鄰近運(yùn)營(yíng)高鐵架空式樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工

摘要：以池黃鐵路為背景，介紹了鄰近運(yùn)營(yíng)寧安客專架空式樁板結(jié)構(gòu)的工程背景和設(shè)計(jì)思路。通過有限元軟件模擬架空式樁板結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析研究，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配筋。最后簡(jiǎn)述了該結(jié)構(gòu)的施工過程，數(shù)值模擬分析了施工工況對(duì)既有線的影響。研究結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在鄰近運(yùn)營(yíng)高鐵的設(shè)計(jì)和施工中具有廣闊的前景。

關(guān)鍵詞：運(yùn)營(yíng)高鐵;架空式;樁板結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì);施工

1" "工程背景

傳統(tǒng)樁板結(jié)構(gòu)是一種高速鐵路地基常用的加固結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)揮板、樁、土三者之間的相互作用，介于橋梁與路基之間結(jié)構(gòu)形式，在鐵路路基、公路或市政道路下穿高速鐵路等方面應(yīng)用較為普遍[1-6]。架空式樁板結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)是其板底部高于原地面，無路基土的填筑，板-土之間無直接傳力，上部荷載由板梁傳遞給樁基，樁基與周邊土共同受力。從傳力路徑來說，架空式樁板結(jié)構(gòu)更接近橋梁剛架結(jié)構(gòu)。

本文主要參考高速鐵路橋涵和路基的相關(guān)規(guī)范中，將樁板結(jié)構(gòu)和橋梁剛架結(jié)構(gòu)的控制標(biāo)準(zhǔn)，作為架空式樁板結(jié)構(gòu)計(jì)算分析依據(jù)[7]。本文結(jié)合新建鐵路池州至黃山鐵路池州站場(chǎng)改造工程的一個(gè)工點(diǎn)，詳細(xì)探討架空式樁板結(jié)構(gòu)在鄰近運(yùn)營(yíng)高鐵的設(shè)計(jì)思路和施工方法，可為其他工程提供借鑒。

2" "工程設(shè)計(jì)概況

2.1" "工程概況

池黃鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速350km/h，設(shè)計(jì)范圍由寧安客專池州站（含）至在建昌景黃鐵路黟縣東站（含），池黃上行正線利用綜合工區(qū)岔線引出，與既有線路貫通。咽喉區(qū)需設(shè)置S彎變線間距，彎道曲線半徑匹配120km/h通過速度），與寧安上行正線按10.0m線間距并行約750m出池州站。自出站后采用橋梁形式引出并跨越寧安客專。典型的路基橫斷面如圖1所示。場(chǎng)地地層巖性如下：

①₁素填土（Q₄^ml）：雜色、以灰褐色為主，松散，稍濕，厚度0.4～2.6m，屬Ⅰ級(jí)松土;

?₁₁全風(fēng)化花崗巖（γ₅^2-3）：黃褐色，原巖風(fēng)化嚴(yán)重，風(fēng)化呈砂土狀，由石英砂粒及少量黏粒組成，巖質(zhì)極軟，手捏即碎，遇水易軟化崩解，層厚3.4～19.3m，Ⅲ級(jí)硬土，σ₀為240kPa，Es_0.1-0.2為4MPa。

?₁₂強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（γ₅^2-3）：黃褐色，粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，巖質(zhì)軟，敲擊易碎，巖芯呈碎塊狀，塊徑3～5cm，含少量砂土，層厚約為5.6～6.8m。Ⅳ級(jí)軟石，σ₀為400kPa。

?₁₃弱風(fēng)化花崗巖（γ₅^2-3）：肉紅色，粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬，錘擊聲脆。巖芯以短柱狀為主，節(jié)長(zhǎng)2～6cm;為塊狀，塊徑2～10cm;柱狀，節(jié)長(zhǎng)5～30cm，RQD接近30%，揭露層厚2.55～7.5m。Ⅴ級(jí)堅(jiān)石，σ₀為700kPa。

結(jié)合圖1，可以看出受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的制約，對(duì)本工程的設(shè)計(jì)和施工都帶來極大的困難。主要存在以下不利因素：

寧安客專線間距4.5m，寧安客專路基邊坡大部分位于池黃上行線正下方，無論開挖和填筑，都將對(duì)既有邊坡造成影響。且各式管線縱多，施工場(chǎng)地極其狹小。

寧安客專運(yùn)輸繁忙，無法停運(yùn)施工，鄰近高鐵設(shè)計(jì)施工更增加施工難度，必須充分考慮對(duì)寧安高鐵運(yùn)營(yíng)路基的影響，嚴(yán)格控制既有路基的變形。

新建池黃高鐵軌面標(biāo)高與既有寧安客專一致，路基堆高約2～6m，過度地防護(hù)勢(shì)必破壞寧安客專的路基邊坡，影響運(yùn)營(yíng)安全。設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)盡量少擾動(dòng)既有線為原則[8-9]。

2.2" "方案比選

2.2.1" "橋梁方案

根據(jù)線路選形，大里程為橋梁，為更好地順接，考慮橋梁方案的可行性，線路位于寧安客專路基邊坡上，軌面至原地面2～6m不等。時(shí)速350km/h高速鐵路通用圖常用跨徑梁高為3.035m，局部區(qū)域不滿足架梁要求，需對(duì)既有路基邊坡開挖保證架梁通道，極大影響邊坡穩(wěn)定性。采取防護(hù)措施，則會(huì)導(dǎo)致新的施工問題和工程造價(jià)提高。若采用支架現(xiàn)澆方案，則需整平場(chǎng)地、填筑平臺(tái)，加上梁體本身自重，對(duì)寧安客專邊坡產(chǎn)生新的工后沉降和水平位移，與設(shè)計(jì)原則相違背。

2.2.2" "路基方案

根據(jù)工后沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)可知：一般正線路基不超過15mm，橋頭路基不超過5mm;根據(jù)地質(zhì)條件①₁素填土及?₁₁全風(fēng)化花崗巖（σ₀為240kPa，Es_0.1-0.2為4MPa）在場(chǎng)地普遍分布，且層厚較厚，檢算后工后沉降不滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，地基需要加固處理。

在既有線路基上直接填筑常規(guī)路基填料時(shí)，由于其重度大，極大增加了地基內(nèi)部的附加應(yīng)力，導(dǎo)致既有線路基產(chǎn)生新的工后沉降和水平位移。同時(shí)受場(chǎng)地條件限制，填料壓實(shí)度無法保證。

為降低新建池黃鐵路對(duì)既有線的影響，考慮采用低重度的輕質(zhì)混凝土換填來緩解偏壓作用。但是新線路基填筑后仍將完全侵占既有線路基坡腳外排水溝，需重新設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)來兼顧新舊線的邊坡排水。但此時(shí)水溝位置已經(jīng)嚴(yán)重超出征地界，對(duì)工程推進(jìn)帶來極大的阻力。

采用CFG樁、螺桿樁等加固措施，施工機(jī)械過于高大，不滿足鄰營(yíng)施工的要求，且無法解決路基主體既有邊坡的破壞和排水順接問題。采用傳統(tǒng)的樁板結(jié)構(gòu)能夠一定程度解決加固樁施工機(jī)械的問題，但仍存在排水困難和邊坡受損等問題。

2.2.3" "比選結(jié)果

根據(jù)以上的方案比選可以看出，無論是橋梁方案還是路基方案，都不能很好地解決鄰營(yíng)施工的重難點(diǎn)問題，亟需新的解決方案。架空式樁板結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)巧妙地解決了以上問題。

架空式樁板結(jié)構(gòu)的承載板下部懸空，避免了排水系統(tǒng)改移，可采用維持原排水路徑或局部改溝。懸空部分也為承載板的支架施工提供空間，避免在既有邊坡的大面積堆填或開挖，以免既有邊坡的偏壓或滑塌。樁基采用鉆孔灌注樁，采用合適的機(jī)械可避免鄰營(yíng)施工帶來的安全隱患。

2.3" "設(shè)計(jì)概況

架空式樁板結(jié)構(gòu)的板采用C40鋼筋混凝土，承載板寬8.8m，板厚0.8m，樁基礎(chǔ)直接與板相連，縱向設(shè)置20cm×60cm倒角，樁基采用C30水下混凝土結(jié)構(gòu)，樁徑Φ1.25m，樁長(zhǎng)25m。標(biāo)準(zhǔn)段樁基礎(chǔ)縱向間距5m，橫向間距4m，跨度20m為一聯(lián)，設(shè)置3cm的伸縮縫。線路中有一處斜交涵洞，兩側(cè)架空式樁板結(jié)構(gòu)設(shè)置與涵洞順接的斜交板，并采用架空式樁板結(jié)構(gòu)代替接長(zhǎng)涵洞。架空式樁板結(jié)構(gòu)立面如圖2所示。架空式樁板結(jié)構(gòu)橫斷面如圖3所示。

2.4" "既有涵洞接長(zhǎng)方案比選

高速鐵路既有涵洞接長(zhǎng)[10]通常采用人工挖孔樁進(jìn)行維護(hù)，為保證既有線的邊坡穩(wěn)定和沉降滿足規(guī)范要求，鑿除八字翼墻，然后開挖基坑施工接長(zhǎng)涵洞。

寧安城際為無砟軌道，普速鐵路常用的架設(shè)便梁施工無法應(yīng)用?？紤]采用8根Φ130cm、樁長(zhǎng)18m的人工挖孔樁防護(hù)，沿八字翼墻平行布置，采用水磨鉆施工。八字翼墻不拆除，僅鑿除接長(zhǎng)模板空間。由于屬于鄰近營(yíng)業(yè)線施工，只能在天窗點(diǎn)施工，每天進(jìn)尺僅0.5m。

根據(jù)《鐵路橋涵工程施工安全技術(shù)規(guī)程》（TB10303-2020）的有關(guān)規(guī)定，孔深≥15m的人工挖孔樁需要通過專家評(píng)審，樁凈距<2.5m，應(yīng)跳樁施工等，由此延長(zhǎng)了防護(hù)樁的施工周期。由于覆土厚度達(dá)到2.5m，為更好地與大小里程的架空式樁板結(jié)構(gòu)順接，需在涵洞頂設(shè)置U形擋墻。

通過調(diào)整架空式樁板結(jié)構(gòu)的樁基縱向間距跨越既有涵洞，來代替接長(zhǎng)涵洞這種方案，無需破壞既有涵洞的八字翼墻，對(duì)既有線的擾動(dòng)少，安全隱患小。該方案避免了接長(zhǎng)涵洞應(yīng)采用的路基防護(hù)和地基加固措施，施工周期短且造價(jià)低，可以更好地與路基形式順接。由于無覆土，極大地增大了涵洞凈空，方便了整個(gè)路基排水系統(tǒng)貫通。

3" "結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1" "設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)[11-14]中自重γ取25kN/m³。混凝土收縮徐變按10年考慮。人行道活載取3.5kN/m²。溫度荷載根據(jù)全國(guó)一月（七月）平均氣溫圖，取升溫荷載+10℃，降溫荷載-15℃。對(duì)于橫向搖擺力，高速鐵路取為集中荷載80kN。橫向風(fēng)荷載根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10012-2017中4.4.1條，取為0.40N/m。

離心力根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10012-2017中4.3.10條，取為ZK普通荷載與ZK特種荷載產(chǎn)生離心力作用的包絡(luò)值，圓曲線半徑取為4000m。制動(dòng)力根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10012-2017中4.3.11條，取為3.06kN/m2，作用范圍為軌道板寬度，方向?yàn)轫槝蛳??？v向力伸縮力取為15kN，斷軌力取為15kN/m。

地震力依《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50111-2006計(jì)算反應(yīng)譜，按罕遇地震分為縱向和橫向加載，抗震設(shè)防烈度7度，峰值加速度0.1g，地震特征周期0.35s。脫軌荷載根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10012-2017中4.3.14條取值。

根據(jù)地質(zhì)資料可知，樁基按嵌巖柱樁考慮，故不考慮不均勻沉降的影響。板、樁計(jì)算結(jié)果荷載工況組合取為：主力;主力+附加力（縱向、橫向）;主力+特種荷載（地震力、伸縮、撓曲、斷軌力、脫軌荷載）。樁、板配筋按三種荷載組合的包絡(luò)值控制。荷載分布如圖4所示。

3.2" "有限元模型建立

采用MIDAS CIVIL 2020有限元軟件計(jì)算。模型中承載板采用板單元模擬，板考慮斜交形式，樁基采用梁?jiǎn)卧M，樁基和板單元?jiǎng)傂赃B接，樁身根據(jù)地質(zhì)土層情況劃分單元，采用“m法”計(jì)算土彈簧剛度模擬樁、土相互作用。樁基嵌巖采用樁底固結(jié)模擬，有限元計(jì)算模型如圖5所示。

3.3" "計(jì)算結(jié)果和分析

根據(jù)有限元軟件Midas Civil的計(jì)算結(jié)果可知，承載板的斜角部分斜交效應(yīng)明顯，故在配筋時(shí)，應(yīng)在承載板的頂?shù)讓釉O(shè)置鈍角加強(qiáng)鋼筋和防裂鋼筋。承載板的強(qiáng)度和裂縫驗(yàn)算分為縱向和橫向，計(jì)算結(jié)果詳見表1、表2。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，得到承載板的縱橫向配筋見表3。從表3中可清晰的看出，無論縱向、橫向，承載板底部配筋要強(qiáng)于頂部配筋，縱向配筋要強(qiáng)于橫向配筋，這和承載板的受力特性是相符的。

根據(jù)《鐵路工程混凝土配筋設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10064-2019）中，“支承中心兩側(cè)各相當(dāng)于板厚1/2的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，箍筋間距不應(yīng)大于100mm”的規(guī)定，主要是為防止所箍受壓鋼筋縱向彎曲。按此條規(guī)范配筋，在樁和板結(jié)合處，箍筋間距不應(yīng)大于100mm，變相地增加了主筋的數(shù)量。由于主筋直徑較大，再加上樁基伸入承載板的鋼筋，造成樁和板結(jié)合處配筋過密，給混凝土澆筑和搗固都帶來不少困難，容易在此處產(chǎn)生空洞。而架空式樁板結(jié)構(gòu)受力特性更接近于橋梁剛架結(jié)構(gòu)，在結(jié)合處可考慮適當(dāng)增大箍筋間距，建議將其增大到150mm。

4" "施工方案概述

根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地條件，結(jié)合鄰近營(yíng)業(yè)線施工的特點(diǎn)，制定架空式樁板結(jié)構(gòu)主要施工流程如圖6所示。

鉆孔樁施工是整個(gè)施工過程中最大的風(fēng)險(xiǎn)源。鉆孔樁樁徑1m，采用反循環(huán)回旋鉆機(jī)成孔。鋼筋籠由鋼筋廠分節(jié)加工，永平板車運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，采用汽車起重機(jī)吊裝?；炷劣晒捃囘\(yùn)輸至孔口，采用導(dǎo)管法水下灌注混凝土。

施工采用FXZ250型車載反循環(huán)回旋鉆機(jī)鉆孔，鉆機(jī)最大鉆孔直徑2.5m，最大鉆孔深度300m，工作狀態(tài)整車寬2.5m，工作狀態(tài)整車高5.8m。該機(jī)型自身質(zhì)量為68t，采用履帶式地盤，質(zhì)心低，自身穩(wěn)定性好，回旋鉆機(jī)工作狀態(tài)整機(jī)高5.8m，滿足鄰近營(yíng)業(yè)線橋梁樁基施工需要。

鉆進(jìn)時(shí)鋼護(hù)筒全程跟進(jìn)，開始鉆進(jìn)時(shí)低擋慢速鉆進(jìn)，確保孔位準(zhǔn)備，使初成孔堅(jiān)實(shí)、堅(jiān)直、圓順，以能起導(dǎo)向作業(yè)，并防止孔口坍塌。鉆至護(hù)筒下1m后再以正常速度鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中，應(yīng)經(jīng)常檢查土層變化，對(duì)不同的土層采用不同的鉆速、鉆壓、泥漿比重和泥漿量。在砂土或軟土等容易坍孔的土層中鉆孔時(shí)，宜采用慢速輕壓鉆進(jìn)，同時(shí)應(yīng)提高孔內(nèi)水頭和加大泥漿比重。鉆孔時(shí)，孔內(nèi)水位宜高于護(hù)筒底腳0.5m以上或地下水位以上1.5～2.0m。鉆孔樁回旋鉆施工如圖7所示。

鋼筋籠吊放過程中存在侵入既有線安全限界的風(fēng)險(xiǎn)，故采用5.5m鋼筋籠，并在鋼筋籠底部拉一根纜風(fēng)繩，人工牽引配合鋼筋籠吊裝入孔。在最不利吊裝位，起重機(jī)距離寧安客專上行線最近距離為4.13m，確保萬一機(jī)械倒塌不會(huì)對(duì)既有線接觸網(wǎng)產(chǎn)生危害。機(jī)械站位圖8所示。

5" "施工過程數(shù)值模擬分析

5.1" "數(shù)值模型建立

經(jīng)驗(yàn)法只能對(duì)施工結(jié)束后的地表最終沉降有一個(gè)大致的判斷，不能較準(zhǔn)確地估量地表水平位移，也不能考慮三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)地表變形的影響。而數(shù)值模擬計(jì)算方法的出現(xiàn)，使人們對(duì)土體位移變形特性的模擬變得簡(jiǎn)單?，F(xiàn)如今，數(shù)值分析方法在預(yù)測(cè)路基施工引起的地層變形領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。

在本次數(shù)值模擬計(jì)算中，采用了有限元軟件 Midas GTX NX，對(duì)路基施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算分析。基于池黃鐵路的設(shè)計(jì)方案，在分析中考慮了池黃鐵路施工對(duì)既有寧安客運(yùn)專線的影響。該計(jì)算模型的土體采用修正的 Mohr-Coulumb 本構(gòu)模型模擬，鉆孔樁、系梁及承載板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件用彈性本構(gòu)模型模擬。數(shù)值模型建立如圖9所示。

5.2nbsp; "施工工況設(shè)置

對(duì)架空式樁板結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行簡(jiǎn)化，分成3種工況。工況1：初始應(yīng)力平衡。計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)，得到固結(jié)完成的場(chǎng)地模型。對(duì)于非線性土體而言，其變形受應(yīng)力場(chǎng)影響較大，因此為了后續(xù)工況計(jì)算能夠得到較為合理的數(shù)值，需要計(jì)算施工前的初始應(yīng)力場(chǎng)，并將所得應(yīng)力場(chǎng)與后續(xù)工況計(jì)算所得疊加。工況2：架空式樁板結(jié)構(gòu)鉆孔樁施工。激活架空式樁板結(jié)構(gòu)鉆孔樁單元，模擬鉆孔樁施工對(duì)既有客運(yùn)專線產(chǎn)生的影響。工況3：架空式樁板結(jié)構(gòu)承載板施工。激活架空式樁板結(jié)構(gòu)承載板單元，模擬承載板施工對(duì)既有客運(yùn)專線產(chǎn)生的影響。工況4：架空式樁板結(jié)構(gòu)施加列車荷載。激活架空式樁板結(jié)構(gòu)列車荷載單元，模擬列車運(yùn)行對(duì)既有客運(yùn)專線產(chǎn)生的影響。

5.3" "計(jì)算結(jié)果分析

架空式樁板結(jié)構(gòu)施工期間，各施工工況引起既有線路基在x、y、z向的最大位移見表4。

通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，采用架空式路基開展施工，各工況引起既有線路基最大累計(jì)水平位移為1.04mm，最大累計(jì)沉降為1.06mm。根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182-2017）可知，架空式樁板結(jié)構(gòu)施工及列車荷載引起既有寧安客運(yùn)專線路基產(chǎn)生的最大累計(jì)水平位移和沉降，均小于規(guī)范規(guī)定限值的2mm，滿足要求。

6" "研究結(jié)論

架空式樁板結(jié)構(gòu)是一種新型的樁板結(jié)構(gòu)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用并不多，為鄰營(yíng)高鐵路基施工打開了新思路。通過總結(jié)分析，得到以下結(jié)論：

架空式樁板結(jié)構(gòu)可代替接長(zhǎng)涵洞，對(duì)既有線影響更小，工程造價(jià)低，施工進(jìn)度快。架空式樁板結(jié)構(gòu)，樁和板直接連接，參考橋梁受力模式，結(jié)合處箍筋間距可適當(dāng)加大。架空式樁板結(jié)構(gòu)在施工時(shí)盡量采用小機(jī)械，數(shù)值由模擬分析得到，施工和運(yùn)營(yíng)期間其對(duì)既有線的影響較小。

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