格柵狀粉噴樁在深厚淤泥質(zhì)軟土層中橋墩防護的應用

趙曉泉

（中路黃河（山西）交通科技集團有限公司，山西太原 030006）

0 引言

近年來，隨著城市建設的發(fā)展以及高鐵線路網(wǎng)的完善，市政工程與高速鐵路不可避免地會發(fā)生交叉，目前國內(nèi)高鐵穿越湖泊、河流成功的案例數(shù)不勝數(shù)，技術(shù)已經(jīng)成熟且處于國際領先地位，然而先修建高鐵后橋下開挖人工湖的案例卻屈指可數(shù)[1-2]，如何在不影響高鐵安全的情況下實施公路市政工程項目是我們新時代必須要正視的問題。

文中案例橋墩防護因地制宜地選取了格柵狀粉噴樁[3-4]作為防護結(jié)構(gòu)，粉噴樁屬于水泥攪拌法加固地基方法的一種形式，也叫加固土樁，它是利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的攪拌機械就地將軟土和固化劑強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理-化學反應，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強度的復合地基，粉噴樁一般用于特殊路基處理，也可用作臨時防護結(jié)構(gòu)。文中案例工程通過在格柵狀粉噴樁樁中心插筋，并在外側(cè)設置鋼筋混凝土護壁及壓頂梁，作為永久防護結(jié)構(gòu)應用于高鐵橋墩的防護中，確保了高鐵的運營安全。

1 工程概況

1.1 工程地理位置

杭州經(jīng)紹興至臺州鐵路（以下簡稱杭紹臺高鐵）線路全長223.77 km，設計速度為350 km∕h，杭紹臺高鐵是長江三角洲地區(qū)城際交通網(wǎng)絡的重要組成部分，也是中國首條民營資本控股的高鐵PPP 項目。杭紹臺高鐵開工建設后，地方政府規(guī)劃建設東山湖，東山湖水域面積193 畝，開挖深度在2～3 m，東山湖的建設可有效解決區(qū)域內(nèi)澇問題，因此東山湖的建設迫在眉睫。東山湖與杭紹臺高鐵交叉，且交叉范圍內(nèi)高鐵橋梁下部結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完成，正在架設上部梁體，東山湖的建設勢必會對已完成的高鐵橋梁樁基造成擾動，進而影響高鐵結(jié)構(gòu)安全，為此必須采取有效措施減小東山湖建設對高鐵橋墩的影響，且必須在杭紹臺高鐵開通運營前建設完成。東山湖與杭紹臺高鐵位置關系見圖1。

1.2 工程地質(zhì)條件

東山湖區(qū)橋址處地貌類型屬海積平原地貌，地面高程為3.15～3.65 m，地形較平坦，主要為村莊及耕地，特殊性巖土主要為淤泥、淤泥質(zhì)土，根據(jù)勘察結(jié)果，場地自上而下地層分述如下:

a）⑥22粉質(zhì)黏土（Q4al+m） 褐黃色，軟塑，顆粒成分以黏粒為主，上部為耕植土，含少量植物根系；厚度一般0.6～3.8 m，Ⅱ級普通土，σ0=120 kPa。

b）⑦61淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4m） 深灰色、灰褐色，流塑，有機質(zhì)含量約占3%～5%，有腥臭味，偶見貝殼碎片；層厚一般0.3～23.3 m，Ⅱ級普通土，σ0=45 kPa。

c）③22粉質(zhì)黏土（Q4al+l） 灰褐色，軟塑，含少量鐵錳質(zhì)氧化物等，層厚一般1.2～17.1 m，Ⅱ級普通土，σ0=100 kPa。

d）③121細圓礫土（Q4al+l） 灰褐色，稍密，飽和，礫石成分主要為凝灰?guī)r，呈圓棱狀，粒徑2～20 mm 的占50%～65%，大于20 mm 的占10%～15%，余為黏性土及砂充填，厚度1.2 m，Ⅱ級普通土，σ0=300 kPa。

e）?52凝灰?guī)r（J3Tu） 灰褐色，強風化，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)硬，巖體破碎，多呈碎塊狀，一般塊徑30～60 mm，最大80 mm，層厚0.7～21.9 m，Ⅳ級軟石，σ0=500 kPa。

橋址處基本地震動峰值加速度為0.05g，相當于地震基本烈度Ⅵ度。

1.3 水文地質(zhì)條件

東山湖區(qū)橋址處地下水主要為賦存于淺部黏性土層中的孔隙潛水，下部含黏性土碎石層中的孔隙承壓水、基巖裂隙水。

對于橋址處影響較大的主要是淺層孔隙潛水，主要賦存于淺部填土、黏性土層中，埋藏較淺，滲透性較弱，水量貧乏，地下水受季節(jié)氣候變化影響較大，勘察期間測得孔內(nèi)地下水埋深為0.50～1.00 m，場地內(nèi)孔隙潛水年變幅1.0 m 左右。典型地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 典型地質(zhì)剖面圖

2 工程防護措施

依據(jù)東山湖與鐵路橋墩的位置關系，對交叉范圍內(nèi)的56～88 號橋墩共計33 個橋墩進行了歸類整理分析，發(fā)現(xiàn)高鐵79～81 號橋墩場地范圍內(nèi)的淤泥、淤泥質(zhì)土，天然含水量高，孔隙比大，具高壓縮性，承載力低，工程特性差，含水量分布范圍26.6%～59.4%，其中79 號橋墩淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚達到24 m，80 號墩淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚達到19 m，且地基承載力僅有45 kPa，對工程建設影響較大，且湖體開挖后79～81 號橋墩樁基外漏，東山湖建設會引起附近地層應力的重分布和變形，破壞了樁基與土體既有平衡，造成樁基附加沉降與撓曲變形，進而引起橋墩和橋梁上部結(jié)構(gòu)發(fā)生位移。如果能采取有效措施減少湖體開挖對79～81 號橋梁樁基的擾動，就能夠保證整個東山湖湖體影響范圍內(nèi)高鐵橋墩的安全，從而減小東山湖開挖對高鐵橋墩的影響。綜合以上因素，決定采用格柵狀粉噴樁重力式水泥土擋土墻作為橋墩的防護結(jié)構(gòu)。東山湖開挖范圍平面見圖3。

79～81號橋墩采用圓形格柵狀粉噴樁水泥土重力式擋墻作為防護結(jié)構(gòu)，共計6排水泥攪拌樁，樁徑0.8 m，間距0.6 m，樁長8 m，墻體寬3.8 m。見圖4。

格柵狀粉噴樁樁頂部設置30 cm 厚鋼筋混凝土壓頂梁，粉噴樁樁中心插入3 m 長φ20 鋼筋并伸入壓頂梁內(nèi)，考慮到該次橋墩防護將作為永久性防護結(jié)構(gòu)，單純的粉噴樁樁體易受湖水浸泡沖刷，故在臨水側(cè)設置30 cm 厚鋼筋混凝土護壁，護壁伸入湖底高程下0.5 m，臨水側(cè)插入兩根φ20 鋼筋，待湖體開挖后，鑿出臨水側(cè)鋼筋，并與混凝土護壁鋼筋焊接牢固后，澆筑護壁混凝土。見圖5。

圖5 79～81號橋墩防護設計圖

3 有限元數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型

鑒于項目的復雜性，文中案例工程采用Midas GTS建立了三維模型，東山湖計算模型見圖6。為便于描述，首先給出計算模型中擬采用的坐標系：順鐵路橋方向為X軸；垂直鐵路橋方向為Y軸；豎直方向為Z軸。為消除計算邊界效應的影響，考慮施工過程中的空間效應，計算模型取其有效影響范圍，即模型沿X方向取1 110 m，沿Y方向取400 m，沿Z方向取土層深度85 m。

圖6 東山湖計算模型

模型建模思路為首先建立各土層、杭紹臺鐵路樁基、承臺、橋墩，將上部的荷載加在承臺上，以此作為初始階段，然后根據(jù)施工階段激活或鈍化相應單元及荷載，計算模型中土體采用三維混合網(wǎng)格模擬，鐵路橋墩、樁基礎均采用梁單元模擬，鐵路承臺板采用板單元模擬，鐵路橋梁荷載換算為等效均布荷載施加在承臺上。土體采用修正摩爾-庫倫模型來模擬土的本構(gòu)關系，模型頂面取為自由邊界，底面采用三向約束，其他面均采用法向約束，劃分土體網(wǎng)格時，開挖部分的土體加密劃分，遠離鐵路的土體區(qū)域可粗略劃分網(wǎng)格，保證計算精度的同時，又提高了計算精度。

3.2 計算參數(shù)及主要技術(shù)指標

為保障高鐵運營安全，公路、鐵路交叉穿越工程全周期中對既有高鐵橋的位移控制極為嚴苛，根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》[5]等相關規(guī)范要求，各土層參數(shù)取值見表1，模型中結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)見表2，杭紹臺高鐵橋墩墩頂位移控制值見表3。

表1 各土層基本物理力學參數(shù)取值表

表2 模型中結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)

表3 杭紹臺高鐵橋墩墩頂位移控制值 單位：mm

3.3 計算工況

文中案例工程模型分別模擬了鐵路橋墩未采取任何防護措施后開挖湖體、鐵路橋墩采取防護措施后開挖湖體、湖體開挖完成后湖體蓄水3 種工況下所引起的鐵路橋墩墩頂位移。

3.4 計算結(jié)果分析

分別對3 種工況下56～88 號橋墩墩頂?shù)臋M向、縱向、豎向位移進行了統(tǒng)計，不同工況下高鐵橋墩墩頂位移值見表4，鐵路橋墩采取防護措施后開挖湖體引起的橋墩頂變形云圖見圖7～圖9。

表4 模擬不同工況下高鐵橋墩墩頂位移值 單位：mm

圖7 鐵路橋墩附加豎向變形云圖

圖8 鐵路橋墩附加順橋向變形云圖

圖9 鐵路橋墩附加橫橋向變形云圖

表4可見79～81號橋墩的位移值最大，其中80號橋墩因完全位于湖體中，其墩頂位移值最大，在鐵路橋墩不采取防護措施的情況下，墩頂豎向位移值為-3.54 mm，縱向位移值為2.79 mm，橫向位移值為-2.85 mm，均大于2 mm，不滿足相關規(guī)范中的限值要求；在鐵路橋墩采取防護措施后，墩頂豎向位移值為-1.03 mm，縱向位移值為1.34 mm，橫向位移值為-0.30 mm，均小于2 mm，能夠滿足相關規(guī)范要求；東山湖蓄水后，鐵路橋墩墩頂位移值較蓄水前位移值變化不大，墩頂豎向位移值為-0.95 mm，縱向位移值為1.15 mm，橫向位移值為-0.21 mm，均小于2 mm，能夠滿足相關規(guī)范要求，通過不同工況下的模型模擬數(shù)值分析，初步判定案例中鐵路橋墩的防護措施是合理的，可靠的，東山湖的建設對高鐵橋墩影響較小，能夠保證高鐵運營安全。

4 施工完成后監(jiān)測數(shù)據(jù)

杭紹臺高鐵已于2022年1月8日開通運營。運營后實測的橋墩墩頂位移值見表5所示，格柵狀粉噴樁及壓頂梁和護壁防護實景圖見圖10、圖11。其中，56～88 號橋墩中80 號橋墩的墩頂位移值最大，豎向位移值為-0.97 mm，縱向位移值為0.89 mm，橫橋向位移值為0.35 mm，均在可控范圍內(nèi)，且與有限元模型模擬值較吻合，高鐵橋墩安全穩(wěn)定。

表5 東山湖開挖完成后實測高鐵橋墩墩頂位移值 單位：mm

圖10 格柵狀粉噴樁防護實景圖

圖11 粉噴樁壓頂梁及護壁防護實景圖

目前東山湖尚未蓄水，東山湖湖體蓄水后將持續(xù)對文中案例工程中橋墩頂位移進行追蹤監(jiān)測，以保證高鐵運營安全。

5 結(jié)論

文中案例工程在地質(zhì)條件較差的情況下，設計采用格柵狀粉噴樁重力式擋墻作為橋墩的防護結(jié)構(gòu)，設計過程中采用有限元方法，模擬了格柵狀粉噴樁對高鐵橋墩進行防護后，橋墩頂?shù)呢Q向、水平位移量，并經(jīng)實施后實際監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證，格柵狀粉噴樁在深厚淤泥質(zhì)軟土層中的防護措施是成功的?？傻玫揭韵陆Y(jié)論：

a）格柵狀粉噴樁同時通過樁中心插筋，并設置鋼筋混凝土護壁及壓頂梁可作為永久支護結(jié)構(gòu)使用。

b）格柵狀粉噴樁在深厚淤泥質(zhì)軟土層中應用效果較好，對臨近高鐵橋墩的影響較小，可為類似工程提供參考依據(jù)。