日蘭高速鐵路聯(lián)絡(luò)線引入工程的路基優(yōu)化研究

谷存雷 袁 報 李 寧 楊 泉

（1.魯南高速鐵路有限公司，濟(jì)南 250101；2.中鐵二院北方勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250000；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

日蘭高速鐵路東起山東省日照西站，西至河南省蘭考南站，設(shè)計(jì)速度350 km／h，全長494 km。其中,日照西至曲阜東站段長235 km，設(shè)8 個車站，已于2019年開通運(yùn)營；曲阜至莊寨段長198.6 km，設(shè)7 個車站，于2021年開通運(yùn)營。日蘭高速鐵路曲阜東站工程于2017年12月開工建設(shè)，總工期不到兩年，面臨著工期壓力大，運(yùn)營安全風(fēng)險高等挑戰(zhàn)。

在接軌方案的選擇上，王宏禮［1-2］等通過綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，推薦采用臨沂、菏澤方向均于南側(cè)引入曲阜東站的方案。針對京滬高速鐵路曲阜東站接軌和高速鐵路場工程，袁報［3-4］等采用了擾動小、附加荷載小的研究思路，以降低對既有線的變形影響及干擾。通過并站變并軌，臨沂革命老區(qū)實(shí)現(xiàn)了乘坐高速鐵路直達(dá)北京的夙愿。

本文擬針對日蘭高速鐵路曲阜東站項(xiàng)目路基工程進(jìn)行研究總結(jié)。

1 工程概況

曲阜東站路基工程包含兩大組成部分：（1）既有京滬高速鐵路路基拓寬以滿足接軌要求，即高速鐵路場接軌段路基工程；（2）既有京滬曲阜東站東側(cè)新建魯南車場，即魯南場并場段路基工程。

京滬高速鐵路曲阜東站的路基以填方為主，一般填高6.5 m。該段屬沖洪積平原地貌，地勢平坦開闊。此段地表覆蓋第四系Q4粉質(zhì)粘土（a0.1～0.2=0.32），部分地表覆蓋8～10 m 厚的松軟土（a0.1～0.2=0.34），下層是第四系Q3粉質(zhì)粘土（a0.1～0.2=0.21），其中含有部分中砂和粗砂夾層，鉆孔未揭示基巖，地下水位8～25 m。

既有京滬高速鐵路無砟軌道板1：1 影響范圍路基基底采用樁筏結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，筏板厚0.5 m，其余地基采用矩形布置的CFG 樁進(jìn)行加固。筏板底范圍內(nèi)樁間距1.5 m×1.5 m，樁長30 m，其余范圍樁間距1.5 m（縱向）×1.6 m（橫向），樁長25～15 m 橫向漸變。日蘭高速鐵路引入京滬高速鐵路曲阜東站平面示意如圖1所示。

圖1 日蘭高速鐵路引入京滬高速鐵路曲阜東站平面示意圖

2 引入工程技術(shù)難點(diǎn)分析

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

日蘭高速鐵路引入京滬高速鐵路的主要技術(shù)難點(diǎn)為：（1）臨近既有運(yùn)營高速鐵路側(cè)施工；（2）無砟軌道嚴(yán)苛的沉降控制；（3）幫填無法避免的附加應(yīng)力；（4）京滬樁底深厚的可壓縮層。

2.2 方案論證

近年來，蘇謙等［5-9］對輕質(zhì)混凝土的研究逐漸深入。由于輕質(zhì)混凝土具有免碾壓，重度小等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到廣泛的推廣和應(yīng)用。本文依托工程填料選擇輕質(zhì)混凝土，擬比選CFG 樁、旋噴樁、管樁、微型鋼管樁、鉆孔隔離樁等地基加固處理方案，如圖2所示。結(jié)合研究，為減少對既有京滬高速鐵路的擾動，初期推薦采用微型鋼管樁+輕質(zhì)混凝土的方案。

圖2 方案比選示意圖

2.2.1 地質(zhì)參數(shù)回歸分析

數(shù)值模型物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

UFBG-AOTF的反射光譜由主反射峰和以主反射峰對稱的左右一階次反射峰組成.主次反射峰之間波長間隔的增加與聲波頻率fa呈正比關(guān)系，比例系數(shù)約為0.14 nm/MHz[11].因此，調(diào)節(jié)加載到UFBG-AOTF上的聲波頻率，可以得到不同倍頻因子的毫米波信號.如圖5所示，聲波頻率fa分別為0.572 MHz、1.717 MHz、2.862 MHz、4.007 MHz、5.152 MHz和6.294 MHz時，經(jīng)PD拍頻后可得到倍頻因子分別為2、6、10、14、18、22的毫米波信號.

表1 模型計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)表

數(shù)值分析結(jié)果表明，彈性模量取值壓縮模量10 倍式回歸擬合較好。現(xiàn)場施工沉降和計(jì)算沉降如圖3所示。

圖3 實(shí)測沉降與計(jì)算沉降模擬示意圖

2.2.2 影響范圍確定

當(dāng)線間距L=43 m 時，采用10 m 地基處理深度+普通填料填筑，京滬高速鐵路的沉降值為0.8 mm，將45 m 作為影響控制距離，并使用輕質(zhì)混凝土加固填筑范圍。

2.2.3 輕質(zhì)混凝土性能改良

通過西南交通大學(xué)輕質(zhì)混凝土室內(nèi)動力學(xué)試驗(yàn)，得到了普通與高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土濕密度與臨界動應(yīng)力的關(guān)系，如圖4所示。綜合考慮其動力性能，路基基床表層采用0.6 m 厚級配碎石，底層采用0.6 m 高強(qiáng)加筋輕質(zhì)混凝土，其下采用一般輕質(zhì)混凝土。新老路基間和基底加強(qiáng)防水設(shè)計(jì)，以避免外界水滲入輕質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)。

圖4 密度臨界動應(yīng)力示意圖

2.2.4 方案比選

確定“輕質(zhì)混凝土”的填料方案以及“施打附加應(yīng)力阻斷樁”措施后，推薦采取鉆孔灌注樁地下連續(xù)墻方案。建議魯南場的地基處理措施及參數(shù)（直徑、樁長及間距）參照既有京滬高速鐵路地基處理措施執(zhí)行。

經(jīng)計(jì)算，隔離樁應(yīng)力阻斷后，既有京滬高速鐵路的沉降量下降了約40%，但需進(jìn)一步考慮施工擾動的問題。當(dāng)隔離樁的樁長達(dá)到30 m 后，既有京滬高速鐵路的附加沉降很小，且微型樁樁長變化對既有京滬高速鐵路的附加沉降影響并不明顯。最終，接軌段選取輕質(zhì)混凝土+30 m 隔離樁+15 m 微型樁方案。

表2 不同樁長隔離樁附加沉降表（mm）

經(jīng)研究決定在曲阜東站高速鐵路場接軌段地基加固中采用鉆孔灌注樁措施，并采用預(yù)應(yīng)力管樁+筏板+輕質(zhì)混凝土的設(shè)計(jì)方案和鄰近既有線施工全自動沉降、位移監(jiān)測方案。同時，探討了全套管抓斗取土工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。該工藝能夠有效控制附加應(yīng)力、避免擠土效應(yīng)、降低塌孔風(fēng)險，尤其適用于砂層地基。然而，該工藝也存在一些缺點(diǎn)，如常規(guī)設(shè)備需要在天窗點(diǎn)進(jìn)行施工，這可能會對既有CFG 樁壓管造成影響，存在較大的風(fēng)險。此外，施工速度較慢，無法在一個天窗點(diǎn)完成一根樁的全套施工工藝，使得風(fēng)險不可控。

綜上所述，應(yīng)綜合考慮這些因素，根據(jù)不同區(qū)域的地質(zhì)條件和工程需求，對地基處理方式進(jìn)行優(yōu)化，并設(shè)置試樁區(qū)補(bǔ)充不同樁型的工藝試驗(yàn)，以探究不同樁型在不同地質(zhì)條件下的適用性和效果。

2.3 試樁情況及分析

曲阜東站試樁試驗(yàn)區(qū)完成了Ⅵ區(qū)（管樁，引孔20 m及無引孔）、Ⅳ區(qū)（管樁，引孔15 m）、Ⅱ區(qū)（微型注漿鋼管樁）共3 個區(qū)的試樁。試驗(yàn)過程中加強(qiáng)了對沉降位移的監(jiān)測。管樁能夠較好地穿過引孔深度范圍內(nèi)的砂層，但在未引孔的范圍內(nèi)，由于存在摩阻力損失，導(dǎo)致管樁無法穿過較厚的砂層。

試樁結(jié)果表明：

（1）前2 排樁樁長約為15 m，該2 排樁產(chǎn)生的橫向作用未完全顯現(xiàn)。

（2）從第6 排后管樁施工未引孔，其產(chǎn)生的擠土效應(yīng)偏大。

（3）當(dāng)管樁施工至第8 排以后，后排樁擠土效果逐漸減小。

（4）若不考慮前2 排樁產(chǎn)生的水平位移，從第3 排開始考慮管樁的影響，前3 排樁引起的京滬模擬正線位置的地表水平位移為4 mm。后排樁施工結(jié)束后，模擬京滬正線位置的地表水平位移為10 mm。

（5）根據(jù)深層水平位移的分析，地面以下15 m 范圍內(nèi)的水平位移變化不大。在模擬京滬正線位置處，深部水平位移為5.7 ～ 10 mm。

2.4 最終方案確定

經(jīng)研究確定鉆孔灌注樁作為曲阜東站高速鐵路場接軌段地基加固措施的設(shè)計(jì)方案，加固平面示意如圖5所示。

圖5 最終加固平面示意圖

上、下行聯(lián)絡(luò)線采用埋入式樁板結(jié)構(gòu)+輕質(zhì)混凝土方案，Ⅰ-9 安全線的地基加固措施為CFG 樁，如圖6所示。該方案共計(jì)538 根鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，總樁長14 925 m。其中，30 m 樁長295 根，25 m 樁長243 根。靠近既有線第1 排樁共計(jì)136 根。

圖6 CFG 樁及樁板結(jié)構(gòu)加固斷面示意圖

采用全套管全回轉(zhuǎn)（液壓）抓斗取土成樁工藝，其特點(diǎn)：360°回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，全套管（超前）鉆進(jìn)，管內(nèi)抓土，套管內(nèi)保證土體深度不小于1 m。單樁施工時間10 ～12 h，機(jī)械設(shè)備高度低，穩(wěn)定性高，已應(yīng)用于既有線的施工中，施工振動小，履帶吊機(jī)行進(jìn)效率高。同時，控制設(shè)備高度，以滿足非天窗點(diǎn)施工的要求。CFG 樁采用長螺旋施工工藝。

高永強(qiáng)［10］對石濟(jì)客運(yùn)專線并行京滬高速鐵路工程項(xiàng)目開展了并行100 km 長度內(nèi)自動監(jiān)測系統(tǒng)。本項(xiàng)目借鑒并制定了專項(xiàng)自動監(jiān)測方案，包括監(jiān)測范圍、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測點(diǎn)布設(shè)設(shè)計(jì)、設(shè)置預(yù)警值及報警值等，系統(tǒng)梳理高速鐵路自動化沉降監(jiān)測的實(shí)施流程和控制因素，以確保運(yùn)營安全。自動監(jiān)測斷面示意如圖7所示。

圖7 自動監(jiān)測橫斷面示意圖

3 結(jié)論

（1）本研究改進(jìn)后的全套管全回轉(zhuǎn)抓斗取土工藝能夠滿足非天窗點(diǎn)施工要求，提高了鉆孔樁成樁效率，縮短了工期。

（2）本研究通過試樁工程，優(yōu)化了施工工藝，確定了合理的技術(shù)參數(shù)，并結(jié)合工期要求優(yōu)化了施工流程，為臨近高速鐵路的地基加固提供了經(jīng)驗(yàn)。

（3）為加強(qiáng)自動化沉降監(jiān)測，利用既有工程沉降數(shù)據(jù)與檢算模擬，發(fā)現(xiàn)彈性模量取值壓縮模量的10 倍回歸擬合的效果較好，可為相關(guān)工程的檢算提供參考借鑒。