新建線近接京滬高速鐵路路基變形控制關(guān)鍵技術(shù)

田月峰

魯南高速鐵路有限公司，濟南 250102

2020 年中國國家鐵路集團有限公司發(fā)布的《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》明確提出，到2035年將率先建成20 萬km 左右的鐵路網(wǎng)現(xiàn)代化鐵路網(wǎng)，其中高速鐵路里程可達7 萬km 左右。這將不可避免地遇到越來越多的既有運營高速鐵路近接工程，其形式一般為路基幫寬或鄰近堆載填筑［1-3］。其中樁基加固地基、堆載填筑等過程均改變了原有地基的應(yīng)力分布而導(dǎo)致既有高速鐵路路基產(chǎn)生附加變形，施工機械的安全控制也威脅著高速鐵路運營安全。

國內(nèi)外學(xué)者針對不同施工過程對巖土體狀態(tài)擾動及保持進行了研究。地基處理方面，Massarch［4］通過開展沉樁施工現(xiàn)場變形監(jiān)測，分析了壓樁過程中周圍巖土體變形空間分布規(guī)律。朱慶盛［5］仿真分析了靜壓樁壓入紅黏土過程中土顆粒的運動規(guī)律。李珺［6］分析了群樁擠土效應(yīng)下鄰近基坑支護結(jié)構(gòu)受力及變形規(guī)律。秦世偉、郭棟等［7-8］分析了壓樁順序、設(shè)置引孔、控制壓樁速度、設(shè)置應(yīng)力釋放孔等措施在控制擠土效應(yīng)上的有效性。鄰近填筑堆載方面，楊生等［9］計算分析了大面積堆載條件下鐵路路基位移變形規(guī)律，對比了不同工況的隔離樁控制既有路基變形的效果。黃瑞堂等［10］采用室內(nèi)模型試驗研究了不同鄰近堆載作用下高速鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的附加應(yīng)力與變形的分布規(guī)律。王崇淦等［11］計算分析了鄰近堆載不同高度、不同距離、是否兩側(cè)堆載等工況下高速鐵路橋墩位移規(guī)律，根據(jù)無砟軌道橋梁基礎(chǔ)變形限制，提出了單側(cè)堆載下臨界距離參考值。在多因素影響下，理論分析、數(shù)值計算等手段并不能完全保障既有高速鐵路路基變形不超限。實時監(jiān)測既有高速鐵路路基變形，動態(tài)評估新建線路施工對既有線安全運營的影響，對動態(tài)指導(dǎo)施工、保障既有高速鐵路安全運營具有重要作用。

本文依托新建魯南高速鐵路近接既有京滬高速鐵路工程，分析了此類近接工程路基變形成因及控制難點，提出變形控制關(guān)鍵技術(shù)體系，形成近接工程中既有高速鐵路路基變形控制對策，為類似工程提供借鑒及參考。

1 工程概況及控制難點

京滬高速鐵路路基填高約3～5 m，地基主加固區(qū)采用樁板結(jié)構(gòu)，CFG 樁樁長30 m；次加固區(qū)采用樁網(wǎng)復(fù)合地基結(jié)構(gòu)，CFG 樁樁長15～25 m（漸變）。新建魯南高速鐵路在既有京滬高速鐵路曲阜東站分別利用到發(fā)線車檔、維修工區(qū)聯(lián)絡(luò)線上插入道岔進行接軌，稱為接軌段，如圖1所示。

圖1 曲阜東站接軌段工程總體平面示意

幫寬接軌段施工過程中，臨近路基填土荷載在既有鐵路路基基底以下產(chǎn)生不可忽視的附加應(yīng)力，使得既有線產(chǎn)生附加沉降，不可避免地對京滬高速鐵路運營養(yǎng)護造成影響。因此，應(yīng)對不同的地基處理方案進行比較，并選用重度小的填料進行幫寬填筑。

地基處理、路基填筑等施工過程中，取土樁施工過程中引起的附加沉降、擠土樁施工引起的擠土效應(yīng)、不均勻填筑引起的不均勻變形等問題同樣不能忽視，應(yīng)制定京滬高速鐵路路基變形監(jiān)測方案，實時監(jiān)測既有路基變形。

臨近既有線施工作業(yè)，打樁機、吊機等高聳施工機械的傾倒可能侵入限界，進而影響既有線的安全運行，應(yīng)實時評估施工對既有路基的影響。

新建線臨近既有高速鐵路施工時，附加應(yīng)力作用不可避免會對既有高速鐵路路基產(chǎn)生擾動，發(fā)生沉降變形和水平位移，影響軌道平順性。施工機械在線路附近作用也對線路構(gòu)成威脅，影響正常運營。有效控制新建線路建設(shè)對臨近既有鐵路路基變形影響是近接工程的關(guān)鍵技術(shù)難點。

2 少擾動樁基施工控制

地基處理過程中，樁基施工擠土、機械振動等都可能引起京滬高速鐵路路基的偏移，威脅線路運營安全。為評價新建線地基加固成樁過程對臨近既有京滬高速鐵路路基的擾動影響，研究不同樁型、不同成樁工藝對臨近區(qū)域土體的擾動影響，開展預(yù)應(yīng)力管樁、微型注漿鋼管樁和鉆孔灌注樁現(xiàn)場成樁試驗，對新建線路基地基加固的方案設(shè)計與施工組織具有重要的指導(dǎo)意義。

經(jīng)試驗可知，管樁不適用于臨近京滬高速鐵路的地基加固施工，建議優(yōu)先采用全回轉(zhuǎn)全套管鉆機成樁，在場地狹小的情況下可采用微型樁成樁。

全回轉(zhuǎn)設(shè)備是能夠驅(qū)動鋼套管進行360°回轉(zhuǎn)，并將鋼套管壓入和拔除的施工機械。該設(shè)備在作業(yè)時產(chǎn)生下壓力和扭矩，驅(qū)動鋼套管轉(zhuǎn)動，利用管口的高強刀頭對土體、巖層、鋼筋混凝土等障礙物進行切削，利用套管的護壁作用，然后用液壓沖抓斗將鋼套管內(nèi)物體抓出，達到挖孔目的。

樁基礎(chǔ)施工過程中，采用全回轉(zhuǎn)鉆機、套管和鋼筋籠采用分節(jié)下放孔中的方式，可以減小履帶吊的吊運高度和吊運范圍?；剞D(zhuǎn)全套管成樁工藝如圖2 所示，該工藝一定程度上避免了機械設(shè)備傾倒而侵限，而且套管保護孔壁防止塌孔，也能減小對既有線的影響。

圖2 全回轉(zhuǎn)全套管成樁工藝示意

幫寬段地基處理開始時間為2018 年11 月22 日，完成時間為2019年6月10日。京滬高速鐵路Ⅰ股、Ⅱ股道代表性監(jiān)測斷面K536+960 處出現(xiàn)局部沉降，Ⅰ股道累計沉降1.18 mm，Ⅱ股道1.23 mm。鉆孔樁施工期間自動監(jiān)測系統(tǒng)正常運行，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示施工過程對京滬高速鐵路造成影響極小，見圖3?？芍?，沉降變形小于4 mm，處于經(jīng)常保養(yǎng)線以下，在受控狀態(tài)內(nèi)。

圖3 少擾動樁基施工控制下京滬高速鐵路變形

3 泡沫混凝土減載填筑

近接工程對既有京滬高速鐵路進行幫寬填筑時，不僅要控制幫填部分路基的工后沉降，同時要嚴格控制既有路基沉降。常規(guī)路基填筑荷載大，在既有路基內(nèi)產(chǎn)生新的附加應(yīng)力易造成既有路基沉降變形超限，同時常規(guī)路基填筑施工機械擾動也是造成既有路基沉降的因素之一。常規(guī)的幫填方法難以保證既有線路的正常運營。

魯南高速鐵路接入工程根據(jù)減載需求，研發(fā)了新的路基填料，發(fā)展了新路基結(jié)構(gòu)。填料密度在650～850 kg∕m3，強度為 1.0 MPa（普通泡沫混凝土）和1.6 MPa（高強加筋泡沫混凝土）兩種。與一般的A、B組填料相比，重量減輕2.6～3.4 倍，有效降低了因幫填引起的附加沉降。

泡沫混凝土重度比一般土體小，根據(jù)不同材料組成及用量、不同氣泡率，按工程需要在大范圍內(nèi)調(diào)整密度和強度，可減輕施加于地基的附加應(yīng)力，進而控制臨近既有高速鐵路幫寬或臨近堆載填筑引起的。施工采用管路泵送的方式現(xiàn)澆，可在狹小空間澆筑，自流平，自硬化，無需碾壓或振搗。硬化后可自立，可垂直填筑。所用材料對環(huán)境無污染，且可利用粉煤灰等工業(yè)廢渣，具有優(yōu)越的環(huán)保特性。

泡沫混凝土采用普通硅酸鹽水泥、發(fā)泡劑、水三種原材料經(jīng)一體機拌和成形。水泥摻量高的情況下，硬化過程中產(chǎn)生大量水化熱，施工中澆筑層表面易出現(xiàn)裂紋，需灌漿修補處理。為降低水化熱，采用礦粉拌制漿液后與水泥漿融合再與發(fā)泡液一同拌制泵送至澆筑點。此外，在每澆筑層表面向下10 cm 位置加設(shè)一道φ1.0 mm、10 cm×10 cm 的鋼絲網(wǎng)片后，澆筑層表面幾乎不出現(xiàn)裂紋。兩種措施相結(jié)合，有效減少了裂縫出現(xiàn)，保證了輕質(zhì)混凝土的整體性，大大降低其受力損壞的概率，保證了幫填實施效果。

輕質(zhì)混凝土采用軟管泵在無落差水平級的泵送距離一般不超過400 m。通過增設(shè)中轉(zhuǎn)站以及改造泵送設(shè)備和優(yōu)化輕質(zhì)混凝土制備流程，可實現(xiàn)超長距離泵送輕質(zhì)混凝土，泵送距離可達1 200 m，減少了輕質(zhì)混凝土設(shè)站次數(shù)和臨時工程數(shù)量，節(jié)約了施工成本。

4 既有高速鐵路路基變形實時監(jiān)控

由于地基處理過程中樁的擠土效應(yīng)會造成既有京滬高速鐵路路基的水平位移，同時地層中存在礫砂、中砂，樁基施工過程的振動易引起地基沉陷、堆載產(chǎn)生附加應(yīng)力，均會造成路基沉降變形，所以需要同時開展路基沉降監(jiān)測與水平位移監(jiān)測。

由于高速鐵路線路對于軌道平順的高要求，需對區(qū)域內(nèi)正線Ⅰ、Ⅱ股道變形開展監(jiān)測。沉降監(jiān)測的準確性與可靠性極大地依賴于基準點選取的合理性?；鶞庶c需選擇遠離施工擾動區(qū)域的穩(wěn)定建筑物處，比如深樁基、橋臺基礎(chǔ)、涵洞等，對于運營線路可結(jié)合工務(wù)部門日常巡檢數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)點的穩(wěn)定性，并定期進行人工校核。監(jiān)測過程中加強對基準點的人工復(fù)核。測點的間距需要兼顧監(jiān)測系統(tǒng)的工作性能與經(jīng)濟性，過大會導(dǎo)致液路排泡困難，影響測點芯片的工作狀態(tài)，造成數(shù)據(jù)失真；過小會影響線路的運營，同時增大施工成本。綜合考慮，每隔20 m 布設(shè)1個沉降監(jiān)測點，如圖4所示。

圖4 近接工程自動監(jiān)測現(xiàn)場布置

在監(jiān)測范圍內(nèi)，按60 m 間距布設(shè)自動全向傳感水平位移計。水平位移計布設(shè)于既有京滬高速鐵路邊坡坡腳外0.5 m 位置處至路肩的坡面上。根據(jù)荷載變形機理和維護要求，結(jié)合運營線路的要求，測斜孔位置應(yīng)盡量靠上，管口做好保護措施，以便于設(shè)備維護。水平位移計布設(shè)斷面應(yīng)與沉降觀測點布設(shè)斷面合并設(shè)置。在不影響既有京滬高速鐵路運營安全的條件下，水平位移監(jiān)測點布設(shè)盡量靠近既有京滬高速鐵路。

選取K536+960 為典型斷面，既有京滬高速鐵路路基沉降變形時程曲線見圖5?？芍?，沉降主要產(chǎn)生在擋墻開始至鋪軌完成之間，鋪軌結(jié)束后此處沉降速率隨時間逐漸減小，逐漸收斂。

圖5 K536+960斷面I股道沉降變形時程曲線

K536+960 斷面水平位移時程曲線見圖6，監(jiān)測期為 2019 年 2 月 2 日至 2019 年 5 月 5 日?？芍撐恢檬┕て陂gx方向最大值4.98 mm，發(fā)生層位為27 m，原因可能為樁基施工過程中提鉆過快，導(dǎo)致該層位朝樁基打孔方向變形。y方向最大值為1.89 mm，發(fā)生層位為2.6 m。上述監(jiān)測結(jié)果也說明了新建線近接既有高速鐵路路基施工采用少擾動樁基、泡沫混凝土減載，可有效控制施工過程中既有京滬高速鐵路路基變形。

圖6 K536+960斷面水平位移監(jiān)測曲線

5 結(jié)論與建議

1）新建線臨近既有高速鐵路施工時，有效控制新建線路建設(shè)對臨近既有鐵路路基變形的影響是近接工程的難點。

2）臨近京滬高速鐵路的地基加固施工可采用全回轉(zhuǎn)全套管鉆機成樁，避免機械設(shè)備傾倒而侵限，考慮場地狹小的情況下也可采用微型樁成樁。

3）采用泡沫混凝土進行幫寬填筑，創(chuàng)新了新建路基裂縫控制、超長距離泵送施工工藝，有效降低了因幫填引起既有路基的附加沉降。

4）針對臨近營業(yè)線地基處理、減載填筑可能出現(xiàn)的不均勻沉降變形等問題，建議制定針對性監(jiān)測方案，以實時評估施工對既有線路基變形的影響，保障線路平順安全運營。