(其中兩端重455 kN)。根據(jù)《鐵路大型臨時工程和過渡工程設(shè)計暫行規(guī)定》，超載系數(shù)取 1.1。

圖2 初張拉后至提梁前臺座受力示意圖

第一種工況下，作用于臺座均布荷載 q1=1.1×(1 800+8 350+300+1 920)/32.6=417 kN/m。作用于地基的平均應(yīng)力為 p=417/6.0=70 kPa。

第二種工況下，作用于臺座均布荷載 q2=1.1×(1 800+8 350+300+455)/2/3=1 817 kN/m。作用于地基的平均應(yīng)力為p=1 817/6.0=302 kPa。

3.2 地基處理方案選擇

根據(jù)規(guī)范要求，在選擇地基處理方案中，考慮因素如下:

1)考慮到本場地地下水位埋深較淺，采用強夯法壓密淺層土?xí)r，易出現(xiàn)橡皮土現(xiàn)象，強度提高幅度難以達到要求;采取降水加強夯方式對工期不利;本場區(qū)缺土，強夯施工要求補給土因而增加成本。2)本場區(qū)地質(zhì)條件適合注漿，但注漿方式存在以下問題:無上覆壓力情況下注入量有限，且很難精確控制漿液注入量，加固后的地基存在局部范圍不均勻的問題，容易造成不均勻沉降，令注漿難以達到很高的加固要求。3)CFG樁作為取土樁，常用樁徑400 mm～600 mm。本場區(qū)的Q4地層土較為松散，成孔、保持孔徑較困難，孔壁穩(wěn)定性難以保證，施工質(zhì)量難以控制。4)PHC管樁和預(yù)制方樁;場區(qū)附近經(jīng)初步調(diào)查無預(yù)制樁廠，現(xiàn)場預(yù)制受現(xiàn)場客觀條件限制對工期不利。從太原等外地運樁來現(xiàn)場成本較高。由于卵石層較厚，粒徑不均勻，以之為持力層時，為保證樁基承載力需貫入一定深度，對施工設(shè)備和施工控制要求較高，難以保證施工質(zhì)量。5)灌注樁，包括鉆孔樁挖孔樁。灌注樁施工中，場地淺層松散的黃土層有塌孔和跑漿的可能，需有嚴(yán)格的護壁措施。卵石層為稍密～中密，易塌孔，施工難度較大;施工工藝有排漿的要求，場地整潔困難，成本較高。場地地下水位較高，無法采用挖孔樁施工。6)水泥土攪拌樁屬于成熟技術(shù)，加固材料單一，適宜本場地地基加固。相比于單軸、雙軸攪拌樁，三軸攪拌樁具有施工質(zhì)量保證度高、樁體強度大、成樁質(zhì)量好、場地適應(yīng)性強、施工進度快的特點，適宜對本場地部分工程進行地基加固。

綜合研究后，確定采用三軸攪拌樁加固處理制梁臺座地基。對部分填方區(qū)域填土分層碾壓密實，填筑分層厚度30 cm～50 cm，壓實度不小于93%。

3.3 地基處理設(shè)計

根據(jù)在類似地基的京滬高鐵、石武客專等數(shù)個梁場的施工經(jīng)驗，采用三軸攪拌樁進行地基加固，加固效果好，施工進度快，成樁質(zhì)量穩(wěn)定;單幅加固面積大，因此底板抗沖切要求低、底板厚度比樁基方案低;為保證臺座整體沉降變形均勻，除在臺座兩端進行加固外，臺座中部區(qū)域也進行了加固，基礎(chǔ)整體的不均勻沉降較小(據(jù)實測小于2 mm)。臺座范圍地基加固平面布置詳見圖3。

圖3 32m長制梁臺座地基加固平面布置圖

樁型采用φ850@600水泥土攪拌樁。采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，水灰比1.5，水泥摻入比22%。外加劑木質(zhì)素用量為水泥用量的0.2%。為保證水泥土攪拌均勻，必須控制好鉆機下沉及提升速度，鉆機鉆進攪拌速度一般在1 m/min，提升攪拌速度一般在1.0 m/min～1.5 m/min，以保證水泥土能夠充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?。提升速度不宜過快，避免孔壁塌方等現(xiàn)象。樁施工時，相鄰兩樁施工間隔不得超過12 h。

1)工程量。加固范圍基礎(chǔ)寬度6.0 m，長33.4 m，樁長9.5 m(有效樁長9 m)。三軸攪拌樁單個臺座工程量為28根樁，加固樁的總面積為42 m2，總進尺約294 m，總方量為441 m3。按照180元/m3計算，單個臺座造價約7.9萬元。按照初步布置的10個臺座計算，總方量約4 410 m3，總造價約79萬元。

2)承載力驗算。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范第12.2.2條規(guī)定，用水泥土樁處理的地基，其承載力計算公式如式(1)所示。

其中，fspk為復(fù)合地基容許承載力特征值，kPa;m為面積置換率，臺座中部取0.17，兩端取 0.40;Ap為樁的截面積，m2，單樁為1.5 m2;fsk為樁間土容許承載力，實勘得120 kPa;β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0.9;Ra為單樁豎向承載力特征值，kN，通過式(2)，式(3)估算取小值。

其中，fcu為抗壓強度平均值，取1.6 MPa;η為樁身強度折減系數(shù)，取0.30;d為樁的平均直徑;D為樁周長，三軸攪拌樁為3.34 m;n為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);li為樁周第i層土的厚度，m;L為樁有效長度，m;qi為樁周第i層土的容許摩阻力，取15 kPa;αp為樁端土承載力折減系數(shù)，取0.6;qp為樁端土的容許承載力，取300 kPa。

按式(2)計算:Ra=ηfcu·Ap=0.30×2 000×1.5=900 kN。

按式(3)計算:Ra=D ×L×qi+αp×Ap×qp=5.33×9.5×15+0.6×300×1.5=1 030 kN，取 Ra=900 kN。

復(fù)合地基承載力:臺座中部:fspk=0.17 ×900/1.5+0.9 ×110 ×(1 －0.17)=184 kPa＞70 kPa，滿足要求。

臺座兩端:fspk=0.4×900/1.5+0.9×110×(1 －0.4)=305 kPa＞302 kPa，滿足要求。

4 制梁臺座設(shè)計

根據(jù)上述圖1，圖2臺座的受力模型，臺座兩端與中間部位通過沉降縫分隔開來，從而使預(yù)制梁從澆筑至提梁搬走，對臺座連續(xù)墻的作用只有豎向壓力，連續(xù)墻不承受彎矩作用，因此臺座連續(xù)墻的配筋只需考慮構(gòu)造配筋即可。與采用彈性地基梁原理設(shè)計的臺座相比，減少了大量鋼筋用量。洪洞梁場的實踐證明，計算模型的選取較為符合實際受力情況。

制梁臺座結(jié)構(gòu)通常采用3道連續(xù)墻的結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。

圖4 臺座平面布置示意圖

5 結(jié)論和建議

通過洪洞制梁場臺座方案的設(shè)計表明:1)結(jié)合地形地質(zhì)條件及當(dāng)?shù)乜商峁┑纳鐣Y源，選擇合適的地基處理方案，在給施工帶來便利的同時，可大幅節(jié)約成本。2)在方案設(shè)計中，合理的受力分析模型非常重要。據(jù)對其他一些梁場的調(diào)查，部分制梁場臺座連續(xù)墻通長設(shè)置，未在兩端設(shè)沉降縫，將連續(xù)墻當(dāng)作彈性地基梁進行分析計算，計算結(jié)果結(jié)構(gòu)承受較大的彎矩，需配很多鋼筋，給項目增加了成本。本項目每個制梁臺座總成本約12萬元，較為經(jīng)濟。

通過洪洞梁場制梁臺座設(shè)計方案的比選，筆者認(rèn)為當(dāng)前在臺座設(shè)計上還存在以下一些問題:

1)根據(jù)《鐵路大型臨時工程和過渡工程設(shè)計暫行規(guī)定》有關(guān)規(guī)定，臺座上混凝土梁張拉完畢尚未提梁時，箱梁結(jié)構(gòu)自重荷載集中作用于制梁臺座兩端。而根據(jù)筆者現(xiàn)場的觀察，梁體初張拉后，梁體中部與底模并未產(chǎn)生明顯的分離。據(jù)分析可能是在初張拉兩端預(yù)應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的外力矩較小，引起梁體跨中向上的撓度不足以克服梁體自重作用所產(chǎn)生的向下的撓度，導(dǎo)致實際上箱梁結(jié)構(gòu)自重荷載并未全部集中作用于臺座兩端，而使兩端偏大，中部尚有部分豎向支撐力。所以全部支撐于臺座兩端的假設(shè)可能導(dǎo)致豎向荷載偏大。

2)現(xiàn)場箱梁設(shè)計橫截面尺寸分析，3個連續(xù)墻并非均勻受力。如何根據(jù)梁體截面尺寸及模板的支撐情況，準(zhǔn)確分析荷載在3道連續(xù)墻的分配需要進一步研究。在未對此有準(zhǔn)確的分析結(jié)果之前，臺座設(shè)計上應(yīng)該考慮偏載安全系數(shù)。

有關(guān)對臺座的工作機理的研究分析，有必要進行進一步的探索，從而進一步提高梁場臺座設(shè)計水平。