新建高速鐵路受限地段路基設(shè)計(jì)實(shí)踐
——以商合杭高鐵為例

吳成杰

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

1 概述

我國“四縱四橫”骨干高速鐵路網(wǎng)已基本建設(shè)完成，目前正在加緊建設(shè)“八縱八橫”高鐵網(wǎng)[1]。由于高速鐵路運(yùn)營速度高，變形控制嚴(yán)格，新線建設(shè)對(duì)既有高鐵周邊環(huán)境的影響大，對(duì)運(yùn)營產(chǎn)生不利影響，特別是在既有車站受限地段。目前，在建或計(jì)劃修建的高速鐵路，如何做到與既有高速鐵路網(wǎng)無縫銜接，存在較大的問題。這些問題在目前國內(nèi)的高速鐵路建設(shè)中時(shí)有遇到，解決起來較為困難。國際上，大規(guī)模成網(wǎng)需要并行營業(yè)線的情形很少遇到，缺少經(jīng)驗(yàn)可循；我國高鐵建設(shè)及運(yùn)營時(shí)間尚短，目前還處于摸索階段，缺少成熟、系統(tǒng)的技術(shù)方案。近年來，已出現(xiàn)由于周邊環(huán)境的變化導(dǎo)致營業(yè)線出現(xiàn)附加沉降和偏移以及施工受限地段路基影響營業(yè)線安全的案例[2]，采用常規(guī)的加固處理方案無法妥善解決。

設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的無砟軌道商丘至合肥至杭州高速鐵路(以下簡稱“商合杭高鐵”)需要接入既有的水家湖站、肥東站、合肥北城站、蕪湖站，接入前后，較長距離存在不同條件限制施工的地段和鄰近營業(yè)線路基，包括合蚌高鐵、合寧鐵路、合福高鐵、皖贛鐵路等。這些受限地段和鄰近營業(yè)線段施工時(shí)，必然會(huì)對(duì)營業(yè)線安全產(chǎn)生不利影響。通過采用合理的設(shè)計(jì)、施工方案[3-4]，確保這些受限地段既有鐵路運(yùn)營安全和施工安全是急需解決的問題，實(shí)踐證明采取針對(duì)性的綜合加固處理措施效果良好。

受限地段的路基主要類型有：(1)引入既有水家湖站，有施工機(jī)具限高要求，咽喉區(qū)場地拆遷，需保護(hù)既有設(shè)備；(2)引入既有肥東站鄰近營業(yè)線，路基填筑高度較高，荷載過大，會(huì)對(duì)既有路基產(chǎn)生附加變形和偏移[5]；(3)引入既有合肥北城站，受既有橋梁工程影響場地受限，橋路過渡路基長度較短且坡腳需收坡；(4)引入既有蕪湖站高鐵限速地段，場地地基承載力較低，施工機(jī)具需采取抗傾覆措施。

針對(duì)以上情況，必須控制不同類型受限地段路基施工對(duì)營業(yè)線的影響，并確保線路安全運(yùn)營，在建過程根據(jù)實(shí)際情況，商合杭高鐵路基設(shè)計(jì)主要采用碎石注漿樁地基處理、泡沫輕質(zhì)土填筑、CFG樁、鉆(挖)孔樁+承載板、鉆(挖)孔樁+筏板(U形槽)結(jié)構(gòu)等綜合處理方式，減小對(duì)營業(yè)線的不利影響。

2 水家湖站路基設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

水家湖站位于安徽省合肥市長豐縣水家湖鎮(zhèn)，新建商合杭場[6]與既有合蚌客運(yùn)專線間距32.0 m(中-中)。合蚌高鐵為運(yùn)營時(shí)速300 km無砟軌道高速鐵路，在施工期間已同步實(shí)施商合杭場站臺(tái)450 m長度區(qū)段CFG樁地基處理和基床底層換填工程；其余地段均需要增建路基。

水家湖站地處河流高階地，地勢平坦，交通便利。地層如下：表層素填土，雜色，松散，厚1～2 m；①Q(mào)3al黏土，灰色，夾有黃褐色，硬塑，σ0=160 kPa，厚1～6 m；②Q3al黏土，褐黃色、黃褐色，硬塑，局部夾有少量鐵錳結(jié)核，σ0=180 kPa，厚4～20 m；③Q3al細(xì)圓礫土，褐黃、紅棕色，密實(shí)，飽和，σ0=300 kPa，厚0～3 m；⑤1K2x鈣質(zhì)砂巖，全風(fēng)化，棕紅色；⑤2K2x鈣質(zhì)砂巖，強(qiáng)風(fēng)化，棕紅色；⑤3K2x鈣質(zhì)砂巖，弱風(fēng)化，棕紅色。

2.2 設(shè)計(jì)方案

包含變更設(shè)計(jì)在內(nèi)，水家湖站商合杭線地基處理共設(shè)計(jì)了碎石注漿樁、CFG樁、鉆孔樁+承載板、挖孔樁+承載板四種地基處理方案[7-8]。

2.2.1 碎石注漿樁方案

碎石注漿樁是一種新型地基處理方法，其施工工藝流程為：鉆機(jī)成孔→一次清孔→下注漿管→碎石投放→清洗鉆孔→壓力注漿。注漿采用孔底返漿，注漿壓力2～5 MPa。碎石注漿樁采用取芯鉆機(jī)施工時(shí)，機(jī)具輕便、高度僅6～8 m，特別適合于水家湖站施工機(jī)具高度受限地段，可完全避免施工機(jī)械傾覆危及營業(yè)線運(yùn)營的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

水家湖站碎石注漿樁處理地段，設(shè)計(jì)樁間距1.8 m，樁長8～15 m，正方形布置，樁頂設(shè)置0.6 m厚碎石+中粗砂+土工格柵褥墊層，設(shè)計(jì)樁體28 d立方體抗壓強(qiáng)度≮10 MPa。典型設(shè)計(jì)斷面如圖1所示，處理效果見圖2。

圖1 碎石注漿樁典型設(shè)計(jì)斷面

圖2 碎石注漿樁成樁效果(右側(cè)為合蚌高鐵)

理論計(jì)算結(jié)果表明，堆載預(yù)壓荷載，不會(huì)引起鄰近合蚌高鐵路基的附加沉降，見圖3。碎石注漿樁施工過程中，合蚌高鐵保持正常運(yùn)營，施工安全風(fēng)險(xiǎn)得到充分規(guī)避。

圖3 沉降計(jì)算結(jié)果

2.2.2 CFG樁方案

CFG樁方案為變更設(shè)計(jì)方案。施工過程中，碎石注漿樁具有施工機(jī)械高度小、對(duì)既有線無傾覆的安全威脅，但存在工效較低，需要人工較多的缺點(diǎn)。經(jīng)過研究，對(duì)CFG樁設(shè)備進(jìn)行了改裝，將CFG樁支架高度控制在15 m以內(nèi)，部分加固深度10 m以內(nèi)的碎石注漿樁變更為CFG樁。施工期間，在CFG樁架上設(shè)2根固定纜繩，防止樁機(jī)傾覆。該方案大幅提高了工效，并降低了投資。

2.2.3 鉆孔樁+承載板結(jié)構(gòu)方案

在水家湖站兩端咽喉區(qū)，受制于拆遷影響，路基預(yù)壓期不足，且新線路基離營業(yè)線路基更近，施工風(fēng)險(xiǎn)更大，因此設(shè)計(jì)采用鉆孔樁+承載板結(jié)構(gòu)方案[9]，穩(wěn)定性好，嚴(yán)格控制了沉降，對(duì)營業(yè)線無影響。鉆孔灌注樁徑φ0.8 m，間距4.0 m×5.0 m，樁長14.0～19.0 m；承載板采用C40鋼筋混凝土澆筑，厚0.65 m。樁板結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)見圖4、圖5。

圖4 咽喉區(qū)樁板結(jié)構(gòu)平面布置

圖5 咽喉區(qū)樁板結(jié)構(gòu)橫斷面設(shè)計(jì)

2.2.4 挖孔樁+承載板設(shè)計(jì)方案

原合蚌高鐵牽引變電所位于商合杭場右側(cè)，輸電線橫跨商合杭高鐵。受限于施工凈高和保護(hù)輸電塔的需要，采用兩個(gè)單元的挖孔樁+承載板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)施后達(dá)到了好的效果。挖孔樁直徑1.25 m，挖孔樁橫向間距3.8 m，縱向跨度(2.79+8.0+8.0+2.79) m。承載板采用C40鋼筋混凝土板，厚0.65 m，寬10.5 m。挖孔樁+承載板設(shè)計(jì)方案見圖6、圖7。

圖6 挖孔樁+承載板結(jié)構(gòu)平面布置

圖7 挖孔樁+承載板結(jié)構(gòu)橫斷面設(shè)計(jì)

3 肥東站路基設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

肥東站位于安徽省合肥市肥東縣，原為合寧鐵路車站，2臺(tái)6線，合寧鐵路為運(yùn)營時(shí)速200 km有砟軌道鐵路。商合杭高鐵引入肥東站時(shí)，在車站兩側(cè)各增加1股道，作為商合杭正線，并改建既有2股道作為到發(fā)線；商合杭高鐵新建維修工區(qū)緊鄰既有高路堤布置。商合杭鐵路正線路基填高3.1～9.3 m，維修工區(qū)填高3.5～11.3 m。

車站所處場地屬于崗地間坳谷地貌，地面平坦開闊。地層主要為：表層人工填土，多為合寧線路基填土；①Q(mào)4al淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰褐色，流塑，σ0=80 kPa；②Q4al黏土，褐灰色，軟塑，σ0=120 kPa；③Q3al黏土，褐黃色，硬塑，σ0=180 kPa。

3.2 設(shè)計(jì)方案

鄰近既有路基填土勢必造成既有路基產(chǎn)生附加沉降，影響正常運(yùn)營；道岔區(qū)的不均勻變形甚至?xí)＜斑\(yùn)營安全。商合杭高鐵施工圖設(shè)計(jì)從兩方面考慮減輕新建路堤填土對(duì)高鐵營業(yè)線路基的影響：一是采用攪拌樁對(duì)軟弱地基進(jìn)行加固處理，保持地基穩(wěn)定，控制軟弱地基的變形；二是對(duì)于填土較高、荷載較大地段，基床以下路堤采用泡沫輕質(zhì)土填筑，減小填土荷載，從而減小對(duì)營業(yè)線路基的影響。

肥東站正線路基代表性設(shè)計(jì)斷面見圖8。幫寬路堤基床以下路堤填筑泡沫輕質(zhì)土，泡沫輕質(zhì)土中部鋪設(shè)1層φ8 mm@100 mm×100 mm鋼筋網(wǎng)，頂部以下1 m范圍鋪設(shè)3層鍍鋅鐵絲網(wǎng)，頂面鋪設(shè)1層HDPE防滲土工膜。輕質(zhì)土外側(cè)采用0.5 m厚鋼筋混凝土面板貼面，面板拉筋埋入輕質(zhì)土內(nèi)部，保證面板的穩(wěn)定性。肥東站維修工區(qū)填土較寬且較高，為減小附加荷載對(duì)營業(yè)線的影響，既有線坡腳以外10 m范圍路堤采用泡沫輕質(zhì)土填筑，代表性設(shè)計(jì)橫斷面見圖9。

圖8 肥東站正線路基泡沫輕質(zhì)土幫填設(shè)計(jì)(單位：m)

圖9 肥東站維修工區(qū)路基泡沫輕質(zhì)土幫填設(shè)計(jì)

泡沫輕質(zhì)土主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下。(1)容重：6～7 kN/m3；(2)強(qiáng)度：頂部以下距離0～1.0 m范圍28 d抗壓強(qiáng)度≮1.2 MPa；>1.0 m時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度≮1.0 MPa；(3)單層澆筑厚度0.5～1.0 m。[10]由于泡沫輕質(zhì)土目前還缺乏應(yīng)用于路基基床的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，肥東站泡沫輕質(zhì)土設(shè)計(jì)僅用于基床以下路堤填筑[11]。

3.3 施工效果

泡沫輕質(zhì)土施工簡便，拌和、發(fā)泡設(shè)備均在路基以外完成，采用現(xiàn)澆施工，施工速度快，對(duì)營業(yè)線路的影響小。沉降監(jiān)測結(jié)果表明，新建路基和營業(yè)線路基最大沉降量不超過15 mm[12-13]。商合杭高鐵肥東站自2016年施工以來，既有合寧鐵路安全運(yùn)營未受影響。

4 合肥北城站

4.1 工程概況

商合杭高鐵在合肥北城以路基形式接入既有合蚌高鐵合肥北城站，接軌處線間距28.5 m。接軌處路基平面示意見圖10。

圖10 合肥北城站路基平面示意(單位：m)

路基地層自上而下依次為表層素填土(Q4ml)，雜色，松散；①粉質(zhì)黏土(Q3al)，褐黃色、黃褐色，硬塑，σ0=200 kPa；②2鈣質(zhì)砂巖(K1z)，褐紅色，強(qiáng)風(fēng)化，σ0=400 kPa；②3鈣質(zhì)砂巖(K1z)，褐紅色，弱風(fēng)化，σ0=650 kPa。

地下水為孔隙潛水，地下水埋深約1.7 m。

4.2 設(shè)計(jì)方案

由于并行合蚌高鐵1-14 m框架涵的影響,,必須采用路基引入既有線路。該段新建路基長度僅92 m，且中間有1孔14 m框架涵，并行合蚌高鐵為運(yùn)營時(shí)速300 km無砟軌道高速鐵路，因此，新建商合杭高鐵路基工程設(shè)計(jì)必須充分考慮對(duì)合蚌高鐵運(yùn)營路基的影響，嚴(yán)格控制既有路基的變形。初步設(shè)計(jì)選用CFG樁地基處理方案和鉆孔灌注樁+U形結(jié)構(gòu)方案[14]，經(jīng)計(jì)算營業(yè)線的附加變形均在可控范圍之內(nèi)。通過方案比選，最終實(shí)施采用了鉆孔灌注樁+U形結(jié)構(gòu)方案。鉆孔樁為φ0.8 m鉆孔灌注樁，正方形布置，間距4.0 m×4.0 m，樁長27.0 m，樁頂設(shè)置厚0.8 m的C40 U形鋼筋混凝土承載板。采取該方案設(shè)置U形結(jié)構(gòu)的目的一是收坡，避免新建路基壓占既有路基邊坡產(chǎn)生附加變形，二是與放坡相比可節(jié)省鉆孔樁工程量，降低工程投資。

圖11 鉆孔樁+U形槽橫斷面設(shè)計(jì)

5 蕪湖站

5.1 工程概況

蕪湖站位于安徽省蕪湖市，采用寧安場、寧蕪場、商合杭場并場的設(shè)計(jì)。商合杭場已由寧安城際鐵路作好預(yù)留。新建商合杭高鐵接入商合杭場時(shí)，路基工程左側(cè)為在建寧蕪貨線鐵路，線間距19.5 m。

蕪湖站地處長江一級(jí)階地。地層自上而下依次為：Q4ml雜填土，灰黃～灰色，松散，厚度極不均勻，主要為混凝土碎塊等建筑垃圾；①Q(mào)4al粉質(zhì)黏土，褐灰色，軟塑，σ0=120 kPa；②Q4al粉質(zhì)黏土，灰黑色，流塑，σ0=80 kPa；③Q4al粉質(zhì)黏土、黏土，淺黃～灰綠色，硬塑，σ0=180 kPa；④Q3al粉質(zhì)黏土、黏土，褐黃色，硬塑，σ0=200 kPa。

地下水埋深0.5～2.0 m。

5.2 設(shè)計(jì)方案

該工點(diǎn)為高速鐵路限速段，設(shè)計(jì)按時(shí)速250 km有砟軌道考慮。該工點(diǎn)設(shè)計(jì)難點(diǎn)是新建正線路基軟土地基處理方案的選擇。由于地表分布一層雜填土，主要為建筑垃圾，設(shè)計(jì)考慮正線路基采用CFG樁處理，樁間距1.6 m，樁頂設(shè)置0.6 m厚褥墊層，遇到不可鉆進(jìn)的建筑垃圾時(shí)，采取翻挖換填處理后再施工CFG樁。右側(cè)存車線路基采用袋裝砂井處理。設(shè)計(jì)方案見圖12。

圖12 蕪湖站商合杭正線CFG樁處理設(shè)計(jì)橫斷面

該段路基施工時(shí)間較晚，且施工時(shí)相鄰寧蕪貨線已開通運(yùn)營，并正在進(jìn)行電氣化改造。由于CFG樁施工設(shè)備較高，地基承載力低，施工時(shí)設(shè)備晃動(dòng)厲害，存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)寧蕪線運(yùn)營存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，鄰近寧蕪線30 m范圍內(nèi)鋪設(shè)了1層1 m厚工作墊層，CFG樁頂設(shè)置2根鋼纜繩，固定于混凝土承重塊上，這些措施保證了CFG樁設(shè)備施工時(shí)的安全，消除了對(duì)運(yùn)營線路的安全隱患。

采用CFG樁處理地基，沉降控制效果好，對(duì)營業(yè)線路變形影響小。其缺點(diǎn)是設(shè)備高大，存在機(jī)具傾覆風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)營鐵路為高速鐵路時(shí)，施工方案很難取得運(yùn)營管理單位的同意[15]。當(dāng)營業(yè)線路為普速鐵路時(shí)，采用CFG樁處理地基，并做好設(shè)備防傾覆措施，是一種較好的地基處理方法。該段CFG樁施工已經(jīng)順利完成。

6 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)

新建商合杭高鐵引入既有車站臨近高鐵運(yùn)營線不同類型的受限地段，采用綜合的加固處理設(shè)計(jì)及施工方案評(píng)價(jià)如下。

(1)碎石注漿樁樁體強(qiáng)度較高，施工機(jī)具高度較小，適用于鄰近營業(yè)線地基處理施工，CFG樁造價(jià)相對(duì)較低，當(dāng)樁長較短時(shí)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，可避免施工機(jī)械傾覆危及營業(yè)線的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2)泡沫輕質(zhì)土容重小，用于鄰近營業(yè)線路堤填筑，營業(yè)線附加變形小，施工方便，對(duì)營業(yè)線路基干擾小。

(3)鉆(挖)孔樁+承載板(U形結(jié)構(gòu))沉降控制好，施工時(shí)采取合適的護(hù)壁措施，營業(yè)線附加變形?。煌瑫r(shí)可選擇的成樁機(jī)械形式較多，可較好控制機(jī)械高度，減小設(shè)備傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，施工對(duì)營業(yè)線影響較小，是一種較安全可靠的地基處理方案。

(4)CFG樁強(qiáng)度較高，沉降控制效果好，成樁過程對(duì)地基擾動(dòng)較小。其不足之處是施工機(jī)械高度較高，存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)，危及營業(yè)線行車安全。當(dāng)?shù)鼗^軟弱時(shí)，可通過采取降低設(shè)備高度、增加工作墊層、安全防護(hù)措施消除對(duì)營業(yè)線的安全隱患。

新建商合杭高鐵引入既有車站不同類型的受限地段路基工程和鄰近高鐵營業(yè)線的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，設(shè)計(jì)及施工方案安全可靠，達(dá)到了預(yù)期效果。

7 結(jié)論與建議

商合杭高鐵已于2019年底開通運(yùn)營。設(shè)計(jì)人員根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采用綜合加固處理設(shè)計(jì)及施工方案，有針對(duì)性地解決了新建路基引入既有車站不同類型的受限地段對(duì)既有運(yùn)營高速鐵路的施工安全及運(yùn)營安全影響的問題，在實(shí)踐中證明這些措施效果好，為其他類似工程提供可借鑒的實(shí)例。建議結(jié)合工程實(shí)際與實(shí)踐不斷進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)積累，以豐富工程處理方案，提高工程質(zhì)量與安全。