黃土地區高速鐵路路基幫填施工關鍵技術

張亮

（中國鐵路蘭州局集團有限公司 蘭州工程建設指揮部，甘肅 蘭州 730031）

0 引言

隨著我國交通事業蓬勃發展，鐵路網密度不斷增加，亟需對部分既有路基進行幫寬，以滿足鐵路運量、便捷要求［1］。在高速鐵路路基幫寬施工中，既有線處于營運狀態，需對既有線進行開挖、幫填，施工要求高、控制難度大［2-3］。在高速鐵路路基幫填施工相關研究中，劉源浩等［4］通過數值模擬方法，構建既有線在動靜載荷作用下的路基幫寬施工模型，對多工況下的路基幫填施工進行對比，分析了幫寬施工時新舊路基變形規律；楊學林［5］以高邊坡幫寬工程為依托，通過自動化靜力水準儀器，對并行段落既有高速鐵路路基進行長達2年的監測，反映了高邊坡幫填施工時既有線的變形程度；廖進星［6］依托張吉懷鐵路引入滬昆場實際工程，對幫寬工程中存在的風險進行分析，并結合現場建立了風險評估指標體系；楊瑩［7］以肥東站鐵路路基幫寬工程為依托，結合數值分析和現場試驗，對比了泡沫輕質土和常規填料在路基幫寬時既有線和新建線的應力及變形情況；李斯等［8］通過分析鐵路幫寬工程中差異沉降，提出從泡沫輕質土路基結構設計、濕密度設計2個方面控制沉降變形，并提出泡沫混凝土澆筑的具體辦法；傅珍等［9］使用有限元建立了拓寬路基差異沉降模型，對拓寬路基差異沉降特性進行了分析，并研究了土基壓縮模量、路基高度、拓寬方式等對路基差異沉降產生的影響；周川濱等［10］結合具體鐵路幫寬工程，進行數值計算并結合幫填時既有路基沉降監測數據，得出幫填作用下既有路基沉降發展規律；李竹慶［11］研發了大溫差、自適應高精度變形監測系統，在既有高速鐵路路基變形監測中進行運用，取得了良好效果。在既有文獻中，針對黃土地區幫寬工程，尤其幫填施工技術研究較少。因此，依托黃土地區高速鐵路路基幫寬工程，針對路基幫填過程中面臨的問題與技術難點，研究提出相應施工工藝，并對工藝的合理性進行驗證。

1 工程概況

黃土地區某新建鐵路設計速度250 km/h，鐵路等級為客運專線，正線數目為雙線。該新建鐵路在既有城際鐵路K47+986—K49+181 以路基幫寬方式引入。工點范圍內主要地質特征如下：

（1）砂質黃土（Q4al+pl3）。淺黃色、稍濕稍密、土質均勻，可見針孔狀大孔隙和蟲孔，層厚2.5～4.5 m。

（2）砂質黃土（Q4al+pl3）。淺黃色、潮濕稍密，層厚7.3～12.4 m。

（3）礫砂（Q4al+pl5）。淺黃色、稍密飽和，以石英和長石為主，層厚0～7.2 m。

（4）泥巖夾砂巖（N1Ms+Ss）。棕紅色、弱風化、泥質結構，為黏土礦物，成巖作用較差、巖質較軟，為Ⅳ級軟石。

既有路基地基部分：采用雙向水泥土攪拌樁加固處理，樁徑50 cm、樁長13 m、樁間距1.3 m，樁頂設置厚0.5 m、中間位置夾鋪1層80 kN/m雙向土工格柵的碎石墊層，處理后復合地基承載力特征值fsk=152 kPa。路基部分基床以下路提、基床底層、基床表層，分別采用滲水土、水泥改良土（1.9 m）、級配碎石（0.6 m）進行分層填筑。

新建路基地基部分：采用高壓旋噴加固處理，樁徑50 cm，樁長11～16 m、樁間距1.4 m，正方形布置，樁頂設置厚0.6 m、中間位置夾鋪1 層100 kN/m 雙向土工格柵的碎石墊層，處理后復合地基承載力特征值fsk=155 kPa。路基部分基床以下路提、基床底層、基床表層，分別采用B 組滲水土、B 組滲水土（0.8 m）、0.6 m級配碎石+0.1 m 中粗砂+復合土工膜+0.1 m 中粗砂（0.8 m）進行分層填筑。

2 路基幫填施工問題與難點分析

2.1 存在問題

（1）路基變形影響既有線安全運營。在路基幫填過程中，幫寬路基填料和機械施工均在既有路基處產生附加應力；壓路機壓實填料需振動壓實，產生動載荷。既有路基在附加應力作用下產生一定變形，造成軌道幾何形位變化。

（2）臨時防護結構易侵入既有線造成安全隱患。既有鐵路防護柵欄一般由水泥柱和鐵絲網共同構成，結構相對穩定。施工前，應先在既有路基路肩設置硬隔離設施進行防護，硬隔離設施為臨時性結構，防護性相對較差，施工過程中易損壞并侵入既有線，形成一定安全隱患。

2.2 技術難點

（1）臺階開挖處尺寸控制差，易形成較大臨空面。既有路基開挖臺階時，一般先采用破碎機拆除既有路基的邊坡防護骨架，再用平地機配合挖掘機一起開挖臺階，機械體積大、施工精準度控制差，易產生高度超過設計要求的大面積條形臨空面，既有路基邊坡部分高度成直立狀態，有部分及整體結構失穩風險。

（2）新舊路基臺階搭接處位于既有路基應力松弛區域，銜接性差。在運營過程中，既有路基中下部受力區在列車載荷作用下呈較密實狀態，而兩側區域受自然應力、防護層綠化植物根系等影響，其密實狀態逐漸松弛。新舊路基銜接處恰好處于應力松弛區域，銜接部位施工完成后，新路基強度高、既有路基強度低，造成整體性、銜接性較差。應力松弛區及臺階開挖示意見圖1。

圖1 應力松弛區及臺階開挖示意圖

（3）受新路基工后沉降影響，新舊路基產生差異沉降［12-14］。既有路基一般已營運較長時間，工后沉降趨于穩定，新建路基在施工完成及開始運營后，相較于既有路基沉降變形大，形成新舊路基之間差異沉降，新舊路基變形不協調，影響軌道幾何行為，尤其在新建鐵路軌道接入既有鐵路軌道部位，不利影響更顯著。

3 現場施工控制技術

3.1 組織準備

在幫寬施工前，首先考慮營業線施工主要危險源，如挖斷電纜、施工機械侵入限界、大型機械設備傾覆、起重設備事故、墜落物、風、機械碰撞既有線墩臺、接觸網支柱倒桿、接觸網斷線等。針對危險源分項建立應對措施及應急預案。施工過程中，設立專人、專班與既有線運營單位保持聯系，保持通信不間斷，理清既有線列車到達幫寬工點時間，在列車到達前停止大型機械施工。現場施工中，防護員必須配備鐵路交通火炬信號設備，在緊急情況下進行發射，保證既有線運營安全。

3.2 路基幫填工藝

3.2.1 高壓旋噴樁施工

高壓旋噴樁施工時，不可避免地產生擠土效應，對既有路基復合地基產生影響，造成既有路基軌道結構幾何行位變化［15-16］。項目實施前，在現場開展單樁、多樁擠土試驗，分析高壓旋噴樁施工擠土效應影響；然后，在既有路基坡腳設置應力釋放孔，降低對既有路基影響。

3.2.2 褥墊層施工

高壓旋噴樁施工完成后形成復合地基，可有效提高地基承載力。在樁頂鋪設厚0.6 m碎石墊層作為褥墊層，進行載荷分配傳遞、協調樁頂及樁間土的受力和變形、提高復合地基整體承載能力?，F場施工時，褥墊層分2 次攤鋪：第1 次攤鋪后，采用機械碾壓，控制褥墊層厚度為0.3 m，再在其表面鋪設土工格柵；第2 次攤鋪后，再次采用機械碾壓，最終控制褥墊層厚度為0.6 m。

3.2.3 基床以下路提及基床底層施工

現場基床以下路提和基床底層均采用B組滲水土填料，由下而上分層填筑。正式填筑前，用破碎機拆除既有路基骨架護坡，拆除前應測量放線，嚴禁超線拆除，拆除高度控制在約0.8 m。拆除完成后，將碎料運至棄土場，通過小型挖掘機沿線路方向開挖臺階，臺階開挖尺寸控制為高0.6 m、寬0.9 m。開挖完成后，采用平地機精平臺階，并人工配合清除臺階處植被根系。最后，用壓路機靜壓臺階部位2次，在緊貼臺階內壁處大型壓路機未壓處，用小型手扶式壓路機進行補壓。

一級臺階開挖及碾壓完成后，沿臺階方向（線路方向）鋪設寬3 m的土工格柵，土工格柵搭接位置用自制U 形鋼筋固定。固定后，進行攤鋪填料，填料含水率控制在約4.5%為宜，每級臺階攤鋪2 層填料，每層碾壓完厚度控制在約0.3 m，2層填料控制厚度為0.6 m。

二級臺階開挖工序及控制參數同上，即拆除骨架→運轉碎料→臺階開挖→臺階精平及碾壓→鋪設土工格柵→分層填筑并碾壓，再進行三、四級等臺階依次開挖及相應工序施工，直至填筑至基床底層表面高度位置處。施工后現場臺階位置見圖2。

圖2 施工后現場臺階位置

3.2.4 基床表層施工

在基床表層施工時，機械離既有軌道位置更近，更應注意防護。臺階開挖前，拆除既有路肩處干砌片石護肩，在既有線道砟坡腳位置沿線路方向擺放1排防砟袋，以防止施工擾動導致溜砟，臺階開挖及基本處理方式同基床底層和基床以下路提。

基床表層先填筑1 層中粗砂，碾壓厚度控制在0.1 m；鋪設1 層復合土工膜，土工膜接頭處注意上下順序應符合路基橫向排水要求；搭接處用黏結防水膠處理，搭接寬度大于0.1 m；在復合土工膜上鋪設碾壓控制厚度為0.1 m 的中粗砂；最后，在中粗砂上鋪設厚0.6 m的3%水泥穩定級配碎石，分2層攤鋪碾壓，每層碾壓控制厚度為0.3 m。

在填筑過程中，應嚴格控制填筑質量，并按規范要求對各層填料開展現場試驗檢測。檢測項目主要包括壓實度、含水率、動態變形模量Evd、地基系數K30平板載荷試驗檢測。

3.3 路基變形監測及結果分析

路基幫填時，褥墊層、基床以下路提、基床底層和基床表層的施工均對營業線位移產生影響。營運線位移變化監測是保證幫寬工程順利安全施工的有效措施。正式施工前，沿K47+986—K49+181 在既有線基道砟坡腳布設全自動位移監測系統——物位計（見圖3），布設間距50 m。將物位計固定于沉降板，挖深0.3 m槽，安裝并連接信號傳輸線路，現場設定的物位計主要控制參數為相鄰監測點的位移變化累計差值，通報值3 mm、預警值5 mm、報警值8 mm。

圖3 物位計布設

現場既有路基上下行側均需幫填施工，上下行側均按50 m 間隔布設物位計監測點，選取上行側斷面1和其相鄰斷面2 的監測數據進行分析。2 個斷面路基高度為5.20 m，路基幫填歷時120 d?，F場路基填筑高度及物位計監測累計沉降值見圖4。

圖4 現場路基填筑高度及物位計監測累計沉降值

由圖4 可知，在路基幫填過程中，斷面1、2 處物位計測點累計沉降值呈不斷增大趨勢；由于現場各種原因，當路基幫填中途停止施工時，沉降值基本不變，呈蠕變狀態緩慢增加；斷面1、2 處幫填施工完成后，斷面1 最大累計沉降值為16.23 mm，斷面2 最大累計沉降值為17.35 mm；斷面1、2 最大累計沉降差值為1.13 mm，未達到設定通報值3.00 mm。監測數據表明，在工點內運用該施工工藝并嚴格控制工藝流程，確保了施工中既有路基穩定，保證了既有線安全運營。

4 結論

通過對高速鐵路幫寬工程中面臨的主要問題及難點進行梳理分析，結合具體實際工程，研究總結施工工藝，并對營業線進行監測分析，主要得出以下結論：

（1）主要問題：一是幫填施工過程中既有路基會產生附加應力，從而產生相應變形，影響既有軌道結構平順性；二是幫寬施工過程中營業線防護性差，易侵入營業線。

（2）技術難點：一是臺階開挖尺寸難控制，易形成臨空面；二是新舊路基銜接處為應力松弛區域，銜接性差；三是新舊路基產生差異沉降。

（3）提出工點內鐵路幫寬施工工藝，建立鐵路幫寬工程防護機制、優化臺階開挖及處理方式、靠近既有線施工舉措等，并在現場施工中成功運用。

（4）通過在既有線布設的物位計監測系統，量化路基幫填時對既有線的影響程度，保證了既有線安全運營。路基填筑時，既有路基會產生沉降變形，所選取研究斷面當幫填完成后累計最大變形值為17.35 mm；當幫填停止施工時，變形為蠕變增加形式。