管樁處理軟基對既有鐵路影響研究

龐 拓

（中鐵十六局集團路橋工程有限公司 北京 101500）

1 引言

由于鐵路發展以及征拆困難，很多時候需要在既有鐵路線附近新建鐵路。由于新舊路基距離近，如何減小施工對既有鐵路的影響就變得十分關鍵［1］。軟土地基在我國十分常見，其具有孔隙率高、含水量高以及受力后變形大的特點［2］。當遇到這類地基時就必須對其進行加固處理，而在加固施工過程中稍有不當就會對既有路基產生較大影響，從而影響既有線路的正常通行［3］。

目前常用的軟基處理方式包含堆載預壓法、置換法、水泥攪拌樁法、預應力管樁處理法［4］。這幾種方法各有優勢，但是當上部填方高度較高時（一般大于4 m），預應力管樁處理方法具有十分明顯的優勢［5］。預應力管樁目前已經實現工廠化預制，具有制造效率高、制造工藝精湛、樁身強度大、外觀尺寸精度高的特點，樁身豎向承載能力高、抗彎性能優良。因此，在鐵路工程軟基處理中運用十分廣泛［6］。預應力管樁在處理軟基過程中是通過在特定位置將預制管樁通過靜壓或者捶打的方式壓入路基中，一方面通過管樁擠入將軟土擠密，從而提高其承載能力；另一方面管樁本身也能承受上部荷載［7－8］。正是由于管樁處理軟基時需要對原有土層進行擠壓，這樣勢必會影響既有線路的路基，一旦影響過大就會威脅到既有線路的交通。而目前針對此類的研究大多還停留在施工經驗上，對于理論研究鮮有報道［9－10］。

本文依托廣梅汕鐵路新增二線工程，針對預應力管樁在軟基加固處理中的擠壓作用對既有線路的影響開展理論研究［11－12］，以期指導設計和施工。

2 工程概況

廣梅汕鐵路增二線項目位于韓江三角洲濱海平原地區，地勢開闊、地形平坦，相對高差0～2 m。該區域為韓江攜帶泥砂在其下游沉積而成，第四系沉積層厚度一般30～120 m，沉積厚度最大達168.4 m；上覆第四系人工填土1～3 m，淤泥質黏土厚度為15～32 m。既有線路路基多為填方地段，填筑厚度2～5 m。路基典型橫斷面見圖1。淤泥質黏土參數為：

圖1 路基典型橫斷面（單位：m）

需加固路基全長22.9 km。預應力管樁采用PC-500（100）-A型，設計樁身直徑0.5 m，壁厚0.1 m，混凝土強度C60，十字鋼樁尖，單樁承載力750～1 020 kN。平行于既有路基且距離既有路基5 m和6 m處施打兩排預應力管樁，樁間距2.5 m，預應力管樁深度為28～44 m，共需預應力管樁長度為32 969 m。為了防止基礎處理過程中對既有線路行車安全的影響，需要對路基加固區段按照《臨近營業線施工管理辦法》之A類等級進行施工計劃管理，并將列車時速限制在60 km內。施工期內需要實時觀測既有線路的路基水平位移和路基沉降。

3 數值模型建立

3.1 基本假設

由于壓樁過程為高度非線性問題，而且由于壓樁數量較多，因此有必要對整個結構進行簡化，從而便于計算?；炯僭O如下：

（1）將整個結構均看作淤泥質黏土一種材質。通過地質資料可以看出，在20 m深度范圍內大部分為淤泥質黏土。為了簡化計算，只考慮這一種材質。

（2）將整個結構簡化為平面應變問題。由于既有路基橫截面沿路線方向基本不變，同時預應力管樁為等間距布置，因此整個結構沿路線方向為半無限體。另一方面，由于預應力管樁深度都超過20 m，可以近似認為預應力管樁壓入土層后沿不同高度的擠壓效果一致。

（3）只考慮預應力管樁完全壓入時刻對結構的作用。由于預應力管樁施工是一個逐漸壓入的過程，對結構影響最大的時刻為完全壓入后的那個時刻。

3.2 數值模擬

本文采用Abaqus 2018建立結構的數值模型見圖2。紅色區域為原鐵路路基所在位置，第一排預制管樁中心距離鐵路路基外邊緣5 m。模型尺寸為長40 m×寬25 m，共有8 898個單元，9 638個節點。單元均采用平面應變單元CPE4，其為四節點雙線性單位，減縮積分，節點為4自由度（兩個平動和兩個轉動自由度）。

圖2 結構數值模型

（1）邊界條件模擬。模型上緣和下緣采用彈簧單元模擬，彈簧剛度取為淤泥質黏土彈性模量；左側和右側邊界采用固定約束，即約束節點的平動自由度和轉動自由度。

（2）壓樁過程模擬。分別在擬壓樁位置建立兩個半圓形，見圖3。半圓直徑為0.5 m，兩個半圓相切，半圓圓弧端與周圍土共用節點，直線段為自由段。在預應力管樁壓入中，給定半圓自由段向切點方向的強制位移，位移大小為半圓半徑。擠壓完成后，在取消強制位移的同時將兩個半圓自由段節點所有自由度耦合，從而形成一個整體。由于上、下半圓會存在一個重新找力平衡的過程，因此會有一個微小的位移。同時，當其他樁在擠壓土層時，該樁位置也會隨之變化，從而模擬出不同樁之間相互作用的過程。

圖3 壓樁過程模擬

4 工程運用

4.1 模型驗證

為了驗證本文所建立模型的正確性，分別在距離既有路基5 m處和距離路基6 m處試打兩根預應力管樁。兩根管樁相距20 m，可以認為兩根管樁之間相互無影響。采用本文所構建的數值模型進行計算，分別得到工況1和工況2條件下既有路基位移云圖，見圖4。由圖4可以看出：距既有路基5 m壓樁時（工況1），既有路基最大水平位移為4.90 cm，距既有路基6 m壓樁時（工況2），既有路基最大水平位移為3.63 cm。

圖4 既有路基位移云圖（單位：m）

同時，在既有路基上布置水平位移觀測點，并將壓樁后的位置和壓樁前的位置進行對比，得到工況1和工況2下水平位移實測最大值，見表1。

表1 計算最大位移和實測對比

通過表1計算結果可知：（1）工況1和工況2計算值和實測值相差均很小，分別為2.51%和2.25%，可以滿足工程精度要求；（2）工況1下既有路基的位移相比較于工況2有明顯的增加，說明距離既有路基越近，壓樁對既有路基影響越大，且遠離1 m大約可降低26%。

4.2 不同壓樁順序對既有路線影響

由4.1節分析可知：距離既有路基不同位置處壓樁會產生不同影響程度，且當兩根預應力管樁位置較近時會相互影響，因此有必要研究不同壓樁順序對既有線路的影響，從而尋找出最優的打樁路徑。在距離既有路基5 m和6 m處分別設置兩排共16根樁，樁間距為2.5 m，見圖5。分別設計三種打樁工況。

圖5 預應力管樁編號（單位：mm）

工況1：先順序壓第一排樁，后順序壓第二排樁，即 1-2-…-8-9-…-16。

工況2：跳打施工，即 1-10-3-12-…-16-8-15-6-…-9。

工況3：先順序壓第二排樁，后順序壓第一排樁，即 9-10-…-16-1-…-8。

三種工況下既有路基位移計算結果見圖6；三種工況下既有路基最大位移見表2。

圖6 不同工況下的既有路基位移云圖

表2 不同工況下的既有路基最大位移

從計算結果可以看出：（1）三種壓樁順序中，位移值最小為工況1的10.08 cm，最大為工況3的10.42 cm，工況1相對工況3減小約3.26%；（2）通過計算可以看出壓樁對既有路基位移影響較大，僅通過調整壓樁順序效果較小，必須采取額外的措施來減小對既有路基的影響，比如在第一排樁與路基間設置卸壓孔。

5 結束語

當前管樁施工對既有鐵路影響研究還局限于實踐的經驗，并無很好的模擬手段。為了摸清規律，本文開展了管樁施工對既有鐵路影響規律研究。首先，將整個結構簡化為平面應變問題，并采用強制位移來模擬壓樁過程，建立了壓樁對既有路基影響的數值模型；其次，通過實際工程驗證了數值模型的正確性；最后，通過不同壓樁順序對既有線路的影響開展研究并得出規律。

（1）本文提出的壓樁對既有路基影響數值模型具有模擬簡單、計算迅速、計算精度高的特點，可用于工程實踐。

（2）不同壓樁順序對既有路線有一定的影響，但是影響有限，必須采取額外的措施來減小對既有路基的影響。