聯(lián)絡(luò)線施工對(duì)鄰近線路基擾動(dòng)影響

張 紅 秦文達(dá) 張海鳳 孫召伍 曹乾桂

(1 中鐵十局集團(tuán)有限公司， 濟(jì)南 250001；2 魯南高速鐵路有限公司， 濟(jì)南 250102)

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，鐵路線路越來越密集，新建線與既有線發(fā)生交叉、并行或引入的情況逐漸增多[1-5]。鄰近既有線的新建線路基施工會(huì)給既有線帶來附加荷載，導(dǎo)致既有線路路基變形，嚴(yán)重時(shí)劣化軌道工作性能。目前，針對(duì)新建線與既有線平行且相離的情況，部分學(xué)者已結(jié)合具體工程展開研究，如黃建陵等人[6]針對(duì)滬寧城際鐵路分析了新建線地基開挖對(duì)既有京滬鐵路路基邊坡穩(wěn)定性的影響；劉維正等人[7]對(duì)新建滬寧城際鐵路進(jìn)行原位監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明既有線路基受到新建線地基加固的擠土影響較小。相比新建線與既有線平行且相離的情況，新建線引入既有線的工程更加復(fù)雜。新建線引入既有線需拓寬既有線路基以實(shí)現(xiàn)接軌，既有線路基要承受附加荷載，易引發(fā)附加沉降。張萬濤等人[8]針對(duì)石濟(jì)客運(yùn)專線引入既有京滬高速鐵路德州東站并站工程，探討了地基加固和路基填筑對(duì)既有線路基變形的影響；李井元等人[9]采用數(shù)值模擬方法對(duì)魯南高速鐵路引入京滬高速鐵路曲阜東站接軌段路基的臨界距離、路基填料、地基處理及施工安全等展開分析，獲得了重要研究成果。然而，目前有關(guān)新建線引入既有線的研究仍然較少，針對(duì)該問題的研究仍不深入，隨著類似工程的逐漸增多，鄰近既有線的新建線施工擾動(dòng)問題將愈加凸顯。

鑒于此，本文依托魯南高速鐵路曲阜東站新建聯(lián)絡(luò)線接軌段路基工程，開展不同樁型群樁試樁試驗(yàn)，研究群樁成樁對(duì)鄰近場地?cái)D土變形影響，同時(shí)對(duì)比不同樁型成樁工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而為聯(lián)絡(luò)線地基加固方案提供設(shè)計(jì)依據(jù)。再結(jié)合接軌段路基變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究聯(lián)絡(luò)線地基加固及路基填筑對(duì)既有路基的擾動(dòng)變形影響。

圖1 曲阜東站平面布置圖

1 工程背景

魯南高速鐵路是中國首例在既有線正常行車情況下進(jìn)行聯(lián)絡(luò)線路基施工的線路[10]。新建魯南高速鐵路以在曲阜東站并站的方式引入既有京滬高速鐵路，分別通過高速鐵路上、下聯(lián)絡(luò)線與既有京滬高速鐵路兩側(cè)股道進(jìn)行接軌，如圖1所示。為滿足路基接軌要求，既有京滬高速鐵路兩側(cè)需進(jìn)行幫填拓寬。然而，幫填拓寬區(qū)域地基加固引發(fā)的擠土效應(yīng)以及路基填筑施工所增加的附加荷載都將對(duì)既有地基及路堤產(chǎn)生不利影響。因而選擇合理的地基加固方式以及路基填筑材料對(duì)控制聯(lián)絡(luò)線施工對(duì)既有路基影響至關(guān)重要。

2 聯(lián)絡(luò)線地基加固對(duì)鄰近路基變形影響

2.1 群樁施工試樁試驗(yàn)

為進(jìn)一步確定合理的地基加固樁型以及有效的防控?cái)D土變形措施，在聯(lián)絡(luò)線施工以前，選取預(yù)應(yīng)力管樁(下稱“管樁”)、微型注漿鋼管樁(下稱“微型樁”)及全套管全回轉(zhuǎn)鉆孔灌注樁(下稱“灌注樁”)開展了大面積群樁成樁工藝及擠土變形試樁試驗(yàn)[11]，試樁試驗(yàn)區(qū)位置，如圖1所示。本文對(duì)3種樁型成樁擠土效應(yīng)以及成樁工藝進(jìn)行對(duì)比，并以此說明接軌段路基地基加固采用灌注樁的設(shè)計(jì)依據(jù)。

在相同加固范圍條件下，管樁與微型樁、灌注樁在成樁完成后，距試驗(yàn)區(qū)1 m測孔的深層土體橫向水平位移對(duì)比結(jié)果如圖2所示。值得說明的是，由于各樁型的樁徑及樁間距不同，本文采用相近加固范圍成樁所引起的擠土位移進(jìn)行近似對(duì)比，即認(rèn)為8排微型樁的加固寬度(寬度約為4.5 m)近似等于3排管樁的加固寬度(寬度約為5.0 m)，5排微型樁+2排管樁的加固寬度(寬度約為7.0 m)等于5排微型樁+1排灌注樁的加固寬度(寬度約為6.5 m)。相同加固范圍條件下各樁型引發(fā)的最大橫向水平位移值如表1所示。

表1 最大橫向水平位移對(duì)比表

從圖2和表1可以看出，3排管樁壓樁引起距試驗(yàn)區(qū)1m測孔的最大橫向水平位移量約為8排微型樁引起的4倍，并且方向一致。5排微型樁+2排管樁引起距試驗(yàn)區(qū)1 m測孔的最大橫向水平位移量約為5排微型樁+1排灌注樁引起的3倍。但微型樁+灌注樁成樁引起的土體位移方向與微型樁+管樁引起的不一致。微型樁+灌注樁成樁引起的土體位移方向向灌注樁鉆孔的孔內(nèi)方向發(fā)展，其主要原因在于灌注樁施工過程中，鉆孔施工完畢后遭遇小雨，導(dǎo)致混凝土灌注施工暫停，因而引發(fā)了一定程度的縮孔現(xiàn)象，使得土體水平位移向孔內(nèi)發(fā)展，但位移量很小。

圖2 距試驗(yàn)區(qū)1 m測孔的橫向水平位移對(duì)比圖

整體上，管樁成樁引發(fā)的擠土變形要顯著大于微型樁和灌注樁成樁引發(fā)的土體擾動(dòng)變形。

3種樁型的成樁工藝及其成樁設(shè)備如圖3所示。管樁采用山河智能ZYJ680液壓靜力壓樁機(jī)進(jìn)行靜壓施工，靜壓前采用KLL20-600長螺旋鉆機(jī)進(jìn)行預(yù)引孔施工，鉆機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)可高達(dá)26.5 m，對(duì)于鄰近京滬鐵路運(yùn)營存在潛在施工風(fēng)險(xiǎn)。微型樁采用XY-2型微型樁機(jī)進(jìn)行施工，因樁數(shù)較多，需多組微型樁機(jī)同時(shí)施工，易造成施工場面混亂，不易管理，且微型樁質(zhì)量不易控制。灌注樁樁徑較大，所需數(shù)量相對(duì)較少，采用XRT2000全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配合神鋼7080GS履帶吊等器械進(jìn)行施工。XRT2000全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)最大高度4.02 m，神鋼7080GS履帶吊工作狀態(tài)最大高度小于10.0 m，相較管樁施工來說，對(duì)鄰近線安全可能引發(fā)的施工風(fēng)險(xiǎn)要小很多。

圖3 各樁型成樁工藝及施工設(shè)備圖

從擠土變形量、施工機(jī)械作業(yè)空間及鄰近既有線作業(yè)安全等因素綜合考慮，灌注樁要優(yōu)于管樁和微型樁。

2.2 接軌段路基地基加固對(duì)既有路基變形影響

2.2.1接軌段路基樁位分布及測點(diǎn)布置

基于以上試樁成果，新建聯(lián)絡(luò)線地基最終采用鉆孔灌注樁進(jìn)行地基加固。為盡可能地降低路基填筑引發(fā)的附加沉降以及工后累積沉降，在灌注樁樁頂以上鋪設(shè)鋼筋混凝土承臺(tái)板對(duì)上部路基填料進(jìn)行支撐。鋼筋混凝土承臺(tái)板厚0.8 m，埋入原地面以下0.3 m，與樁頂剛性連接(樁主筋全部錨入承臺(tái)板)，承臺(tái)板底設(shè)0.05 m厚C25混凝土墊層。

魯南高速鐵路引入京滬高速鐵路接軌段聯(lián)絡(luò)線地基加固的樁位布置及監(jiān)測測點(diǎn)分布如圖4所示。聯(lián)絡(luò)線接軌段共分布有7個(gè)水平位移計(jì)測孔，對(duì)應(yīng)編號(hào)H1～H7，布置于既有路基坡腳位置，與鉆孔灌注樁樁心最近距離約為1.2 m。

2.2.2既有路基坡腳水平變形

典型測孔的橫向水平位移分布如圖5所示，其他測孔分布規(guī)律類似，并且位移量比列出測孔要小，在此不再贅述。圖中橫向水平位移為垂直既有線路方向的水平位移，其中正值代表朝向既有路基邊坡坡外，負(fù)值代表朝向坡內(nèi)。

圖4 樁位分布及測點(diǎn)布置圖

圖5 典型測點(diǎn)橫向位移分布

從圖5中可以看出，灌注樁施工完成時(shí)，H2測孔位移量最大，主要原因?yàn)椋篐2測孔比H3測孔離樁位更近，比H1測孔鄰近成樁數(shù)量更多。值得注意的是，各測點(diǎn)橫向水平位移都朝向坡外，且位移分布主要集中在地下埋深0～8.0 m之間，其原因可能是鉆孔灌注樁施工完成后發(fā)生了一定縮孔，在鄰近既有京滬路基荷載的側(cè)向壓力影響下，縮孔現(xiàn)象加重，導(dǎo)致坡腳位移向孔內(nèi)發(fā)生一定位移，但位移量不大。因此，鉆孔灌注樁施工鄰近既有線時(shí)，鉆孔施工完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行灌注，以控制縮孔位移的繼續(xù)發(fā)展。

整體上，各測孔橫向水平位移均不大，最大位移量在H2測孔埋深1 m位置處，為2.38 mm，表明聯(lián)絡(luò)線采用灌注樁進(jìn)行地基加固對(duì)既有路基擾動(dòng)影響微弱。

3 聯(lián)絡(luò)線路基填筑對(duì)鄰近路基變形影響

高速鐵路無砟軌道路基對(duì)變形控制極為嚴(yán)格，聯(lián)絡(luò)線路基填筑所施加的附加荷載可能引發(fā)既有路基產(chǎn)生較大附加沉降。為盡可能減小聯(lián)絡(luò)線路基填料施加在既有路基上的附加荷載，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果并借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)，最終選擇輕質(zhì)混凝土作為既有京滬鐵路拓寬聯(lián)絡(luò)線路基的主體填料。采用的輕質(zhì)混凝土濕密度為650～850 kg/m3，幫填路基表層為0.6 m厚級(jí)配碎石摻5%水泥，表層下方為0.6 m厚高強(qiáng)度加筋輕質(zhì)混凝土層，其下澆筑普通輕質(zhì)混凝土。結(jié)合既有路基沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文對(duì)輕質(zhì)混凝土在聯(lián)絡(luò)線路基填筑中的適用性展開分析與評(píng)價(jià)。

3.1 沉降變形監(jiān)測測點(diǎn)布置

接軌段既有路基是沉降變形觀測的重點(diǎn)部位。采用測點(diǎn)物位計(jì)，結(jié)合水平基準(zhǔn)點(diǎn)物位計(jì)建立沉降變形監(jiān)測點(diǎn)，通過傳輸總線傳輸至數(shù)據(jù)平臺(tái)中心，建立沉降變形實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)。在接軌段內(nèi)I股道和II股道沿線路方向每隔約20 m布設(shè)1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(如圖6(a)所示)，監(jiān)測點(diǎn)固定在無砟軌道底座板外側(cè)側(cè)面(如圖6(b)所示)，沿平行于線路方向布設(shè)監(jiān)測線。

圖6 接軌段既有路基沉降變形測點(diǎn)布置示意圖

3.2 既有路基沉降變形分布

接軌段既有路基沿線沉降變形分布如圖7所示。

圖7 接軌段既有路基沉降變形分布圖

由圖7可知，聯(lián)絡(luò)線路基填筑完成后，接軌段路基在里程K 536+700～K 537+020內(nèi)均發(fā)生了明顯的沉降變形，其中在里程K 536+700～K 536+879之間，Ⅱ股道沉降變形整體大于Ⅰ股道，主要原因在于：該里程段內(nèi)高速鐵路上行聯(lián)絡(luò)線填筑輕質(zhì)混凝土體積量明顯大于下行聯(lián)絡(luò)線，而從K 536+879斷面往大里程方向，高速鐵路上行聯(lián)絡(luò)線逐漸遠(yuǎn)離Ⅱ股道，同時(shí)下行聯(lián)絡(luò)線填筑量逐漸增加。

I股道最大沉降變形量發(fā)生在斷面K 536+960上，為3.2 mm；Ⅱ股道最大沉降變形量發(fā)生在斷面K 536+800斷面上，為4.7 mm。李井元等人采用數(shù)值模擬方法，開展了不同填料引起的京滬高速鐵路路基面附加沉降影響研究，計(jì)算得到Ⅰ股道路肩沉降量為0.52 mm、Ⅱ股道路基沉降量為0.77 mm。相比本文的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算值要小得多，其原因一方面在于本文測點(diǎn)位置位于京滬路基軌道底座板兩側(cè)，與數(shù)值計(jì)算測點(diǎn)位置有所差異；另一方面在于實(shí)際工程中，各種器械施工都會(huì)對(duì)既有京滬路基產(chǎn)生一定的擾動(dòng)影響，而數(shù)值計(jì)算中并未體現(xiàn)此種影響。

TG/GW 115-2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試驗(yàn))》[12]中規(guī)定：經(jīng)常保養(yǎng)時(shí)，軌道靜態(tài)高低容許偏差管理值為4.0 mm，該值為10 m弦測量所得值。Ⅰ股道和Ⅱ股道相鄰沉降變形測點(diǎn)都在20 m左右，相鄰測點(diǎn)高低偏差最大約為3.9 mm。由此可見，Ⅰ股道和Ⅱ股道保養(yǎng)時(shí)，軌道靜態(tài)高低容許偏差都要小于4.0 mm，滿足規(guī)范要求。因此將輕質(zhì)混凝土用于聯(lián)絡(luò)線路基填筑，路基幫填對(duì)既有京滬線正常運(yùn)營的擾動(dòng)影響很小。

典型測點(diǎn)沉降變形的時(shí)程曲線如圖8所示。

圖8 Ⅰ股道K 536+960測點(diǎn)圖

由圖8可知，在輕質(zhì)混凝土施工期間，沉降變形呈線性增長，輕質(zhì)混凝土施工完畢后的路基其他施工繼續(xù)引發(fā)了測點(diǎn)的沉降變形，并約占總沉降量的1/3。表明輕質(zhì)混凝土填筑完成后，其他施工階段仍能引發(fā)路基發(fā)生較大沉降變形，應(yīng)對(duì)后期施工階段(如軌道安裝等)，繼續(xù)加強(qiáng)自動(dòng)化監(jiān)控，并建立預(yù)警機(jī)制。

4 結(jié)論

本文針對(duì)聯(lián)絡(luò)線施工對(duì)鄰近線路基的擾動(dòng)變形問題，開展了不同樁型群樁施工試驗(yàn)，并結(jié)合魯南高速鐵路引入京滬高速鐵路聯(lián)絡(luò)線路基施工的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了聯(lián)絡(luò)線地基加固及路基填筑對(duì)既有線路基的擾動(dòng)變形影響，得到以下結(jié)論：

(1)從擠土擾動(dòng)變形影響、施工機(jī)械作業(yè)空間及鄰近既有線作業(yè)安全等因素綜合考慮，聯(lián)絡(luò)線地基加固全套管鉆孔灌注樁要優(yōu)于預(yù)應(yīng)力管樁和微型注漿鋼管樁。

(2)魯南高速鐵路曲阜東站聯(lián)絡(luò)線地基采用灌注樁+鋼筋混凝土承臺(tái)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固對(duì)既有路基擾動(dòng)影響微弱，既有路基坡腳最大位移量為2.38 mm，表明灌注樁+鋼筋混凝土承臺(tái)板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的。受鄰近既有路基荷載的附加側(cè)向壓力作用，灌注樁成樁過程中，路基坡腳位移朝向坡外發(fā)展，鉆孔完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行混凝土灌注，以防止位移持續(xù)發(fā)展。

(3)將輕質(zhì)混凝土用作魯南曲阜東站聯(lián)絡(luò)線路基材料進(jìn)行填筑施工，既有線接軌段沿線沉降變形不大，滿足《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試驗(yàn))》要求，表明路基幫填對(duì)既有京滬高速鐵路正常運(yùn)營的擾動(dòng)影響很小。但填筑完成后的其他施工階段有可能導(dǎo)致沉降變形較大增長，因此應(yīng)對(duì)后期施工階段繼續(xù)加強(qiáng)自動(dòng)化監(jiān)控并建立聯(lián)動(dòng)預(yù)警機(jī)制。