高速鐵路制梁臺(tái)座設(shè)計(jì)方案研究

劉學(xué)忠

(中鐵三局第六工程有限公司，山西晉中 030600)

1 概述

鐵路工程與其他工程相比，一個(gè)顯著特點(diǎn)是大型臨時(shí)工程規(guī)模比較大。高速鐵路建設(shè)中，制梁場(chǎng)因其臨時(shí)占地面積大、造價(jià)高，是工程建設(shè)中最重要的大型臨時(shí)工程。然而，目前開(kāi)工在建高鐵在梁場(chǎng)制梁臺(tái)座設(shè)計(jì)上，各單位設(shè)計(jì)理念不一、差別較大。根據(jù)筆者的調(diào)查，有的制梁場(chǎng)臺(tái)座所需成本竟然高達(dá)30萬(wàn)元以上，而有的卻只有10萬(wàn)元～15萬(wàn)元，所以臺(tái)座方案設(shè)計(jì)對(duì)造價(jià)有著很大的影響。筆者以大西高鐵洪洞制梁場(chǎng)為例，介紹在制梁臺(tái)座方案選擇上的一些方法和思維。

2 工程概況

大西客專洪洞制梁場(chǎng)設(shè)制梁臺(tái)座10座。預(yù)制梁的結(jié)構(gòu)形式是單箱單室雙線整孔無(wú)砟軌道箱形簡(jiǎn)支梁，梁型為高速鐵路廣泛采用的通橋(2008)2322A系列。設(shè)計(jì)共預(yù)制梁583孔，每孔跨徑31.5 m，梁自重835 t。場(chǎng)地位于汾河流域低階地，場(chǎng)地土層主要由第四紀(jì)全新世早期以及上更新世沖洪積成因的粉質(zhì)粘土、卵石組成。地表粉質(zhì)粘土層承載力特征值fak=120 kPa，承載力較低。

3 制梁臺(tái)座地基處理方案比選和設(shè)計(jì)

制梁臺(tái)座地基加固的目的在于提高地基剛度，減少總沉降量和不均勻沉降量。根據(jù)《客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件》有關(guān)規(guī)定，預(yù)制梁在存梁時(shí)，四支撐點(diǎn)不平衡量不大于2 mm。由于施工荷載重，地基承載力要求高，必須選擇合適的地基處理方案，以提高地基承載力、減少沉降和控制不均勻沉降。地基處理加固將直接關(guān)系到預(yù)制梁工程的造價(jià)、質(zhì)量和進(jìn)度。

3.1 地基應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)《鐵路大型臨時(shí)工程和過(guò)渡工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)［2008］189號(hào))有關(guān)規(guī)定，制梁臺(tái)座結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)按照以下兩種最不利工況進(jìn)行設(shè)計(jì):1)澆筑梁體完畢尚未張拉時(shí)，設(shè)計(jì)荷載均布于制梁臺(tái)座上，如圖1所示;2)臺(tái)座上混凝土梁張拉完畢尚未提梁時(shí)，箱梁結(jié)構(gòu)自重荷載集中作用于制梁臺(tái)座兩端，如圖2所示。

圖1 混凝土澆筑完畢至張拉前臺(tái)座受力示意圖

作用在混凝土臺(tái)座上的荷載主要有:模板1 800 kN、梁重8 350 kN、施工荷載300 kN、混凝土臺(tái)座總重1 920 kN(其中兩端重455 kN)。根據(jù)《鐵路大型臨時(shí)工程和過(guò)渡工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》，超載系數(shù)取 1.1。

圖2 初張拉后至提梁前臺(tái)座受力示意圖

第一種工況下，作用于臺(tái)座均布荷載 q1=1.1×(1 800+8 350+300+1 920)/32.6=417 kN/m。作用于地基的平均應(yīng)力為 p=417/6.0=70 kPa。

第二種工況下，作用于臺(tái)座均布荷載 q2=1.1×(1 800+8 350+300+455)/2/3=1 817 kN/m。作用于地基的平均應(yīng)力為p=1 817/6.0=302 kPa。

3.2 地基處理方案選擇

根據(jù)規(guī)范要求，在選擇地基處理方案中，考慮因素如下:

1)考慮到本場(chǎng)地地下水位埋深較淺，采用強(qiáng)夯法壓密淺層土?xí)r，易出現(xiàn)橡皮土現(xiàn)象，強(qiáng)度提高幅度難以達(dá)到要求;采取降水加強(qiáng)夯方式對(duì)工期不利;本場(chǎng)區(qū)缺土，強(qiáng)夯施工要求補(bǔ)給土因而增加成本。2)本場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件適合注漿，但注漿方式存在以下問(wèn)題:無(wú)上覆壓力情況下注入量有限，且很難精確控制漿液注入量，加固后的地基存在局部范圍不均勻的問(wèn)題，容易造成不均勻沉降，令注漿難以達(dá)到很高的加固要求。3)CFG樁作為取土樁，常用樁徑400 mm～600 mm。本場(chǎng)區(qū)的Q4地層土較為松散，成孔、保持孔徑較困難，孔壁穩(wěn)定性難以保證，施工質(zhì)量難以控制。4)PHC管樁和預(yù)制方樁;場(chǎng)區(qū)附近經(jīng)初步調(diào)查無(wú)預(yù)制樁廠，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制受現(xiàn)場(chǎng)客觀條件限制對(duì)工期不利。從太原等外地運(yùn)樁來(lái)現(xiàn)場(chǎng)成本較高。由于卵石層較厚，粒徑不均勻，以之為持力層時(shí)，為保證樁基承載力需貫入一定深度，對(duì)施工設(shè)備和施工控制要求較高，難以保證施工質(zhì)量。5)灌注樁，包括鉆孔樁挖孔樁。灌注樁施工中，場(chǎng)地淺層松散的黃土層有塌孔和跑漿的可能，需有嚴(yán)格的護(hù)壁措施。卵石層為稍密～中密，易塌孔，施工難度較大;施工工藝有排漿的要求，場(chǎng)地整潔困難，成本較高。場(chǎng)地地下水位較高，無(wú)法采用挖孔樁施工。6)水泥土攪拌樁屬于成熟技術(shù)，加固材料單一，適宜本場(chǎng)地地基加固。相比于單軸、雙軸攪拌樁，三軸攪拌樁具有施工質(zhì)量保證度高、樁體強(qiáng)度大、成樁質(zhì)量好、場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)、施工進(jìn)度快的特點(diǎn)，適宜對(duì)本場(chǎng)地部分工程進(jìn)行地基加固。

綜合研究后，確定采用三軸攪拌樁加固處理制梁臺(tái)座地基。對(duì)部分填方區(qū)域填土分層碾壓密實(shí)，填筑分層厚度30 cm～50 cm，壓實(shí)度不小于93%。

3.3 地基處理設(shè)計(jì)

根據(jù)在類似地基的京滬高鐵、石武客專等數(shù)個(gè)梁場(chǎng)的施工經(jīng)驗(yàn)，采用三軸攪拌樁進(jìn)行地基加固，加固效果好，施工進(jìn)度快，成樁質(zhì)量穩(wěn)定;單幅加固面積大，因此底板抗沖切要求低、底板厚度比樁基方案低;為保證臺(tái)座整體沉降變形均勻，除在臺(tái)座兩端進(jìn)行加固外，臺(tái)座中部區(qū)域也進(jìn)行了加固，基礎(chǔ)整體的不均勻沉降較小(據(jù)實(shí)測(cè)小于2 mm)。臺(tái)座范圍地基加固平面布置詳見(jiàn)圖3。

圖3 32m長(zhǎng)制梁臺(tái)座地基加固平面布置圖

樁型采用φ850@600水泥土攪拌樁。采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，水灰比1.5，水泥摻入比22%。外加劑木質(zhì)素用量為水泥用量的0.2%。為保證水泥土攪拌均勻，必須控制好鉆機(jī)下沉及提升速度，鉆機(jī)鉆進(jìn)攪拌速度一般在1 m/min，提升攪拌速度一般在1.0 m/min～1.5 m/min，以保證水泥土能夠充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颉Ｌ嵘俣炔灰诉^(guò)快，避免孔壁塌方等現(xiàn)象。樁施工時(shí)，相鄰兩樁施工間隔不得超過(guò)12 h。

1)工程量。加固范圍基礎(chǔ)寬度6.0 m，長(zhǎng)33.4 m，樁長(zhǎng)9.5 m(有效樁長(zhǎng)9 m)。三軸攪拌樁單個(gè)臺(tái)座工程量為28根樁，加固樁的總面積為42 m2，總進(jìn)尺約294 m，總方量為441 m3。按照180元/m3計(jì)算，單個(gè)臺(tái)座造價(jià)約7.9萬(wàn)元。按照初步布置的10個(gè)臺(tái)座計(jì)算，總方量約4 410 m3，總造價(jià)約79萬(wàn)元。

2)承載力驗(yàn)算。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范第12.2.2條規(guī)定，用水泥土樁處理的地基，其承載力計(jì)算公式如式(1)所示。

其中，fspk為復(fù)合地基容許承載力特征值，kPa;m為面積置換率，臺(tái)座中部取0.17，兩端取 0.40;Ap為樁的截面積，m2，單樁為1.5 m2;fsk為樁間土容許承載力，實(shí)勘得120 kPa;β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0.9;Ra為單樁豎向承載力特征值，kN，通過(guò)式(2)，式(3)估算取小值。

其中，fcu為抗壓強(qiáng)度平均值，取1.6 MPa;η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.30;d為樁的平均直徑;D為樁周長(zhǎng)，三軸攪拌樁為3.34 m;n為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);li為樁周第i層土的厚度，m;L為樁有效長(zhǎng)度，m;qi為樁周第i層土的容許摩阻力，取15 kPa;αp為樁端土承載力折減系數(shù)，取0.6;qp為樁端土的容許承載力，取300 kPa。

按式(2)計(jì)算:Ra=ηfcu·Ap=0.30×2 000×1.5=900 kN。

按式(3)計(jì)算:Ra=D ×L×qi+αp×Ap×qp=5.33×9.5×15+0.6×300×1.5=1 030 kN，取 Ra=900 kN。

復(fù)合地基承載力:臺(tái)座中部:fspk=0.17 ×900/1.5+0.9 ×110 ×(1 －0.17)=184 kPa＞70 kPa，滿足要求。

臺(tái)座兩端:fspk=0.4×900/1.5+0.9×110×(1 －0.4)=305 kPa＞302 kPa，滿足要求。

4 制梁臺(tái)座設(shè)計(jì)

根據(jù)上述圖1，圖2臺(tái)座的受力模型，臺(tái)座兩端與中間部位通過(guò)沉降縫分隔開(kāi)來(lái)，從而使預(yù)制梁從澆筑至提梁搬走，對(duì)臺(tái)座連續(xù)墻的作用只有豎向壓力，連續(xù)墻不承受彎矩作用，因此臺(tái)座連續(xù)墻的配筋只需考慮構(gòu)造配筋即可。與采用彈性地基梁原理設(shè)計(jì)的臺(tái)座相比，減少了大量鋼筋用量。洪洞梁場(chǎng)的實(shí)踐證明，計(jì)算模型的選取較為符合實(shí)際受力情況。

制梁臺(tái)座結(jié)構(gòu)通常采用3道連續(xù)墻的結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。

圖4 臺(tái)座平面布置示意圖

5 結(jié)論和建議

通過(guò)洪洞制梁場(chǎng)臺(tái)座方案的設(shè)計(jì)表明:1)結(jié)合地形地質(zhì)條件及當(dāng)?shù)乜商峁┑纳鐣?huì)資源，選擇合適的地基處理方案，在給施工帶來(lái)便利的同時(shí)，可大幅節(jié)約成本。2)在方案設(shè)計(jì)中，合理的受力分析模型非常重要。據(jù)對(duì)其他一些梁場(chǎng)的調(diào)查，部分制梁場(chǎng)臺(tái)座連續(xù)墻通長(zhǎng)設(shè)置，未在兩端設(shè)沉降縫，將連續(xù)墻當(dāng)作彈性地基梁進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果結(jié)構(gòu)承受較大的彎矩，需配很多鋼筋，給項(xiàng)目增加了成本。本項(xiàng)目每個(gè)制梁臺(tái)座總成本約12萬(wàn)元，較為經(jīng)濟(jì)。

通過(guò)洪洞梁場(chǎng)制梁臺(tái)座設(shè)計(jì)方案的比選，筆者認(rèn)為當(dāng)前在臺(tái)座設(shè)計(jì)上還存在以下一些問(wèn)題:

1)根據(jù)《鐵路大型臨時(shí)工程和過(guò)渡工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》有關(guān)規(guī)定，臺(tái)座上混凝土梁張拉完畢尚未提梁時(shí)，箱梁結(jié)構(gòu)自重荷載集中作用于制梁臺(tái)座兩端。而根據(jù)筆者現(xiàn)場(chǎng)的觀察，梁體初張拉后，梁體中部與底模并未產(chǎn)生明顯的分離。據(jù)分析可能是在初張拉兩端預(yù)應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的外力矩較小，引起梁體跨中向上的撓度不足以克服梁體自重作用所產(chǎn)生的向下的撓度，導(dǎo)致實(shí)際上箱梁結(jié)構(gòu)自重荷載并未全部集中作用于臺(tái)座兩端，而使兩端偏大，中部尚有部分豎向支撐力。所以全部支撐于臺(tái)座兩端的假設(shè)可能導(dǎo)致豎向荷載偏大。

2)現(xiàn)場(chǎng)箱梁設(shè)計(jì)橫截面尺寸分析，3個(gè)連續(xù)墻并非均勻受力。如何根據(jù)梁體截面尺寸及模板的支撐情況，準(zhǔn)確分析荷載在3道連續(xù)墻的分配需要進(jìn)一步研究。在未對(duì)此有準(zhǔn)確的分析結(jié)果之前，臺(tái)座設(shè)計(jì)上應(yīng)該考慮偏載安全系數(shù)。

有關(guān)對(duì)臺(tái)座的工作機(jī)理的研究分析，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的探索，從而進(jìn)一步提高梁場(chǎng)臺(tái)座設(shè)計(jì)水平。