道路軟基與橋涵樁基施工對鄰近鐵路的影響研究

王衛(wèi)輝

摘要：對市政道路軟土地基進(jìn)行加固處理，確保地基的加固效果，有利于提高市政道路施工的質(zhì)量，促進(jìn)市政道路工程建設(shè)的良好發(fā)展。結(jié)合工程實(shí)例，針對某市市政道路施工過程進(jìn)行三維建模有限元分析，探討橋涵施工對鄰近鐵路的影響，并針對數(shù)值計算結(jié)果提出合理的橋涵設(shè)計建議，從而保證施工的安全性。得出以下結(jié)論：釘形水泥土雙向攪拌樁軟基處理能力較高，樁身的質(zhì)量均勻，有利于提高土體上部分地基強(qiáng)度，避免路基沉降過快，且有效增大了樁體的距離，降低了工程成本。橋涵施工對鄰近鐵路主體結(jié)構(gòu)的影響較小，上部結(jié)構(gòu)的荷載作用小，主體結(jié)構(gòu)安全可控。

關(guān)鍵詞：市政道路；軟基處理；鐵路路基；控制措施

0? ?引言

在市政道路施工過程中，對軟土地基若不能進(jìn)行妥善、有效的處理，將會對建筑結(jié)構(gòu)以及鄰近建筑設(shè)施造成嚴(yán)重的危害。隨著科技水平的發(fā)展，軟基處理的水平也大幅提高，但在目前的軟基處理情況來看，仍有一些工程在軟基處理上缺乏經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致處理結(jié)果并不理想[1-2]，影響了市政道路工程的建設(shè)質(zhì)量。

現(xiàn)階段越來越多的學(xué)者針對軟土地基處理做了大量的研究。王思劉[3]等基于按應(yīng)力定義的固結(jié)度，提出考慮負(fù)孔隙水壓力和土體三向變形影響的固結(jié)沉降計算方法，并開展真空排水預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)，得出三向固結(jié)試驗(yàn)測得的固結(jié)系數(shù)在30～40cm/s之間，是標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)測得的固結(jié)系數(shù)的40倍左右；真空預(yù)壓排水條件下的豎向和徑向固結(jié)微分方程與砂井固結(jié)理論方程具有相同的形式，但排水邊界的孔隙水壓力為負(fù)值；按所提出的沉降計算方法，得到的固結(jié)沉降計算值與實(shí)測值最大誤差為12%，總沉降修正系數(shù)為0.98～1.18時計算值與實(shí)測值吻合較好。上述研究結(jié)果，對于準(zhǔn)確確定真空排水預(yù)壓法預(yù)壓工期和工后沉降具有一定參考價值。

軟基路基在工程中主要問題是沉降過大，沉降可能會因后期的動荷載等重復(fù)荷載發(fā)生不可逆的變形。在橋梁與道路相接段，往往因?yàn)椴痪鶆虺两蛋l(fā)生較大的錯臺而導(dǎo)致行車舒適性較差，故如何有效的對軟基進(jìn)行處理成為研究的關(guān)鍵[4]。本文結(jié)合工程實(shí)例，針對對某市政道路施工過程進(jìn)行三維建模有限元分析，探討橋涵施工對鄰近鐵路的影響[5-6]，并針對數(shù)值計算結(jié)果提出合理的控制措施，從而保證施工過程的安全。

1? ?工程概況

某城市市政道路改造工程位于某市域鐵路正上方，影響范圍較長，約3km，道路狀況較為復(fù)雜，有大量的市政管線，同時有多處橋涵。該橋涵以及管線施工給市域鐵路帶來不利的影響，因此需針對整個工程項(xiàng)目，采取合理的施工組織安排以及風(fēng)險控制方案。目前市域鐵路處于運(yùn)營階段，安全影響要求較高，根據(jù)市域鐵路的相關(guān)軌道，需將變形控制在10mm范圍內(nèi)。

市域鐵路因已運(yùn)營，其原圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響道路結(jié)構(gòu)的部分需進(jìn)行破除。目前位于道路部分的圍護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁已拆除，道路施工時僅需回填上方土體。為保證市域鐵路的運(yùn)營安全，需分析市政道路工程對市域鐵路的安全影響，并給出相應(yīng)的風(fēng)險控制措施與建議，以控制市域鐵路的安全風(fēng)險。道路位置示意圖如圖1所示。

2? ?軟基處理

本工程市政道路除橋涵外，其所處的地層以淤泥為主，根據(jù)周邊其他項(xiàng)目的變形情況可知，工程地區(qū)屬于海積平原，場地會因時間的推移出現(xiàn)整體沉降變形，故本工程道路需對場地內(nèi)的淤泥進(jìn)行處理。本工程軟基處理區(qū)域?yàn)橐话懵范?、橋臺后、涵洞后區(qū)域路段，軟基處理主要是針對橋臺與道路段的變形不均勻問題。若道路段因軟基路基沉降過大，導(dǎo)致其與橋梁段發(fā)生較大的不均勻沉降，將對行車安全與舒適度產(chǎn)生較大不利影響。

2.1? ?工程地質(zhì)條件及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)道路段詳勘報告可知，鉆孔范圍內(nèi)自上而下可分為4個工程地質(zhì)層、8個亞層，分別為：①1黏土、②1淤泥、③1淤泥質(zhì)黏土、④1黏土、⑤1-1細(xì)砂、⑥3卵石。其中②1淤泥、③1淤泥質(zhì)黏土深度較厚，對道路結(jié)構(gòu)存在不利的影響。同時根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知，軟基處理后沉降標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足：不均勻沉降不得超過0.5%，涵洞與路堤相鄰處沉降量應(yīng)≤0.1m，橋臺沉降量應(yīng)≤0.1m，一般路段沉降量應(yīng)≤0.3m。

2.2? ?軟基處理方法

2.2.1? ?針對一般路段

一般路段的軟基處理方案采用釘形水泥土雙向攪拌樁長，根據(jù)樁的特點(diǎn)，其樁頭采用2m，總樁長控制在10m，直徑為500mm，擴(kuò)大頭為800mm，樁距為2m。根據(jù)施工的特征，本工程樁基施工擬采用離市域鐵路先近后遠(yuǎn)、交叉施工的方式進(jìn)行，同時為保證對市域鐵路的影響降至最低，應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)段獲取施工參數(shù)。

2.2.2? ?針對橋臺、涵洞路段

連接橋臺、涵洞路段的釘形水泥土雙向攪拌樁長2m，總樁長以18～12m，控制直徑為500mm，擴(kuò)大頭為800mm。樁距為1.3m，按正方形布置。

樁頂層設(shè)置500mm砂礫耨墊層，內(nèi)鋪土工格柵一層，均勻分層夯實(shí)，回填至道路結(jié)構(gòu)層下。施工的先后順序與試驗(yàn)段與一般段一致。橋臺、涵洞路段軟基處理標(biāo)準(zhǔn)縱斷面如圖2所示。

通過對釘形水泥土雙向攪拌樁現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果分析可知，釘形水泥土雙向攪拌樁有利于提高土體上部分地基強(qiáng)度，避免路基沉降過快，且有效增大了樁體的距離，可有效的降低了工程成本[6]。

3? ?橋涵施工對鄰近鐵路的影響分析

兩座橋涵均位于市域鐵路上方。兩橋涵的樁基距離市域鐵路體分別為4.6m、4.5m，滿足最小安全作業(yè)凈距3m控制要求。橋涵施工過程中，要先對鐵路上方的土體進(jìn)行開挖，開挖完后需對上方的結(jié)構(gòu)進(jìn)行澆筑回填，由此對市域鐵路產(chǎn)生了一定影響。

3.1? ?有限元分析模型及模擬工況

本次采用FLAC3D軟件建模，分析橋涵對鄰近鐵路的影響。模型具體力學(xué)參數(shù)見表1。本次分析主要根據(jù)橋涵施工過程中的工況進(jìn)行模擬分析，主要對如下工況進(jìn)行模擬。

工況1：初始化模型，市域鐵路上方為河底回填土和水的荷載；工況2：河底開挖，疏干河道；工況3：橋涵的主體結(jié)構(gòu)澆筑并回填。

所取土體范圍為120m×70m×100m（長×寬×高），對其進(jìn)行建模，其中土單元采用實(shí)體單元，本構(gòu)采用摩爾庫倫模型，樁單元采用線單元，混凝土板采用實(shí)體單元，本構(gòu)采用彈性本構(gòu)。整個三維有限元計算模型共179100個單元，整體結(jié)構(gòu)模型圖如圖3所示。

3.2? ?計算結(jié)果分析

3.2.1? ?基坑開挖對鄰近鐵路主體影響分析

基坑主動區(qū)土壓力容易因圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動區(qū)土體的開挖而發(fā)生位移變形。橋梁樁基施工過程中，因淤泥流動性強(qiáng)，容易導(dǎo)致塌孔現(xiàn)象，故在橋梁樁基施工時，需采用泥漿護(hù)壁技術(shù)，減少基坑開挖對周邊結(jié)構(gòu)的影響。鄰近鐵路上方土體開挖容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上浮，給鐵路的安全帶來不利的影響，通過有限差分FLAC軟件對基坑開挖進(jìn)行模擬，得出模型整體沉降變形如圖4所示。基坑開挖引起市域鐵路豎向隆起位移云圖如圖5所示。

根據(jù)計算結(jié)果可知，基坑開挖后，主要的變形位移位于開挖面的隆起變形，其最大變形為179mm；同時基坑開挖引起的市域鐵路的變形為0.4mm，主要為沉降變形。另市域鐵路主體水平位移較小，均滿足鐵路變形的安全控制要求。

3.2.2? ?橋涵施工后荷載對鄰近鐵路主體影響

橋涵主體結(jié)構(gòu)澆筑及回填對鄰近鐵路主體存在一定的影響。市域鐵路圍護(hù)沉降位移如圖6所示。

從圖6可以看出，橋梁結(jié)構(gòu)施工后，基坑周邊環(huán)境總體可控，但橋梁樁基施工對市域鐵路產(chǎn)生了一定影響，具體表現(xiàn)為：橋涵主體結(jié)構(gòu)澆筑及回填對鄰近鐵路主體的影響較小，主要為沉降變形，其最大值為0.159mm，遠(yuǎn)小于變形控制要求的10mm，水平位移可忽略不計。

4? ?結(jié)束語

軟土路基處理及鄰近鐵路施工是市政道路工程常見的問題，本文結(jié)合工程實(shí)例，針對某市市政道路施工過程進(jìn)行三維建模有限元分析，探討橋涵施工對鄰近鐵路的影響，并針對數(shù)值計算結(jié)果提出合理的橋涵設(shè)計建議，從而保證施工的安全性。得出以下結(jié)論：

釘形水泥土雙向攪拌樁軟基處理能力較高，樁身的質(zhì)量均勻，有利于提高土體上部分地基強(qiáng)度，避免路基沉降過快，且有效增大了樁體的距離，降低了工程成本。橋涵施工對鄰近鐵路主體結(jié)構(gòu)的影響較小，上部結(jié)構(gòu)的荷載作用小，主體結(jié)構(gòu)安全可控。

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