碎石注漿樁樁筏結(jié)構(gòu)在高速鐵路軟基處理中的應(yīng)用

朱一康

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

滬寧城際鐵路為高等級(jí)雙線鐵路，全線鋪設(shè)無砟軌道，是目前世界上已經(jīng)建成并開通運(yùn)營的標(biāo)準(zhǔn)最高、里程最長、運(yùn)營速度最快的城際鐵路。無砟軌道對(duì)地基及基床的變形要求非常嚴(yán)格，要求路基工后沉降小于15 mm，同時(shí)基床必須滿足長期動(dòng)力穩(wěn)定性要求。滬寧城際鐵路沿線大多屬于長江三角洲沖積平原區(qū)，軟土、松軟土分布廣泛，厚度大，空間分布復(fù)雜，地基處理難度大。全線有46處下穿各類既有立交，受凈空高度影響，路基地段大多為低矮路堤，排水困難，需要對(duì)路基基底進(jìn)行強(qiáng)化處理，而選擇適宜的措施對(duì)既有橋梁下的地基進(jìn)行有效處理，是能否減少既有橋梁拆遷，以及降低線路高程、減小橋路比的關(guān)鍵，對(duì)本線的工程投資、施工工期有著極大的影響。

2 概況

2.1 工程概況

滬寧城際鐵路在常州市境內(nèi)以路堤形式下穿既有沿江(常澄)高速公路圩墩大橋和S232省道圩墩大橋。本段路堤填筑高度3.1～4.4 m，橋下地面高程1.50 m，公路橋梁梁底高程12.69 m，凈空11.19 m，滬寧城際鐵路左線中心距公路墩臺(tái)邊緣最小距離為7.85 m，平面位置如圖1所示，路基橫斷面設(shè)計(jì)如圖2所示。采用傳統(tǒng)地基處理方案無法滿足既有公路橋下施工凈空要求。

2.2 工程地質(zhì)條件

圖1 滬寧城際鐵路下穿沿江高速公路及S232省道平面示意(單位:m)

圖2 滬寧城際鐵路下穿沿江高速公路及S232省道設(shè)計(jì)斷面示意(單位:m)

工點(diǎn)屬長江三角洲沖積平原，地形平坦開闊，地勢(shì)低平，深厚層軟土、松軟土發(fā)育，軟弱土層底面深達(dá)27.5 m。軟土層具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低的特征，天然地基不能滿足工程要求，必須采用適宜的措施進(jìn)行加固處理。各地層自上而下分別為:(0)層人工填土層，黏性土夾少量碎石，層厚約1.8 m;(1)層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，流塑，夾有粉土透境體，層厚約7.9 m;(2)層粉質(zhì)黏土層，硬塑，層厚約10.0 m;(3)層粉質(zhì)黏土層，軟塑，層厚約7.8 m;(4)層粉土層，中密，很濕～飽和狀，層厚約6.0 m;(5)層粉質(zhì)黏土層，硬塑，層厚大于5 m;各地層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各地層主要物理力學(xué)指標(biāo)

3 地基加固方案

3.1 地基加固方案的選擇

為滿足路基的穩(wěn)定要求，并有效控制路基的工后沉降，經(jīng)檢算，需要對(duì)地基進(jìn)行深層加固處理，加固深度應(yīng)達(dá)到(3)層軟塑粉質(zhì)黏土層層底以下。工點(diǎn)地基可選擇的加固措施有:水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)、預(yù)應(yīng)力管樁、鉆孔灌注樁、碎石注漿樁等。由于本工點(diǎn)對(duì)施工凈空有較大限制，僅為11.19 m，并且加固深度較大，因此，需要對(duì)各種加固方案進(jìn)行比選。各種地基加固方案對(duì)本工點(diǎn)的適應(yīng)情況分析見表2。

表2 各種地基加固方案適應(yīng)性比選

通過對(duì)比分析，CFG樁施工設(shè)備高度大，不能滿足橋下凈空要求，且加固深度難以滿足本工點(diǎn)加固深度要求;預(yù)應(yīng)力管樁雖然可滿足加固深度要求，但是無論是采用錘擊法還是靜壓法施工，橋下凈空均無法滿足機(jī)具設(shè)備的要求，如果采用管樁加固方案，必須拆除既有公路橋梁，待地基加固完成后重新架設(shè)橋梁。公路橋梁的拆除重建需要大量資金投入，交通臨時(shí)改道將造成很大的社會(huì)影響，增加巨大的社會(huì)成本，并對(duì)滬寧城際鐵路的總工期造成較大影響。鉆孔灌注樁及碎石注漿樁這2種地基加固方案，均可采用小型鉆孔樁樁機(jī)設(shè)備成孔，其機(jī)具設(shè)備高約7 m，滿足橋下施工空間要求，不需要拆除既有橋梁。同時(shí)，鉆孔灌注樁、碎石注漿樁都具有樁身強(qiáng)度大、單樁承載力高、地層適用范圍廣的特點(diǎn)，均適用于無砟軌道路基加固工程，能滿足地基加固要求，但是鉆孔灌注樁方案造價(jià)較高，相比之下碎石注漿樁方案更具優(yōu)勢(shì)。在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等多方面綜合比選，確定采用對(duì)既有公路橋梁無影響、造價(jià)較低的碎石注漿樁對(duì)該段地基進(jìn)行加固處理。

3.2 地基處理方案設(shè)計(jì)

3.2.1 地基處理方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)采用碎石注漿樁樁筏結(jié)構(gòu)對(duì)地基進(jìn)行加固處理。碎石注漿樁樁徑0.5 m，樁長29.5～30.0 m，樁間距1.8 m，采用正方形布置，樁頂鋪設(shè)鋼筋混凝土筏板。碎石注漿樁樁體材料采用碎石、中粗砂、水泥配合而成，按C20混凝土進(jìn)行配比。

碎石注漿樁屬于剛性樁范疇，需要對(duì)樁的承載力進(jìn)行驗(yàn)算。單樁容許承載力[P]按式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算，并取其較小值

式中 η——樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.35～0.5;

Pf——樁體抗壓強(qiáng)度平均值;

Ap——樁身截面積;

U——樁身截面周長;

qi——樁周第i層地層的容許側(cè)阻力;

li——樁周第i層土的厚度;

qp——樁尖地層容許端阻力。

計(jì)算結(jié)果表明，單樁容許承載力大于樁頂所受到的荷載，路堤穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

沉降估算采用壓縮模量分層計(jì)算，沉降量S按式(3)進(jìn)行計(jì)算

式中 Esi——第i層土的壓縮模量(對(duì)于加固區(qū)為復(fù)合模量);

ΔPi——路堤荷載對(duì)第i層土中點(diǎn)的附加應(yīng)力;

Δhi——第i層土的厚度。

作用于下臥層頂面的荷載采用應(yīng)力擴(kuò)散法計(jì)算。壓縮層計(jì)算深度按應(yīng)力比法確定，計(jì)算至附加應(yīng)力等于0.1倍自重應(yīng)力深度處。沉降估算結(jié)果表明:路基工后沉降滿足鋪設(shè)無砟軌道要求。

3.2.2 碎石注漿樁施工工藝

碎石注漿樁采用小型鉆孔樁機(jī)成孔，機(jī)具高度約7 m。施工步驟:平整場地→鉆孔定位→鉆孔至設(shè)計(jì)深度→插入注漿管至孔底→孔內(nèi)充填碎石料至孔口→利用注漿管孔底返水洗孔→通過注漿管往孔內(nèi)注漿，采用孔底返漿法注入水泥砂漿→樁頭插筋、振動(dòng)搗密→養(yǎng)護(hù)成樁。樁體經(jīng)檢驗(yàn)合格后，在樁頂鋪設(shè)0.2 m厚碎石墊層，其上鋪設(shè)0.5 m厚C30鋼筋混凝土筏板。筏板混凝土強(qiáng)度滿足要求后，分層進(jìn)行路基填筑至路肩設(shè)計(jì)高程。

4 效果評(píng)價(jià)

4.1 施工對(duì)既有公路的影響

碎石注漿樁樁筏結(jié)構(gòu)處理橋下軟土地基施工期間，既有沿江(常澄)高速公路圩墩大橋和S232省道圩墩大橋均正常運(yùn)營，無需采取封道或限速措施;施工未對(duì)既有公路橋梁造成任何質(zhì)量影響。

4.2 沉降分析評(píng)估結(jié)果

路基主體工程施工完成后，對(duì)路基沉降變形進(jìn)行連續(xù)觀測，并根據(jù)沉降特征評(píng)判路基沉降是否滿足鋪設(shè)無砟軌道的要求。沉降監(jiān)測結(jié)果表明，本段路基填筑完成后，在堆載預(yù)壓期間，各沉降觀測點(diǎn)發(fā)生的最大沉降量為3.41 mm，采用Asaoka法預(yù)測最終沉降量為4.71 mm，滿足鋪設(shè)無砟軌道的要求。代表性沉降監(jiān)測點(diǎn)沉降曲線見圖3。

圖3 代表性沉降監(jiān)測點(diǎn)沉降曲線

4.3 實(shí)際運(yùn)營效果評(píng)價(jià)

滬寧城際鐵路施工完成后，試運(yùn)營期間列車最高時(shí)速達(dá)到354 km。經(jīng)過1年的試運(yùn)營及正式運(yùn)營實(shí)踐，路基穩(wěn)定，線路狀況良好，列車運(yùn)營平穩(wěn)，充分驗(yàn)證了碎石注漿樁樁筏結(jié)構(gòu)對(duì)本段地基的加固滿足線路穩(wěn)定要求，沉降控制效果良好。

5 結(jié)論

碎石注漿樁樁筏結(jié)構(gòu)處理深厚層軟土地基設(shè)計(jì)方案具有施工機(jī)具設(shè)備體積小、對(duì)施工空間要求不高、對(duì)周圍環(huán)境施工干擾小、加固深度大、地層適應(yīng)性廣、造價(jià)相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，不僅成功地解決了滬寧城際鐵路路基工程工后沉降控制的難題，對(duì)節(jié)省投資和縮短工期起到了很大作用，而且豐富了國內(nèi)深厚層軟土地區(qū)無砟軌道鐵路下穿既有橋梁地段路基基底處理方法，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，可廣泛應(yīng)用于高速鐵路、客運(yùn)專線等高標(biāo)準(zhǔn)鐵路的設(shè)計(jì)與施工。

[1]TB10001—2005 鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]TB10035—2006 鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].

[4]GB50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]JGJ79—2002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[6]JGJ94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[7]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.滬寧城際鐵路施工圖[R].武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2008.

[8]西南交通大學(xué).滬寧城際鐵路線下工程沉降分析評(píng)估報(bào)告[R].成都:西南交通大學(xué)，2009.