高速鐵路利用停建路堤改造加固措施研究

周先才 錢國(guó)玉

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

集(寧)包(頭)第二雙線為新建時(shí)速200 km的客貨共線鐵路，為統(tǒng)籌呼和浩特東站地區(qū)的鐵路規(guī)劃，需對(duì)引入呼和浩特東站的在建集包第二雙線鐵路線位進(jìn)行調(diào)整，在白塔站以東提前接入既有京包鐵路，張家口至呼和浩特高速鐵路在進(jìn)入呼和浩特東站地區(qū)時(shí)，需利用集包第二雙線停建的路堤線位，見(jiàn)圖1。

圖1 張呼客專利用集包第二雙線部分已填路堤區(qū)段平面

該段路堤大部分已填筑3～4 m，最高達(dá)4.6 m，僅剩余橋路、涵路過(guò)渡段缺口未填筑。張呼高速鐵路正式開(kāi)工時(shí)，該段路堤已停放2年以上，計(jì)算填高為5.0～7.0 m。一般情況下，沖擊碾壓、強(qiáng)夯既適用于地基淺層處理[1-5]，也是路基填筑補(bǔ)強(qiáng)主要措施[6-9]。高速鐵路建設(shè)中，若需利用既有路堤，當(dāng)基床部分填料不合格時(shí)，則需挖除重新填筑。對(duì)于基床以下部分，若壓實(shí)度不滿足要求但沉降滿足要求，可采用沖擊碾壓、強(qiáng)夯、注漿等處理措施；若壓實(shí)度、沉降均不滿足要求，則應(yīng)挖除既有路堤并進(jìn)行地基處理后重新填筑，或采用樁板結(jié)構(gòu)處理[10]。以下基于實(shí)際工程，對(duì)停建路堤的改造加固措施進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

2 停建路堤的工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位于山前沖洪積緩坡區(qū)，地勢(shì)起伏不大，線路兩側(cè)多為耕地。地層從上至下依次為：①粉土(Q4al+pl)，淺黃色，稍密，稍濕，厚1.50～6.50 m，σ0=100 kPa；②粉土(Q4al+pl)，淺黃色，中密，稍濕，厚0.60～22.90 m，σ0=160 kPa；③粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)，淺黃色，硬塑，厚1.90～12.20 m，σ0=150 kPa；④中砂、礫砂(Q4al+pl)，黃褐色，稍密-中密，稍濕-潮濕，厚3.4～11.0 m；下部為厚層細(xì)圓礫土、粗圓礫土、卵石土層。代表性橫斷面及地基地層見(jiàn)圖2。

地表水、地下水均不發(fā)育，地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，最大土壤標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為1.43 m。

圖2 代表性橫斷面

3 停建路堤的填料檢測(cè)分析

對(duì)于該段停建的路堤，分段共開(kāi)挖了12個(gè)探槽剖面進(jìn)行填料檢測(cè)(見(jiàn)圖3)，其目的為量測(cè)分層厚度、土性鑒定、K30質(zhì)量檢測(cè)和取樣化驗(yàn)分析等[11]。經(jīng)土質(zhì)化驗(yàn)分析，填料主要為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、粗細(xì)圓礫土、粗細(xì)角礫土等，其中，粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂為C類，其余為B類[12]，填料類別見(jiàn)表1。填料沿深度、縱向分布不均勻，按照填料類別厚度計(jì)算，B組填料約占40%，C組填料約占60%。填料性質(zhì)滿足《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》基床以下路堤的要求，但C組粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂不滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》基床以下路堤的要求[13-15]。

圖3 探槽剖面K30試驗(yàn)檢測(cè)

對(duì)DK272+050、DK273+027、DK273+290、DK273+310、DK273+330、DK273+377斷面開(kāi)挖探槽進(jìn)行路基質(zhì)量K30檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)檢測(cè)資料，停建路堤填料多為B組、C組，且分布不均勻。高速鐵路要求基床底層采用A、B組填料或改良土，基床以下路堤采用A、B組填料和C組碎石、礫石類填料或改良土，停建路堤填料不滿足高速鐵路基床底層的填料要求，特別是停建路堤放置多年后，表層氣候影響深度內(nèi)土質(zhì)疏松，需進(jìn)行加固處理。

表1 停建路堤基床以下路堤填料性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

表2 停建路堤不同部位K30檢測(cè)結(jié)果

4 停建路堤的工后沉降分析

本段為速度250 km/h有砟軌道路基一般地段，工后沉降要求≤10 cm。對(duì)該段路基進(jìn)行工后沉降計(jì)算分析，挖除已填筑土地基不加固時(shí)，工后沉降為14.88～19.87 cm；挖除已填筑土地基采用CFG樁或旋噴樁加固后，工后沉降為6.01～10.29 cm；采用“沖擊碾壓+3 m高堆載預(yù)壓”后，工后沉降為2.10～6.03 cm；采用“強(qiáng)夯+3 m高堆載預(yù)壓”后，工后沉降為1.60～5.56 cm。從沉降方面考慮，3種處理措施沉降均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 停建路堤改造加固措施研究

結(jié)合該段路堤分段建設(shè)情況，對(duì)停建路堤高度小于1.5 m、新建橋涵過(guò)渡段采用“CFG樁+3 m高堆載預(yù)壓”處理，工后沉降可以滿足要求。故重點(diǎn)對(duì)停建路堤高度大于1.5 m的一般地段加固處理措施進(jìn)行研究。

5.1 廢棄重建

將停建路堤徹底挖除，對(duì)地基進(jìn)行CFG樁加固處理，再按新線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行填筑壓實(shí)。該方案施工工序復(fù)雜，需設(shè)置臨時(shí)棄土場(chǎng)，且地基加固費(fèi)用較高。

5.2 沖擊碾壓加固

對(duì)路堤高度大于1.5 m段研究采用“沖擊碾壓+3 m高堆載預(yù)壓”處理，其工后沉降可滿足設(shè)計(jì)要求。選取DK273+277～DK273+377段進(jìn)行沖擊碾壓試驗(yàn)，沖擊壓實(shí)機(jī)械采用6830式，沖擊力大于2 500 kN，靜態(tài)能量為30 kJ，碾壓速度為10～12 km/h，共計(jì)沖擊碾壓26遍(見(jiàn)圖4)。碾壓后，將場(chǎng)地整平，分別在DK273+290、DK273+330、DK273+370三個(gè)斷面左側(cè)和中部進(jìn)行K30試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 試驗(yàn)段沖擊碾壓施工

表3 停建路堤沖擊碾壓后不同部位K30檢測(cè)結(jié)果

施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)沖擊碾壓的有效壓實(shí)厚度最大值為1.5 m，故采用沖擊碾壓加固時(shí)填筑壓實(shí)質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)需要的效果。

5.3 低能量強(qiáng)夯加固試驗(yàn)研究

普通強(qiáng)夯夯擊能大、破壞力強(qiáng)，會(huì)對(duì)路堤的穩(wěn)定和不均勻性造成嚴(yán)重影響，而且對(duì)臨近建筑影響較大。

低能量強(qiáng)夯采用降低單擊夯擊能量，以減少其破壞性，既滿足加固要求，又可有效減少對(duì)既有路堤的破壞，不造成后期的次生病害。對(duì)停建路堤高度大于1.5 m段，采用“低能量強(qiáng)夯+3 m高堆載預(yù)壓”處理，其工后沉降可滿足設(shè)計(jì)要求。

選取DK272+950～DK273+150段進(jìn)行低能量強(qiáng)夯試驗(yàn)(單擊夯擊能為3 000 kN·m)，夯點(diǎn)間距為3.5 m，正方形布置，最小夯擊遍數(shù)不少于6，靠近邊坡處單擊夯擊能降為2 000 kN·m；最后再進(jìn)行全斷面滿夯1遍，夯擊能為1 000 kN·m(見(jiàn)圖5)。

圖5 試驗(yàn)段強(qiáng)夯施工

低能量強(qiáng)夯后，對(duì)路堤進(jìn)行動(dòng)力觸探、載荷試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)等檢測(cè)，要求強(qiáng)夯面以下6 m深度范圍內(nèi)填料或地基基本承載力≥150 kPa。強(qiáng)夯后動(dòng)力觸探檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 動(dòng)力觸探檢測(cè)結(jié)果

分別在DK272+950中心線左側(cè)2.5 m、DK273+000中心線左側(cè)0.8 m、DK273+050中心線右側(cè)5.0 m處進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)，地基承載力特征值分別為185，188，192 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.4 加固措施比選

對(duì)停建路堤高度大于1.5 m段，研究廢棄重建、沖擊碾壓、低能量強(qiáng)夯加固3種處理方案，技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選分析見(jiàn)表5。

表5 加固措施方案綜合比選分析

經(jīng)綜合分析研究，廢棄重建方案存在廢棄土方，地基處理加固費(fèi)用也較高，故予以放棄；沖擊碾壓方案加固深度淺，加固效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，故該方案不可??；低能量強(qiáng)夯方案加固效果較好，能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且不存在廢棄土方，需增加的投資適中，最終采用“低能量強(qiáng)夯+3 m高堆載預(yù)壓”方案。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)張呼高速鐵路某段利用集包第二雙線停建路堤加固處理措施進(jìn)行了深入研究，最終采用“低能量強(qiáng)夯+3 m高堆載預(yù)壓”方案，強(qiáng)夯段累計(jì)長(zhǎng)度約1.5 km，累計(jì)強(qiáng)夯面積為34 832 m2。施工期間開(kāi)展了沉降觀測(cè)評(píng)估，施工期最大沉降量為22.24 mm，工后沉降不大于10 mm，強(qiáng)夯處理效果良好，滿足本線路基工后沉降控制要求。目前，張呼高速鐵路烏蘭察布至呼和浩特東段已通車運(yùn)營(yíng)超過(guò)3年，利用集包第二雙線停建路堤改造段線路平順、穩(wěn)定，滿足高速鐵路行車要求。