寶蘭客運(yùn)專線車站路基六線淺埋式樁板結(jié)構(gòu)研究

張 然

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

樁板結(jié)構(gòu)路基是在一些地質(zhì)條件較差或特殊地質(zhì)條件下修建高標(biāo)準(zhǔn)鐵路而出現(xiàn)的一種新型復(fù)合路基［1］。樁板結(jié)構(gòu)主要是由鋼筋混凝土承載板、鋼筋混凝土樁基、托梁、樁間土等組成，在滿足總沉降變形要求的同時(shí)，可有效控制路基沉降變形和縱向路基的不均勻沉降差。

區(qū)間雙線路基已經(jīng)普遍采用淺埋式樁板結(jié)構(gòu)，車站內(nèi)正線及相鄰到發(fā)線四線采用樁板結(jié)構(gòu)尚不多見(jiàn)，六線淺埋式樁板結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用極為罕見(jiàn)。

寶蘭客運(yùn)專線天水南站內(nèi)淺埋式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)板頂位于基床表層底面以下1.8 m；結(jié)構(gòu)橫向?yàn)檎w1塊板，六線樁板結(jié)構(gòu)最寬處為32.3 m；結(jié)構(gòu)縱向除旅客通道、大跨度箱形橋外，其余每200 m 設(shè)置1 道伸縮縫，并在樁板結(jié)構(gòu)端部與相鄰結(jié)構(gòu)物搭接處，通過(guò)調(diào)整跨度和懸臂段長(zhǎng)度、改變涵洞基礎(chǔ)形式、設(shè)置牛腿等方式，使樁板結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)物進(jìn)行平順連接、過(guò)渡。

對(duì)于站內(nèi)路基填挖頻繁交錯(cuò)，填方高度過(guò)高，多股道鋪設(shè)無(wú)砟軌道，過(guò)渡段頻繁設(shè)置，尤其在深厚層濕陷性黃土路基沉降難以控制地區(qū)，采用該結(jié)構(gòu)形式具有有效控制沉降、方便施工、縮短工期等優(yōu)勢(shì)。

1 車站概況

天水南站位于甘肅省天水市渭河南岸農(nóng)田果園區(qū)，地貌屬黃土梁前緣的二級(jí)階地，地形起伏變化較大，相對(duì)高差約45 m。線路以填挖相間形式通過(guò)，中心最大填方高度12 m，最大挖方高度18 m。天水南站為寶蘭客運(yùn)專線的重要中間站，車站設(shè)正線2條、到發(fā)線5 條、安全線及大型停留線5 條，其中正線及相鄰到發(fā)線鋪設(shè)無(wú)砟軌道。車站范圍內(nèi)有2 座橋梁、3 座涵洞、2 座地道，小里程端接花牛村特大橋，大里程端接渭河隧道。

地層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土、沖積黏質(zhì)黃土、粗圓礫土，第三系泥巖。其中第四系風(fēng)積黏質(zhì)黃土最大厚度52 m，平均含水率15.5%，平均干密度1.41 g/cm3，平均孔隙比0.83，孔隙、蟲(chóng)孔、垂直節(jié)理發(fā)育，自重濕陷量約1074.4 mm，總濕陷量約1736.5 mm，屬Ⅳ級(jí)濕陷性黃土，濕陷土層厚度30.3～40.8 m。地下水水位埋深大于40 m，具硫酸鹽、氯鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)分別為H1，L1，對(duì)混凝土無(wú)侵蝕性。

2 地基處理方案研究

2.1 地基處理難點(diǎn)

客運(yùn)專線規(guī)范要求通過(guò)濕陷性黃土地段的路基必須消除黃土的全部濕陷性或穿透濕陷性黃土地層。在站內(nèi)正線、相鄰到發(fā)線及道岔過(guò)渡區(qū)（六線）鋪設(shè)無(wú)砟軌道地段，常規(guī)的復(fù)合地基措施難以達(dá)到深度要求。

無(wú)砟軌道對(duì)路基工后沉降差異［2］要求非常嚴(yán)格。橋梁、隧道、涵洞、地道及路基工程結(jié)構(gòu)物軌下基礎(chǔ)的差異決定了軌道剛度和變形在線路縱向變化得不均勻，采用復(fù)合地基處理較為復(fù)雜［3］，難以滿足技術(shù)要求。

車站內(nèi)路基填挖頻繁交錯(cuò)、股道多、橫向?qū)挾却?，設(shè)橋不僅投資巨大，而且困難較大。

2.2 方案研究

鋪設(shè)有砟軌道區(qū)段的站內(nèi)牽出線、工區(qū)線路、到發(fā)線等根據(jù)填挖方高度、沉降要求，采用挖除換填、灰土擠密樁、柱錘沖擴(kuò)樁、長(zhǎng)短樁（CFG+擠密樁）常規(guī)措施進(jìn)行處理，并通過(guò)加強(qiáng)防排水，措施安全、經(jīng)濟(jì)、可靠。

鋪設(shè)無(wú)砟軌道區(qū)段的正線及相鄰到發(fā)線，設(shè)計(jì)前期對(duì)地基處理方案進(jìn)行了詳細(xì)的研究。經(jīng)沉降檢算，填方及淺挖地段若采用復(fù)合地基（預(yù)鉆孔柱錘沖擴(kuò)樁、長(zhǎng)短樁），工后沉降無(wú)法滿足TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)無(wú)砟軌道的要求，故設(shè)計(jì)采用樁板結(jié)構(gòu)方案；深挖方地段由于濕陷性黃土挖出一部分，采用長(zhǎng)短樁復(fù)合地基能滿足無(wú)砟軌道工后沉降要求，短樁采用20 m 預(yù)鉆孔柱錘沖擴(kuò)樁消除黃土的濕陷性，長(zhǎng)樁采用30 m CFG 樁提高地基承載力，控制路基工后沉降。并對(duì)線路中心挖方10 m 地段采用長(zhǎng)短樁復(fù)合地基與采用樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較，見(jiàn)表1?？芍涸跐M足工后沉降的要求下，挖方地段樁長(zhǎng)56 m的四線樁板結(jié)構(gòu)，工程造價(jià)比復(fù)合地基僅高10%，然而卻徹底解決了本站的填挖頻繁過(guò)渡產(chǎn)生的不均勻沉降及道岔區(qū)沉降關(guān)鍵技術(shù)難題。

表1 長(zhǎng)短樁與樁板結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)比較

最終天水南站無(wú)砟軌道地段全部采用樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，處理效果如圖1所示。

圖1 淺埋式樁板結(jié)構(gòu)處理效果

3 樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

樁板結(jié)構(gòu)為多次超靜定結(jié)構(gòu)，按平面簡(jiǎn)化法將樁板結(jié)構(gòu)縱、橫向分別簡(jiǎn)化為平面桁架結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的柔度法（力法）對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解計(jì)算，即將樁板的各跨度中央切開(kāi)，使之成為靜定基本體系，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理，計(jì)算任意截面的彎矩、剪力以及每一根樁頂?shù)妮S力、垂直軸方向的剪力和彎矩［4］。由于在實(shí)際工程計(jì)算應(yīng)用中對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解比較復(fù)雜且繁瑣，樁板結(jié)構(gòu)檢算過(guò)程中采用了有限元軟件MIDAS 分別建立橫向和縱向的二維結(jié)構(gòu)模型［5］，對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解。

通過(guò)計(jì)算，板厚度0.7 m、寬度32.3 m、樁徑1 m能滿足頂板上部荷載要求，樁和板的裂縫寬度計(jì)算值小于0.25 mm。

3.2 樁長(zhǎng)計(jì)算

樁板結(jié)構(gòu)樁承受的荷載主要有固定恒載、軌道豎向列車荷載、離心力、沖擊力，以及在施工使用期限內(nèi)偶然荷載的作用，經(jīng)對(duì)幾種不利組合情況計(jì)算，單樁的最大豎向軸力為2 548 kN，通過(guò)反算可確定樁長(zhǎng)。

3.2.1 鉆孔灌注樁的容許承載力

天水南站板樁結(jié)構(gòu)樁基按照摩擦樁設(shè)計(jì)，成樁工藝采用鉆孔灌注樁，樁的容許承載力［P］按下式計(jì)算。

式中：U為樁身截面周長(zhǎng)，m；fi為各土層的極限摩阻力；li為各土層的厚度；m0為樁底支撐力折減系數(shù)，一般取 0.4；A為樁底支撐面積，按設(shè)計(jì)樁徑計(jì)算；[σ]為樁底地基土的容許承載力；Q為負(fù)摩阻力。

3.2.2 負(fù)摩阻力

按照群樁效應(yīng)的基樁下拉荷載公式進(jìn)行計(jì)算，即

式中：μ為樁身周長(zhǎng)為中性點(diǎn)以上第i層的負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；n為中性點(diǎn)以上的層數(shù)；li為中性點(diǎn)以上第i層的厚度；ηn為負(fù)摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)，ηn=其中Sx，Sy分別為縱、橫向樁的中心距，d為樁直徑為中性點(diǎn)以上樁周土厚度加權(quán)平均負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，rm為中性點(diǎn)以上樁周土層厚度加權(quán)平均重度。

根據(jù)以上公式對(duì)負(fù)摩阻力的有關(guān)數(shù)值進(jìn)行了分析，天水南站平均負(fù)摩阻力取532 kN。

3.2.3 設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)

設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)等于板下部填土高度、負(fù)摩阻力計(jì)算深度及正摩阻力深度范圍內(nèi)的樁長(zhǎng)之和。

3.2.4 計(jì)算結(jié)果

依據(jù)以上公式計(jì)算得出最大單樁軸向承載力為3 080 kN，反算出六線樁板結(jié)構(gòu)（如圖2所示）［7］樁長(zhǎng)為56 m。

圖2 六線樁板結(jié)構(gòu)橫斷面布置示意

3.3 沉降計(jì)算

多線樁板結(jié)構(gòu)沉降按群樁進(jìn)行計(jì)算，為各單樁獨(dú)立計(jì)算的沉降平均值與群樁底平面以下一定深度內(nèi)地基的壓縮變形之和。

為減小樁板結(jié)構(gòu)端部與橋梁間的沉降差異，將端跨長(zhǎng)度調(diào)整為4 m，并于橋臺(tái)設(shè)置牛腿進(jìn)行搭接。沉降計(jì)算結(jié)果表明，地基采用淺埋式樁板結(jié)構(gòu)處理，路基工后最大沉降小于10 mm，控制沉降效果顯著，滿足規(guī)范要求，與相連橋臺(tái)的沉降差異值最大為3.4 mm，小于5 mm，能有效地減少結(jié)構(gòu)物之間的工后沉降差異，沉降計(jì)算值見(jiàn)表2。可知，淺埋式樁板結(jié)構(gòu)在滿足路基工程工后沉降控制要求的同時(shí)，更能發(fā)揮控制相鄰結(jié)構(gòu)物軌下基礎(chǔ)沉降差異的性能，是加固深厚層軟土、濕陷性黃土以及頻繁過(guò)渡段路基的有效方法。

表2 沉降計(jì)算值

4 樁板結(jié)構(gòu)施工

地表處理后施工土擠密樁，地基檢測(cè)（消除黃土濕陷及復(fù)合地基承載力）合格后，對(duì)路基本體進(jìn)行分層填筑，路基本體填筑至樁板結(jié)構(gòu)板底高程時(shí)進(jìn)行樁板結(jié)構(gòu)施工［8］。由于鉆孔樁施工對(duì)路基面破壞較大，故將路基面高程高出設(shè)計(jì)值10 cm，施工樁板結(jié)構(gòu)時(shí)將多余部分清除，施工墊層，確保板下填土密實(shí)。樁板結(jié)構(gòu)施工主要分3階段進(jìn)行，鉆孔樁施工階段、板施工階段及板合龍施工階段。施工工藝流程見(jiàn)圖3。

5 樁板結(jié)構(gòu)處理效果

施工中對(duì)樁板結(jié)構(gòu)在承臺(tái)板施工結(jié)束后，混凝土達(dá)到初凝開(kāi)始進(jìn)行沉降觀測(cè)［9］。在路基改良土填筑、級(jí)配碎石填筑、軌道鋪設(shè)等工序開(kāi)始階段，沉降速率都比較大；隨著施工的進(jìn)行，由于外荷載的增加，承臺(tái)板的總沉降也在增加，沉降速率較之前趨于平緩。2017年8月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)異常，本段線路狀況良好，軌道平順。

圖3 施工工藝流程

DK767+886 斷面沉降時(shí)程曲線見(jiàn)圖4?？芍?，DK767+886 斷面承臺(tái)板中心沉降為4.53 mm，低于設(shè)計(jì)值，表明樁板結(jié)構(gòu)可以有效地控制路基的沉降，滿足高速鐵路路基設(shè)計(jì)要求。

圖4 DK767+886斷面沉降時(shí)程曲線

6 結(jié)論及建議

1）淺埋式樁板結(jié)構(gòu)是加固深厚層軟土、濕陷性黃土、頻繁過(guò)渡段路基的有效方法，不僅能滿足路基工程工后沉降控制要求，而且能更好地控制相鄰結(jié)構(gòu)物軌下基礎(chǔ)沉降差異。

2）天水南站六線樁板結(jié)構(gòu)在沉降控制、方便施工、經(jīng)濟(jì)技術(shù)等方面具有很大優(yōu)勢(shì)，值得在西北其他鐵路建設(shè)中推廣應(yīng)用。

3）樁身穿越深厚層自重濕陷性黃土層時(shí)，建議采取必要措施消除淺層黃土的濕陷性，降低樁身負(fù)摩阻力，從而達(dá)到減少樁長(zhǎng)、降低施工難度、節(jié)約投資的目的。