地基加固成樁對鄰近高速鐵路變形影響研究

梁金平

（魯南高速鐵路有限公司，濟南 250101）

中國高速鐵路從無到有，從落后到領先，從引進國外技術到指定中國標準，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。截至2019年底，全國鐵路里程已占世界高速鐵路總量的2／3，以“八縱八橫”主干通道為骨架的高速鐵路網(wǎng)已基本建成［1-6］。由于鐵路建設工程的廣泛性，目前部分引入工程形式一般與既有運營高速鐵路鄰近并行，或以幫寬形式填筑。鄰近既有高速鐵路路基工程的建造過程對既有高速鐵路將產(chǎn)生種種不利影響。在以往建設工程對鄰近鐵路工程建造影響研究中，高顯平［7］利用數(shù)值模擬探究了基坑施工影響下鐵路所產(chǎn)生的變形規(guī)律，并制定了相應的控制措施。顧津申［8］探究了地面堆積荷載對鄰近高速鐵路橋墩沉降的影響規(guī)律，并根據(jù)現(xiàn)場工況進行了安全評估分析。孫宗磊［9］探究了鄰近鐵路橋梁建筑工程對鐵路沉降變形的影響規(guī)律，對現(xiàn)場的監(jiān)測測量確定合理施工方案。曹全［10］對下穿高速鐵路工程的防護及沉降進行了評估。

鄰近鐵路建設工程對既有鐵路同樣會產(chǎn)生影響。為減小新建線路對既有線路的施工影響，一方面可以減小地基處理過程的施工擾動，評價新建線路地基加固成樁過程對鄰近既有線路基的擾動影響，研究不同樁型、不同成樁工藝對鄰近區(qū)域土體的擾動影響，開展不同成樁過程對鄰近區(qū)域土體的變形分布與發(fā)展規(guī)律影響的現(xiàn)場試驗，為新建線路路基地基加固的方案設計與施工組織提供指導。另一方面可以研發(fā)新的路基填筑材料和新路基結構，通過使用輕質(zhì)填筑材料控制附加應力，減小附加沉降，減輕對既有路基的側向和豎向荷載，從而有效控制既有路基的變形。

為評價新建線地基加固成樁過程對鄰近既有線路基的擾動影響，本文通過開展預應力管樁成樁過程對鄰近區(qū)域土體的變形分布與發(fā)展規(guī)律影響的現(xiàn)場試驗，研究不同成樁距離對鄰近區(qū)域土體位移的擾動影響。研究成果可為新建線路路基地基加固的方案設計與施工組織提供指導。

1 試驗監(jiān)測方案與工程

1.1 監(jiān)測方案

試樁試驗區(qū)選取在新建魯南場正線東側的擬建綜合維修車間整體式道床復合地基加固范圍內(nèi)，場地位置如圖1所示。試驗共規(guī)劃了6 個試樁區(qū)，分別為I 區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)及Ⅵ區(qū)，其中Ⅳ區(qū)、Ⅵ區(qū)均為預應力管樁區(qū)，Ⅳ區(qū)試驗完成引孔15 m 管樁14 排，Ⅵ區(qū)試驗先完成管樁引孔20 m 管樁5 排，之后完成管樁無引孔成樁9 排各試驗這樁位布置如圖1所示。針對地表水平及豎向位移、深層土體水平位移兩項測試內(nèi)容，建立自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，獲得Ⅳ區(qū)及Ⅵ區(qū)預應力管樁地基加固措施施工工藝及施工過程對臨近土體的地表水平及豎向位移、深層土體水平位移的影響規(guī)律，各區(qū)詳細樁位布置如圖2所示。

圖1 曲阜東站試樁試驗區(qū)平面位置示意圖

圖2 各試驗區(qū)樁位布置圖

1.2 試驗監(jiān)測方案

地表水平及豎向位移監(jiān)測：采用超高精度全自動測量機器人配合地表固定棱鏡，測量地表的水平及豎向位移，獲取成樁過程中鄰近區(qū)域地表水平及豎向位移發(fā)展規(guī)律。土體深層水平位移監(jiān)測：采用全向水平位移傳感器和陣列式柔性測斜儀，測量地表和深層土體水平位移，獲取成樁過程中鄰近土體水平位移沿土體深度的分布及變化規(guī)律。地表水平及豎向位移監(jiān)測基準點選?。阂勒障嚓P測量規(guī)程，每個測站需要設置不少于3 個基準點?；鶞庶c應設置在變形影響范圍之外、便于長期保存的穩(wěn)定位置，且基準點的間距不大于1 km。依照現(xiàn)場實際情況，實際布設6 個基準點，基準點標石埋深1.5 m。觀測頻率：各測試項目均采用自動化監(jiān)測系統(tǒng)，元件布設完成后地表水平及豎向位移、深層土體水平位移、孔隙水壓力及地下水位均可通過自動采集、傳輸設備進行實時量測。本次試驗設定儀器監(jiān)測頻率為：地表位移監(jiān)測頻率15 min／次、深層土體水平位移30 min／次。

試驗區(qū)監(jiān)測斷面與測點平面布置示意如圖3所示。地表水平及豎向變形監(jiān)測的每個斷面設置8 個地表位移測點，各斷面測點距離試驗區(qū)邊界距離依次為1.0 m、5.0 m、8.0 m、11.3 m、16.3 m、20.0 m、35.5 m和60.0 m，地表位移測點編號為“S +斷面號+順序號”。土體深層水平位移監(jiān)測的每個斷面設置2 個深層水平位移測點，深層水平位移觀測點布設于距試驗區(qū)邊界1.0 m、5.0 m，孔深30 m。

圖3 監(jiān)測斷面與測點平面布置示意圖（m）

2 監(jiān)測結果與分析

2.1 地表水平及豎向位移分析

試驗Ⅵ區(qū)、Ⅳ區(qū)地表橫向水平位移隨成樁進度的變化如圖4、圖5所示。

圖4 Ⅵ 區(qū)地表橫向水平位移隨成樁進度的變化圖

圖5 Ⅳ區(qū)地表橫向水平位移隨成樁進度的變化圖

由圖4、圖5 可知：

（1）試驗Ⅵ區(qū)（引孔20 m管樁5排）：共成樁196根，在距離試驗區(qū)邊界1 m、5 m、8 m 處測點S-5-1～S-5-3 引起的地表最大橫向水平位移依次為14.2 mm、12.3 mm、10.1 mm，地表最大縱向水平位移依次為10.1 mm、2.8 mm、2.6 mm（線路大里程方向，下同），地表隆起依次為1.7 mm、1.6 mm、0.7 mm；在距試驗區(qū)邊界11.3 m（模擬高速鐵路場幫填京滬Ⅱ股道）、16.3 m（模擬高速鐵路場幫填京滬Ⅱ股道）、20.0 m（模擬魯南場填筑京滬5 股道）、35.5 m（模擬魯南場填筑京滬Ⅱ股道）測點S-5-4～S-5-7 處引起的地表橫向水平位移依次約為7.9 mm、5.9 mm、4.4 mm、1.6 mm，地表縱向水平位移依次約為2.3 mm、1.8 mm、1.5 mm、1.2 mm，未引起明顯地表隆起變化。壓樁對60 m 測點S-5-8 未造成明顯影響。

（2）試驗Ⅳ區(qū)（引孔15 m 管樁14 排）：共成樁196 根，在距離試驗區(qū)邊界1 m、5 m、8 m 處測點S-3-1～S-3-3 引起的地表最大橫向水平位移依次為13.7 mm、7.9 mm、7.5 mm，地表最大縱向水平位移依次為4.5 mm、4.1 mm、3.6 mm，地表隆起位移依次為2.4 mm、1.6 mm、1.4 mm；在距試驗區(qū)邊界11.3 m、16.3 m、20.0 m、35.5 m 測點S-3-4～S-3-7 處引起的地表橫向水平位移依次約為6.4 mm、4.8 mm、3.9 mm、1.3 mm，地表縱向水平位移依次約為3.3 mm、2.7 mm、2.7 mm、1.6 mm，測點S-3-4 地表有約1.4 mm 的隆起，測點S-3-5～S-3-7 無明顯的地表豎向位移。壓樁對60 m 測點S-3-8 未造成明顯影響。

（3）結合2 個試驗區(qū)地表最大橫向水平位移、縱向水平位移及地表隆起位移可知，隨著測點距離的增大測點水平位移、地表隆起位移均隨之減小，試驗Ⅵ區(qū)地表水平位移大于試驗Ⅳ區(qū)，但地表隆起位移小于Ⅳ區(qū)，且當距離達到60 m 時地表位移將不受影響。

2.2 深層土體水平位移分析

試驗Ⅵ區(qū)、Ⅳ區(qū)1 m、5 m 處深層水平位移發(fā)展變化如圖6、圖7所示。

圖6 Ⅵ區(qū)1 m、5 m 處深層水平位移發(fā)展圖

圖7 Ⅵ區(qū)1 m、5 m 處深層水平位移發(fā)展圖

由圖6、圖7 可知：

（1）試驗Ⅵ區(qū)壓樁產(chǎn)生的位移主要為橫向位移。距試驗Ⅵ區(qū)邊界1 m 處測點D-5-1 的深層橫向水平位移隨成樁排數(shù)的增多而增大，地表橫向水平位移最大值約為17.2 mm，深層最大值約為15.5 mm，出現(xiàn)在地表以下13～15 m 處，在深度23～30 m 段迅速減少。深層縱向水平位移在成樁過程中最大值為3.0 mm，至全部成樁時，地表縱向水平位移基本恢復至0 mm，深層縱向水平位移最大值為-1.8 mm，出現(xiàn)在深度13 m 處。因深層水平位移的測量精度為1.5 mm，故可以認為縱向位移變化很小。距試驗Ⅵ區(qū)邊界5 m 處測點D-5-2 的深層橫向水平位移隨成樁排數(shù)的增多而增大，地表橫向水平位移最大值約為14.8 mm，深層水平位移隨深度遞減，在地表以下5 m、15 m、25 m處橫向位移約為12.0 mm、9.7 mm、3.9 mm。深層縱向水平位移在成樁過程中最大值為1.4 mm，至全部成樁時，地表縱向水平位移恢復至0.4 mm，深層縱向水平位移最大值為-1.8 mm，出現(xiàn)在深度19 m 處。

（2）試驗Ⅳ區(qū)壓樁產(chǎn)生的位移主要為橫向位移。距試驗Ⅳ區(qū)邊界1 m 處測點D-3-1 的深層橫向水平位移隨成樁排數(shù)的增多而增大，地表橫向水平位移最大值約為11.7 mm，深層最大值約為9～10 mm，出現(xiàn)在地表以下12～20 m處，在深度20～30 m段逐漸減少。深層縱向水平位移在成樁過程中最大值為5.0 mm，至全部成樁時，地表縱向水平位移約為2.6 mm，深層縱向水平位移最大值為3.0 mm，出現(xiàn)在地表以下20 m 處。距試驗Ⅳ區(qū)邊界5 m 處測點D-3-2的深層橫向水平位移隨成樁排數(shù)的增多而增大，地表橫向水平位移最大值約為8.9 mm，深層水平位移整體上隨深度遞減，在地表以下5 m、15 m、25 m 處橫向位移約為7.1 mm、7.8 mm、4.2 mm。深層縱向水平位移在成樁過程中最大值為1.6 mm，至全部成樁時，地表縱向水平位移基本恢復至0 mm，深層縱向水平位移最大值為2.8 mm，出現(xiàn)在深度19 m 處。

（3）兩個試驗區(qū)內(nèi)深層水平位移隨著地表深度的增大及測點距離的增加而不斷減小，深層橫向水平位移最大值在地表以下13～15 m 處，在深度23～30 m段迅速減少。試驗Ⅵ區(qū)橫向水平位移大于試驗Ⅳ區(qū)，而深層縱向水平位移小于試驗Ⅳ區(qū)。

3 結論

本文研究了預應力管樁成柱過程對臨近區(qū)域土體的變形分布與發(fā)展規(guī)律的影響，得到主要結論如下：

（1）試驗Ⅵ區(qū)距離試驗區(qū)邊界1 m、5 m、8 m 處測點引起的地表最大橫向水平位移依次為14.2 mm、12.3 mm、10.1 mm，最大縱向水平位移依次為10.1 mm、2.8 mm、2.6 mm；試驗Ⅳ區(qū)處測點引起的地表最大橫向水平位移依次為13.7 mm、7.9 mm、7.5 mm，最大縱向水平位移依次為4.5 mm、4.1 mm、3.6 mm，可見距離試驗邊界處越遠，測點水平位移越小，試驗Ⅵ區(qū)地表水平位移大于試驗Ⅳ區(qū)。

（2）試驗Ⅵ區(qū)距離試驗區(qū)邊界1 m、5 m、8 m 處地表隆起依次為1.7 mm、1.6 mm、0.7 mm，Ⅳ區(qū)距離試驗區(qū)邊界1 m、5 m、8 m 處測點地表隆起位移依次為2.4 mm、1.6 mm、1.4 mm，表明測點距離越遠，隆起位移越低，且IV 區(qū)位移大于Ⅵ區(qū)。

（3）距試驗Ⅵ區(qū)邊界5 m 處地表橫向水平位移最大值約為14.8 mm，在地表以下5 m、15 m、25 m 處橫向位移約為12.0 mm、9.7 mm、3.9 mm；試驗Ⅳ區(qū)地表橫向水平位移最大值約為8.9 mm，地表以下5 m、15 m、25 m 處橫向位移約為7.1 mm、7.8 mm、4.2 mm?？梢姍M向水平位移隨著地表深度的增大而不斷減小，且試驗Ⅵ區(qū)橫向水平位移大于試驗Ⅳ區(qū)。