滬杭客運專線松江特大橋簡支梁樁基糾偏技術探討

潘振華

（上海鐵路局工務處，上海200071）

滬杭客運專線松江特大橋簡支梁樁基糾偏技術探討

潘振華

（上海鐵路局工務處，上海200071）

軟土地區(qū)的高速鐵路橋墩樁基在非法堆載等外部因素影響下，發(fā)生了多起樁基撓曲變形，帶動橋墩偏移，從而導致軌道不平順超限的事件，威脅鐵路行車安全。本文以滬杭客運專線松江特大橋樁基糾偏工程為例，分析樁基變形原因，采取將卸載與高壓旋噴樁糾偏相結合的綜合整治措施，糾正了橋墩樁基偏移，恢復了軌道線形。研究了棄土卸載與樁基回彈量的關系及糾偏時旋噴壓力與土體位移、糾偏量的關系，可供高速鐵路橋墩樁基糾偏工程借鑒。

高速鐵路；簡支梁；樁基偏移；高壓旋噴樁；糾偏；卸載

1　工程概況

滬杭客運專線松江特大橋橋上線路為無砟軌道，設計速度350 km/h，線路坡度12.8‰。其中K17+ 511—K17+696區(qū)段橋梁為32 m簡支梁，墩高22 m，374#～378#墩樁基為10-φ1.25 m鉆孔灌注樁，樁長67.5 m，樁端持力層為（9）1粉砂層，其基本承載力σ0=200 kPa。松江特大橋地層主要為淤泥質粉質黏土、黏土和粉細砂，地層及物理力學參數見表1。

表1　松江特大橋地層及物理力學參數

2013年12月發(fā)現(xiàn)在滬杭客運專線下行線橋墩左側有違法堆放的棄土（見圖1），土體沿鐵路方向長約160 m，寬約130 m，最大高度達7 m。土體坡腳與橋墩的最近距離僅5 m。

堆土對橋墩樁基產生側向推力，造成樁基發(fā)生水平方向變形，最終導致了橋面線路的橫向偏移。為確保行車安全，立即采取了限速措施，隨后對軌道線形進行了擬合，并采用特殊扣件對軌道結構進行調整以保證軌道平順性。

圖1　橋墩附近堆土情況（單位：m）

2　樁基受力數值模擬

采用有限元軟件Plaxis3D建立數值分析模型，模擬臨近橋墩土體堆載的實際情況，計算374#～378#橋墩樁身的內力及變形，以分析堆載對樁基的影響。

模型水平x方向長300 m，約4倍樁長；水平y(tǒng)方向長250 m，約3倍樁長；垂直方向長150 m，約2倍樁長。忽略邊界效應。橋墩、承臺采用實體單元模擬；樁基采用Embedded樁單元模擬；土體采用實體單元、土體硬化模型（HS）模擬。模型采用標準位移邊界：模型底部施加完全固定約束，左右兩側施加豎直滑動約束（固定水平方向位移），表面為自由邊界。橋墩和樁基按設計尺寸建模。地層按實際情況建模，填土厚度取7 m，填土分4層，下面3層各厚2 m，第4層厚1 m。填土邊界坡度取1∶1。橋墩墩身高取5 m。

松江特大橋374#～378#墩墩頂水平位移實測值與計算值對比見表2?？芍?76#橋墩墩頂水平位移最大，實測值為61.4 mm，計算值為52.2 mm，二者比較接近。由于該段線路位于曲線地段，而墩頂發(fā)生較大橫向變形破壞了原來的曲線線形，形成了復合曲線，影響了高速鐵路運行。樁基發(fā)生撓曲變形，同時樁身產生了微裂縫。這可能降低樁基承載力，影響樁基使用壽命。

表2374　#～378#墩墩頂水平位移實測值與計算值對比

為研究承臺下樁基受力特點，對橫向位移最大的376#的1#～10#樁（見圖2）彎距和樁頂位移進行了分析。分析結果表明1#和2#樁的彎矩和水平位移值最大。1#樁水平位移和彎矩見圖3。由于1#和2#樁距離橋墩堆載土體最近，受到的影響最大，樁身內力和變形最大，可代表橋墩樁基最不利的內力和變形狀態(tài)。

圖2　376#墩樁基布置

圖3　376#墩1#樁水平位移與彎距

3　橋墩樁基糾偏機理及效果分析

對于橋墩樁基偏移有2種處理方案：①橫向移動梁體［1-2］以達到糾偏的目的；②通過卸載或施加水平力使樁產生水平位移［3-4］糾正橋墩偏移。

松江特大橋374#～378#橋墩上為32 m簡支梁，采用盆式橡膠支座。若采用移梁方案，需先在天窗點內將每個橋墩上的16個支座螺栓周邊混凝土拉槽鑿除，預留支座螺栓平移空間，然后同時頂起3孔梁體并橫向平移。此方案的不足之處在于：①雖然解決了軌道線形變化問題，但樁基的撓曲變形未被糾正，樁基仍處于非正常受力狀態(tài)；②在列車限速60 km/h運行條件下，固定支座螺栓的混凝土被鑿除，削弱了梁體的穩(wěn)定性；③在1個天窗點內對4孔梁體進行平移，存在不能同步到位的風險，此外，梁體平移33 mm對CRTSⅡ型無砟軌道結構的影響難以評估。因此，不推薦移梁方案，而選擇樁基糾偏方案，采取卸載與高壓旋噴樁糾偏相結合的方式。下文研究糾偏方案的特點及施工中土體、樁基的變形特征。

3.1堆土卸載方案及效果分析

發(fā)現(xiàn)松江特大橋K17+511—K17+696區(qū)段單側被堆積棄土后，設備管理單位當夜組織機械進行棄土清理。按照在橋墩兩側30 m范圍內不得有堆土且30 m以外堆土不得超過2 m的原則，將堆土外運，使橋墩四周堆土卸載至兩側土壓力達到平衡狀態(tài)。樁基所受側向外力解除后，自2013年12月—2015年6月經過480 d，松江特大橋374#～378#橋墩樁基位移均發(fā)生了不同程度的回彈，其中376#和377#墩墩頂位移變化過程見圖4。

圖4　376#和377#墩墩頂位移變化過程

圖4的墩頂位移變化過程可分為3個階段，具體分析如下：

第1階段（OA段，為突變階段）。橋墩及樁基受單側堆載壓力作用發(fā)生橫向位移，其變形速率與堆載時間、高度和體積有關。一般快速堆載且堆載高度＞5 m時，可使樁基發(fā)生撓曲突變且橫向位移較大。圖中橋墩橫向位移達61.7 mm。此階段對高速行車安全威脅最大，因為軌道方向發(fā)生了突變，列車晃動明顯。據統(tǒng)計，在上海地區(qū)如果堆載高度為2 m則橋墩產生橫向位移約為10 mm。

第2階段（AB段，回彈階段）?？焖傩遁d后，橋墩樁基所受水平力消失，使已經撓曲變形的樁基發(fā)生回彈，橋墩樁基橫向偏移量逐漸減小。根據觀測數據分析，此回彈過程是長時間的緩慢過程，回彈數值平均每天為0.2 mm，累計回彈位移量約50%。

第3階段（BC段，穩(wěn)定階段）。樁基經過數月的回彈變形后，橫向偏移量處于穩(wěn)定狀態(tài)。

經過480 d，374#～378#橋墩墩頂水平位移分別回彈了15，22，28，18和8 mm。墩頂剩余橫向偏移量分別為0.9，18.0，33.7，17.0和0.3 mm，因此需要對375#，376#，377#橋墩進行糾偏。

對于單側堆載造成橋墩樁基偏移，可以考慮采取反向堆載糾偏的方案［5］，即在違章堆土的另一側（下行右側）堆載糾偏。其缺點主要有：①堆載體積與糾偏量之間的關系尚不清楚，無法確定堆載量；②堆載糾偏是連續(xù)動態(tài)過程，糾偏過程不可控，可能影響列車運行安全。因此，反向堆載糾偏方案不可取。

3.2高壓旋噴樁糾偏

3.2.1高壓旋噴樁糾偏機理

滬杭客運專線K45樁板結構路基曾利用高壓旋噴樁成功糾偏［6］，其經驗可供本工程借鑒。橋墩樁基抗橫向荷載能力相對較弱，僅為抗豎向荷載能力的5%～10%，因此可利用高壓旋噴樁噴射壓力對橋墩樁基施加橫向水平力，使橋墩樁基發(fā)生橫向位移以達到糾偏目的。

上海地區(qū)的淤泥質軟黏土具有強度低、含水量大、壓縮系數高的特點。高壓旋噴樁機在施工過程中產生噴射流壓力達20～24 MPa，高壓噴射流沖切樁周軟土，形成高壓旋噴樁樁體。樁體周邊土體結構受劈裂、擠推作用，軟土發(fā)生觸變，土體強度衰減，由軟塑狀軟土變成流塑狀軟土。流塑體能傳遞高壓旋噴樁噴射壓力，橋墩樁基等構筑物受旋噴樁噴射壓力的擠壓推動作用，產生側向變形。高壓旋噴樁在軟土地層中作用范圍是（40～50）D，D為高壓旋噴樁直徑。

3.2.2高壓旋噴樁糾偏施工方案

對運營中高速鐵路橋墩樁基進行糾偏在國內尚無先例。本工程須考慮3個橋墩糾偏的協(xié)調、軌道結構平順性、單個橋墩變形突變等問題。涉及的主要技術如下：

1）高壓旋噴樁施工深度、壓力的選擇。擬采用4排高壓旋噴樁進行糾偏。選取高壓旋噴樁作用范圍為10D（D=0.7 m），即距離承臺最遠的一排樁距離為7 m，最近的一排樁距離為4.5 m。一旦再次發(fā)生橋墩橫向偏移，這樣的設計為下次糾偏預留了空間。試樁壓力為13 MPa，根據糾偏量逐漸增加壓力，以保證樁基每天的糾偏量可控以及軌道線形平順。松江特大橋K17+511—K17+696區(qū)段淤泥質軟黏土基底標高為地面下21 m，其下是硬塑的黏土層。由于黏土層的土體結構強度高，足以抵抗高壓旋噴樁壓力，不易產生較大變形［7-8］，因此高壓旋噴樁作用于此地層作用不大。由于樁基自承臺向下20 m范圍內的彎距和變形較大，因此將高壓旋噴樁作用深度定為地面下20 m，即高壓旋噴樁作用于淤泥質軟黏土層。

2）防止承臺及樁基在高壓旋噴樁壓力下發(fā)生扭轉。每個橋墩采用2臺高壓旋噴樁機，由外向內在承臺中心線兩側對稱、同步、同壓力施工，且在承臺中心線左右各1 m范圍內停止施工。高壓旋噴樁施工作業(yè)平面圖見圖5（a）。

3）承臺橫移量與墩頂（梁體）橫移量之間的關系。一般在水平力和彎距作用下［7］承臺發(fā)生水平位移（a）和轉角（β），墩頂位移為a+βh，h為墩高。由于橋梁承臺轉動時墩頂位移可能被放大，為防止軌道線形突變，必須監(jiān)控橋墩承臺、墩頂和軌道變形及其相互關系。利用全站儀建立了對承臺、梁體和軌道的觀測系統(tǒng)。同時為掌握深層土體變形規(guī)律，承臺左右側1 m處各設置1個測斜管（CX05和CX08）對深層土體位移進行監(jiān)測，測斜管長20～25 m，管底以不小于旋噴樁及應力釋放孔深度為宜。高壓旋噴樁施工作業(yè)立面圖見圖5（b）。

圖5　高壓旋噴樁施工作業(yè)

4）高壓旋噴樁施工條件。線路限速60 km/h，并在封鎖天窗（23：00～次日4：00）內施工。當天梁體或承臺的糾偏量達4 mm時停止施工。

3.2.3高壓旋噴樁糾偏施工變形規(guī)律

1）高壓旋噴樁壓力與糾偏量的關系

由于缺少高壓旋噴樁壓力與樁基糾偏之間關系的經驗參考值，對375#～377#橋墩糾偏的噴射壓力從13 MPa開始試樁并逐浙增大壓力，得到高壓旋噴樁壓力與樁基糾偏量的關系。隨著壓力增加，糾偏量也相應增加，基本呈線性關系，見圖6。

圖6　高壓旋噴樁壓力與糾偏量的關系

2）糾偏量與承臺周邊條件的關系

高壓旋噴樁最初開始施工時，橋墩橫向位移量較小。原因是承臺面以下是6 m厚的黏土和粉質黏土，地層的土體強度高，高壓旋噴樁作用對其影響有限，特別是承臺另一側黏土和粉質黏土層不易壓縮變形，阻礙著承臺及樁基的變形。

在高壓旋噴樁的承臺對面一側開挖變形槽（深3 m，寬1.5 m，長9 m），既解除了承臺周邊黏土和粉質黏土土體對承臺及樁基變形的約束作用，又人為地造成承臺兩側土體偏壓狀態(tài)，有助于樁基和承臺糾偏。同時，在承臺和變形槽間設置應力釋放孔，由于軟土流動性，應力釋放孔經過一周時間會被淤滿，如施工期間在應力釋放孔內鉆孔取土以保證其有效性，也有助于樁基和承臺糾偏。實踐證明，解除承臺周圍土體約束是確保承臺及樁基橫移的基本條件。

3）糾偏過程中承臺和墩頂（梁）變形特點

376#和377#墩2015年7月14日在1個封鎖點施工中承臺和墩頂橫向位移變化曲線見圖7，在整個糾偏過程中墩臺和墩頂累計橫向位移變化曲線見圖8?？梢?，無論是單個還是整個施工過程中，承臺與墩頂變形趨勢基本一致，說明由于深達20 m的高壓旋噴樁的作用，使樁基、承臺和梁體同步產生了橫向位移。

高壓旋噴樁施工利用封鎖天窗時間（23：00～次日4：00）。施工期間的墩、梁的橫向位移呈線性增加，施工結束后，墩、梁橫向位移開始回彈，并逐漸趨于穩(wěn)定，回彈率約為40%。

4）高壓旋噴樁作用下的樁土位移特點

376#墩承臺兩側深層土層在高壓旋噴樁壓力作用下水平位移變形曲線見圖9。其中CX08號測斜管鄰近高壓旋噴樁，CX05號測斜管在承臺另一側?？梢姡和凰矫嫔贤馏w水平位移與高壓旋噴樁距離成反比，說明高壓旋噴樁噴射壓力和對土體作用隨著距離增大而衰減。376#墩樁基沿深度方向變形量介于CX08和CX05深測孔所測數值之間，可以推斷樁基撓曲變形基本得到糾正。

圖7　承臺及墩頂橫向位移變化曲線

圖8　承臺及墩頂累計橫向位移變化曲線

圖9　土層水平位移變形曲線

4　結論

1）在軟土地區(qū)的高速鐵路以橋梁方式通過時，應加強對周邊環(huán)境的監(jiān)控，防止非法堆載導致的單側偏壓引起橋墩樁基橫向位移。

2）對軟土地區(qū)的橋墩樁基利用高壓旋噴樁糾偏是可行的。糾偏過程中應根據軌道線形需要確定每個橋墩的糾偏量，確保軌道線形圓順。可以通過調整高壓旋噴樁作用壓力、深度和承臺約束條件控制每次糾偏量。

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Exploring on Rectification Technique for Pile Foundation of Simply-support Girder on Shanghai-Hangzhou Passenger Dedicated Railway

PAN Zhenhua
（Track Maintenance Division，Shanghai Railway Administration，Shanghai 200071，China）

Under the influence of external factors such as illegal stacking，the pile foundation of high speed railway in soft soil area occurred deflection，which induced pier foundation deviation then the track irregularity，and threatened the operation safety of trains.Several similar examples had occurred.T his paper took the pile foundation rectification engineering of Shanghai-Hangzhou passenger dedicated railwayas example todiscuss.T he reasons of pile foundation deviation were analyzed.T he comprehensive treat measurements were applied combing unloading of soil with high pressure jet grouting pile rectification，which corrected the pile foundation deviation and restored the track alignment.Besides，the relationships between unloading of soil and pile displacement in the opposite direction，and the relationships between jet grouting pressure and soil displacement and rectification quantity were researched.T hose provide

for similar pile foundation rectification engineering.

High speed railway；Simply supported beam；Pile foundation deviation；High pressure rotary jet grouting pile；Rectifying deviation；Unloading

U445.7+1

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.10

1003-1995（2016）09-0038-05

（責任審編李付軍）

2016-01-20；

2016-03-29

潘振華（1967—），男，高級工程師，碩士。