覆蓋型巖溶段高速鐵路地基處理方案淺析

張杰

【摘 要】目的：我國(guó)高速鐵路發(fā)展迅猛異常，已經(jīng)逐步遍及祖國(guó)各地。我國(guó)又是可溶巖廣泛分布的國(guó)家，所占面積占國(guó)土總面積的1/3以上，高速鐵路通過覆蓋性巖溶地區(qū)不可避免。巖溶病害和路基沉降是控制覆蓋性巖溶段高速鐵路路基質(zhì)量的兩大問題，采取何種切實(shí)可靠的方案和優(yōu)化方案是目前的重要課題。結(jié)論：覆蓋巖溶地表穩(wěn)定地段，應(yīng)以控制路基沉降為主；巖溶病害地段，應(yīng)病害和沉降兼顧?？瓦\(yùn)專線不同速度目標(biāo)值所采取的路基加固手段不同，高速鐵路應(yīng)以樁板結(jié)構(gòu)為宜，樁板結(jié)構(gòu)以落地收斂式為好。

【關(guān)鍵詞】覆蓋型巖溶；高速鐵路；速度目標(biāo)值；路基加固；樁板結(jié)構(gòu)；落地收斂式

【Abstract】Research purposes： High-speed railway of China has grow quickly， and has gradually spread all over the country. The karst is widely distributed in about over 1/3 of the total land area of China. Building high-speed railway on covered Karst area is inevitable， so the two key problems of control the quality of Karst area high-speed railway is karst disease and subgrade settlement. So feasible design scheme and optimization is an important subject. Research results： According to the different speed target value of Passenger Dedicated Line by taking different reinforcement scheme. Control the settlement of the roadbed in karst stable section； Consideration to disease and settlement of karst disaster section； the High-speed railway should adopt pile-plank structure of landing convergence type.

【Key words】Covered karst； High-speed railway； Speed target value； Subgrade reinforcement； Pile-plank structure； Landing convergence type

高速鐵路發(fā)展的今天，路基對(duì)基礎(chǔ)的要求非常嚴(yán)格。對(duì)于路基而言，不僅僅是穩(wěn)定性的問題，沉降已成為重要的標(biāo)準(zhǔn)。高速路基主要按照“以人為本”的理念，采用“安全、可靠”的技術(shù)，特別關(guān)注地基沉降的問題，以保證列車運(yùn)行安全、高速、平穩(wěn)、舒適。同時(shí)，不同速度目標(biāo)值對(duì)地基沉降的要求不同（表1）。

表1 路基工后沉降量與速度目標(biāo)值對(duì)照表

Table 1 Comparison table of settlement after construction and speed target value

1 地基處理的基本原則

鐵路路基的地基處理，不僅僅解決穩(wěn)定問題，路基沉降控制也非常重要。尤其對(duì)于高速鐵路，工后沉降量控制的難度遠(yuǎn)大于路基穩(wěn)定控制。

1.1 不同等級(jí)的鐵路地基處理方案概述

不同的線路等級(jí)，不同的速度目標(biāo)值，除對(duì)路基本體的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)不同外，對(duì)軟基的工后沉降量也有不同要求（如表1所示）。為滿足上述要求并避免浪費(fèi)，必須對(duì)軟基采用不同的加固措施。

（1）Ⅱ級(jí)鐵路路基加固原則

線路通過第四系軟弱土層，經(jīng)過地層沉降檢算，當(dāng)工后沉降量大于30cm時(shí)，路基需采用加固措施。

具體加固方案應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件，采用相應(yīng)可行的措施。如：基礎(chǔ)換填、砂墊層、插塑板、袋裝砂井、碎石樁、粉噴樁等處理方法。

（2）Ⅰ級(jí)鐵路路基加固原則

線路通過第四系松軟土層，經(jīng)過地層沉降檢算，當(dāng)工后沉降量大于20cm時(shí)，路基需采用加固措施。

具體加固方案應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件，采用相應(yīng)可行的措施。如基礎(chǔ)換填、砂墊層、插塑板、袋裝砂井、碎石樁、粉噴樁、旋噴樁等處理方法。

（3）客運(yùn)專線200km/h鐵路路基加固原則

線路通過第四系松軟土層，經(jīng)過地層沉降檢算，當(dāng)工后沉降量大于15cm時(shí)，路基需采用加固措施。

具體加固方案應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件，采用相應(yīng)可行的措施。如：基礎(chǔ)換填、砂墊層、插塑板、袋裝砂井、碎石樁、粉噴樁、旋噴樁等處理方法。

（4）客運(yùn)專線250km/h鐵路路基加固原則

線路通過第四系松軟土層，經(jīng)過地層沉降檢算，當(dāng)工后沉降量大于10cm時(shí)，路基需采用加固措施。

具體加固方案應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件，采用相應(yīng)可行的措施。如基礎(chǔ)換填、砂墊層、粉噴樁、旋噴樁、打入摩擦樁、CFG樁等處理方法

（5）客運(yùn)專線300～350km/h高速鐵路有砟軌道鐵路路基加固原則

線路通過第四系松軟土層，經(jīng)過地層沉降檢算，當(dāng)工后沉降量大于5cm時(shí)，路基需采用加固措施。

具體加固方案應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件，采用相應(yīng)可行的措施。如松軟土層厚度≤3m時(shí)，可采用基礎(chǔ)換填；松軟土層較厚時(shí)，可采用打入摩擦樁、CFG樁等處理方法。

（6）客運(yùn)專線300～350km/h高速鐵路無砟軌道鐵路路基加固原則

線路通過第四系松軟土層，經(jīng)過地層沉降檢算，當(dāng)工后沉降量大于15mm時(shí)，路基需采用加固措施。

具體加固方案應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件，采用相應(yīng)可行的措施。如松軟土層厚度≤3m時(shí)，可采用基礎(chǔ)換填；松軟土層較厚時(shí)，可采用打入摩擦樁、CFG樁、樁板結(jié)構(gòu)等處理方法。

線路速度目標(biāo)值越高，路基基底的處理標(biāo)準(zhǔn)越高，設(shè)計(jì)措施應(yīng)越堅(jiān)固、牢靠。

1.2 高速鐵路巖溶病害路基的處理原則

該種路基不僅具有巖溶病害，同時(shí)具有路基不穩(wěn)定和地基沉降問題。因此巖溶病害地基處理應(yīng)包括兩個(gè)方面的問題：①巖溶病害的整治；②軟弱地基的處理，必須保證巖溶病害的根治和高速鐵路工后沉降的標(biāo)準(zhǔn)，確保線路質(zhì)量。

1.2.1 巖溶病害的整治

1）巖溶地表穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[2]

（1）地表塌陷具備的主要因素

巖溶發(fā)育程度、覆蓋土層性質(zhì)、自然氣候因素、人類生產(chǎn)活動(dòng)是地表塌陷的主要四大因素。其中巖溶發(fā)育程度是必備條件，是內(nèi)在因素和先決條件；覆蓋土層性質(zhì)和自然氣候因素是地表塌陷的外在條件；自然氣候條件和人類活動(dòng)因素是地表塌陷的誘發(fā)因素。

（2）影響地表塌陷最活動(dòng)因素

①土石界面巖溶裂隙通道是地表塌陷的內(nèi)在因素和先決條件；

②人類生產(chǎn)活動(dòng)是地表塌陷最活躍的外在條件，是與塌陷同步產(chǎn)生的控制因素。

（3）巖溶地表整治的基本原則

①巖溶地表處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，路基設(shè)計(jì)僅考慮地基沉降問題。如松軟土層厚度≤3m時(shí)，可采用基礎(chǔ)換填；松軟土層較厚時(shí)，可采用打入摩擦樁、CFG樁等處理方法。

②巖溶地表處于塌陷狀態(tài)或評(píng)價(jià)為不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，路基設(shè)計(jì)既要考慮巖溶地表塌陷的病害整治問題（如巖溶地表注漿），同時(shí)還要考慮軟基沉降問題。如松軟土層厚度≤3m時(shí)，可采用基礎(chǔ)換填；松軟土層較厚時(shí)，可采用CFG樁、樁板結(jié)構(gòu)等處理方法。

2）巖溶地表塌陷的整治措施

巖溶地表塌陷的穩(wěn)定性不解決，其他的軟弱地基的加固措施（如袋裝砂井、碎石樁、粉噴樁、旋噴樁、CFG樁）均沒有穩(wěn)定存在的基礎(chǔ)，最終導(dǎo)致整體基礎(chǔ)的破壞。所以，首先應(yīng)對(duì)巖溶地表塌陷的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行整治。

目前巖溶地表塌陷的整治主要手段是地表注漿[1]，將病害的根源和內(nèi)在因素控制，才有條件進(jìn)一步解決沉降問題。

1.2.2 解決軟基工后沉降問題

對(duì)于覆蓋型巖溶區(qū)穩(wěn)定問題解決之后，隨之解決軟基工后沉降問題。根據(jù)沉降量檢算和速度目標(biāo)值的要求，可分別采用袋裝砂井、碎石樁、粉噴樁、旋噴樁、CFG樁。個(gè)別地段采用樁板結(jié)構(gòu)。速度目標(biāo)值越高，工后沉降量要求越小，設(shè)計(jì)措施從復(fù)合型地基（柔性-半剛性）向剛性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。

1.2.3 樁板結(jié)構(gòu)的提出

對(duì)于處在巖溶病害地區(qū)的高速鐵路，鐵路路基要確保“安全、高速、平穩(wěn)、舒適”，工程整治需分兩步走，先整治病害求得穩(wěn)定，后整治路基的沉降。因此設(shè)計(jì)施工要綜合考慮整治病害、基底加固兩類不同工種的工期和造價(jià)。

對(duì)于速度目標(biāo)值200～250km/h的客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)采用上述柔性復(fù)合型地基基本可以解決。隨之速度目標(biāo)值進(jìn)一步提高至300～350km/h高速鐵路的有砟軌道時(shí)，工后沉降量不應(yīng)大于5cm，路基基礎(chǔ)可采用半剛性結(jié)構(gòu)（如CFG樁）。當(dāng)時(shí)速300～350km/h高速鐵路的無砟軌道時(shí)，工后沉降量?jī)H為15mm，從某種嚴(yán)格意義來講，基底應(yīng)近于零沉降，路基基礎(chǔ)宜采用半剛性-剛性結(jié)構(gòu)（如樁板結(jié)構(gòu)）。

覆蓋型巖溶病害地區(qū)，高速鐵路（V=300～350km/h）無砟軌道由于工后沉降的嚴(yán)格要求，因此提出樁板結(jié)構(gòu)的概念，即巖溶病害地段，應(yīng)用樁板結(jié)構(gòu)來替代注漿結(jié)合CFG樁地基加固模式（組合型整治）。

1.2.4 組合型整治與樁板結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)分析

（1）組合型整治的缺點(diǎn)

組合型整治即所謂巖溶病害整治和松軟地基加固的組合。

①巖溶病害注漿加固是地表穩(wěn)定整治的一種最常見、最有效的方法。該種辦法在理論上是成立的，并已被多項(xiàng)加固路基成果所證明。但由于多種因素的控制、干擾，使注漿成功的不確定性增加。此外，巖溶病害路基注漿只能解決巖溶地表塌陷穩(wěn)定問題，不能解決軟弱地基沉陷問題。

②第四系物理力學(xué)指標(biāo)極差的深厚軟土，地基沉陷加固采用強(qiáng)度較高的CFG樁，也難將工后沉降控制在15mm之內(nèi)。其原因有：樁頂碎石墊層的柔性變形；樁間的側(cè)向應(yīng)力約束小。

需要補(bǔ)充說明的是：即使在隱伏巖溶的穩(wěn)定區(qū)的路基，除已按橋梁設(shè)計(jì)通過地段外，對(duì)于厚層軟土、軟黏土沉降難以控制的路基，仍有必要考慮橋梁方案通過。

③覆蓋型巖溶病害地區(qū)組合型整治，工期只能先后排序，不能平行作業(yè)、重疊交叉利用；造價(jià)單獨(dú)列算；兩項(xiàng)總和工期較長(zhǎng)、造價(jià)較高。

（2）樁板結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

①樁端伸入穩(wěn)定基巖，解決路基基底工后沉降問題；

②設(shè)計(jì)、施工的理論、方法、檢查、監(jiān)理都比較成熟；

③工期安排有序，不易受其他因素干擾；

④質(zhì)量控制有章可循，成功把握性高。

缺點(diǎn)：

①路基造價(jià)較高；

②路基病害塌陷和不穩(wěn)定地區(qū)，未經(jīng)過地表注漿整治，一旦地表產(chǎn)生塌陷會(huì)出現(xiàn)如下問題：板下土層塌陷不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)、無法及時(shí)回填；樁位可能產(chǎn)生土的側(cè)向推力。

2 高速鐵路無砟軌道樁板結(jié)構(gòu)的型式特點(diǎn)

2.1 路基限高的選用

路基限高應(yīng)通過沉降量檢算來選擇。路塹本身挖方，減輕了土體自重荷載，已降低了線路標(biāo)高，對(duì)加固方案及造價(jià)不起控制作用；路堤填高則控制加固方案的選擇，與工程數(shù)量的大小和造價(jià)的高低有密切關(guān)系。

高速鐵路路基填方不能過高，特別無砟軌道更應(yīng)如此，否則工后沉降無法滿足要求。一旦路基過高，應(yīng)以橋梁方案通過。

高速鐵路在地基軟弱地段路堤限高一般不宜超過4～6m，這樣降低了附加荷載（土柱高度），有利保障工后沉降量的標(biāo)準(zhǔn)，最大程度降低路基工程數(shù)量。

2.2 路堤基底整治樁板型式及優(yōu)缺點(diǎn)

路塹的樁板結(jié)構(gòu)最為單一，型式只有一種，如圖1所示。

路堤的樁板結(jié)構(gòu)型式有三種（見圖2）。

（1）落地式樁板結(jié)構(gòu)（圖2a）：

承重板平行置于地面（或整平地面）之上。

優(yōu)點(diǎn)：

①施工工序簡(jiǎn)單，先后次序清楚、明確；

②填筑土質(zhì)量保障性強(qiáng)；

③受列車動(dòng)荷載作用較小。

缺點(diǎn)：

①上覆附加荷載大，樁板工程數(shù)量大，造價(jià)相對(duì)較高；

②鐵路路基占地寬；

③填筑土數(shù)量最多。

（2）擎起式樁板結(jié)構(gòu)（圖2b）：

承重板高舉于地表之上，與路肩標(biāo)高相同。

優(yōu)點(diǎn)：

①路基沒有填筑土，工后沉降基本不存在；

②承重板數(shù)量少，相應(yīng)支撐樁數(shù)量少，比接地式少30%～50%。

缺點(diǎn)：

①樁板施工應(yīng)在夯填土之后，增添了填土的數(shù)量；工序較為繁瑣，相互存在一定的干擾。

②樁板兩側(cè)夯填保護(hù)土體，占地寬度較大。

③樁長(zhǎng)度懸于地表之上，數(shù)量略有增加。同時(shí)應(yīng)考慮樁板結(jié)構(gòu)的變形和懸臂端的受力機(jī)理。

④夯填土體應(yīng)有護(hù)坡防護(hù)，樁可能存在側(cè)向推力。

（3）落地收斂式樁板結(jié)構(gòu)（“U”型槽式）（圖2c）：

承重板平行置于地面之上，其寬度基本與路肩寬度相同。路堤邊坡采用路肩擋墻（或坡腳墻）收斂。

優(yōu)點(diǎn)：

①樁板工程數(shù)量少。其特點(diǎn)：樁的數(shù)量比接地式少30%～50%，路堤越高，減少比例越多；承重板數(shù)量少。

②鐵路路基占地最窄。在陡坡地段更具有收斂路堤邊坡的優(yōu)勢(shì)。

③和落地式樁板結(jié)構(gòu)相比，填土數(shù)量減少。

缺點(diǎn)：

①施工工序較為復(fù)雜。除樁板之外，還有路肩墻及“U”型槽中的壓密路基填土的施工，需要程序的順暢和質(zhì)量的保證，同時(shí)確保路基排水的設(shè)施。上述問題通過相應(yīng)的技術(shù)措施可以得到合理的解決。

②增加路肩墻的工程數(shù)量。

3 小結(jié)

（1）覆蓋巖溶地表穩(wěn)定地段，應(yīng)以控制路基沉降為主；巖溶病害地段，應(yīng)病害和沉降兼顧。

（2）客運(yùn)專線不同速度目標(biāo)值所采取的路基加固手段不同。

（3）覆蓋性巖溶段高速鐵路應(yīng)選用樁板結(jié)構(gòu)。其中落地收斂式樁板結(jié)構(gòu)，路堤填筑土采用先填土壓密，后施工擋墻的程序，確保了填土壓實(shí)密度和路堤排水的暢通，另外，落地收斂式工程數(shù)量最少，造價(jià)最省，建議樁板結(jié)構(gòu)選型時(shí)采用落地收斂式。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]