新建线近接京沪高速铁路路基变形控制关键技术

时间：2024-07-28

田月峰

鲁南高速铁路有限公司，济南 250102

2020 年中国国家铁路集团有限公司发布的《新时代交通强国铁路先行规划纲要》明确提出，到2035年将率先建成20 万km 左右的铁路网现代化铁路网，其中高速铁路里程可达7 万km 左右。这将不可避免地遇到越来越多的既有运营高速铁路近接工程，其形式一般为路基帮宽或邻近堆载填筑［1-3］。其中桩基加固地基、堆载填筑等过程均改变了原有地基的应力分布而导致既有高速铁路路基产生附加变形，施工机械的安全控制也威胁着高速铁路运营安全。

国内外学者针对不同施工过程对岩土体状态扰动及保持进行了研究。地基处理方面，Massarch［4］通过开展沉桩施工现场变形监测，分析了压桩过程中周围岩土体变形空间分布规律。朱庆盛［5］仿真分析了静压桩压入红黏土过程中土颗粒的运动规律。李珺［6］分析了群桩挤土效应下邻近基坑支护结构受力及变形规律。秦世伟、郭栋等［7-8］分析了压桩顺序、设置引孔、控制压桩速度、设置应力释放孔等措施在控制挤土效应上的有效性。邻近填筑堆载方面，杨生等［9］计算分析了大面积堆载条件下铁路路基位移变形规律，对比了不同工况的隔离桩控制既有路基变形的效果。黄瑞堂等［10］采用室内模型试验研究了不同邻近堆载作用下高速铁路桥梁群桩基础产生的附加应力与变形的分布规律。王崇淦等［11］计算分析了邻近堆载不同高度、不同距离、是否两侧堆载等工况下高速铁路桥墩位移规律，根据无砟轨道桥梁基础变形限制，提出了单侧堆载下临界距离参考值。在多因素影响下，理论分析、数值计算等手段并不能完全保障既有高速铁路路基变形不超限。实时监测既有高速铁路路基变形，动态评估新建线路施工对既有线安全运营的影响，对动态指导施工、保障既有高速铁路安全运营具有重要作用。

本文依托新建鲁南高速铁路近接既有京沪高速铁路工程，分析了此类近接工程路基变形成因及控制难点，提出变形控制关键技术体系，形成近接工程中既有高速铁路路基变形控制对策，为类似工程提供借鉴及参考。

1 工程概况及控制难点

京沪高速铁路路基填高约3～5 m，地基主加固区采用桩板结构，CFG 桩桩长30 m；次加固区采用桩网复合地基结构，CFG 桩桩长15～25 m（渐变）。新建鲁南高速铁路在既有京沪高速铁路曲阜东站分别利用到发线车档、维修工区联络线上插入道岔进行接轨，称为接轨段，如图1所示。

图1 曲阜东站接轨段工程总体平面示意

帮宽接轨段施工过程中，临近路基填土荷载在既有铁路路基基底以下产生不可忽视的附加应力，使得既有线产生附加沉降，不可避免地对京沪高速铁路运营养护造成影响。因此，应对不同的地基处理方案进行比较，并选用重度小的填料进行帮宽填筑。

地基处理、路基填筑等施工过程中，取土桩施工过程中引起的附加沉降、挤土桩施工引起的挤土效应、不均匀填筑引起的不均匀变形等问题同样不能忽视，应制定京沪高速铁路路基变形监测方案，实时监测既有路基变形。

临近既有线施工作业，打桩机、吊机等高耸施工机械的倾倒可能侵入限界，进而影响既有线的安全运行，应实时评估施工对既有路基的影响。

新建线临近既有高速铁路施工时，附加应力作用不可避免会对既有高速铁路路基产生扰动，发生沉降变形和水平位移，影响轨道平顺性。施工机械在线路附近作用也对线路构成威胁，影响正常运营。有效控制新建线路建设对临近既有铁路路基变形影响是近接工程的关键技术难点。

2 少扰动桩基施工控制

地基处理过程中，桩基施工挤土、机械振动等都可能引起京沪高速铁路路基的偏移，威胁线路运营安全。为评价新建线地基加固成桩过程对临近既有京沪高速铁路路基的扰动影响，研究不同桩型、不同成桩工艺对临近区域土体的扰动影响，开展预应力管桩、微型注浆钢管桩和钻孔灌注桩现场成桩试验，对新建线路基地基加固的方案设计与施工组织具有重要的指导意义。

经试验可知，管桩不适用于临近京沪高速铁路的地基加固施工，建议优先采用全回转全套管钻机成桩，在场地狭小的情况下可采用微型桩成桩。

全回转设备是能够驱动钢套管进行360°回转，并将钢套管压入和拔除的施工机械。该设备在作业时产生下压力和扭矩，驱动钢套管转动，利用管口的高强刀头对土体、岩层、钢筋混凝土等障碍物进行切削，利用套管的护壁作用，然后用液压冲抓斗将钢套管内物体抓出，达到挖孔目的。

桩基础施工过程中，采用全回转钻机、套管和钢筋笼采用分节下放孔中的方式，可以减小履带吊的吊运高度和吊运范围。回转全套管成桩工艺如图2 所示，该工艺一定程度上避免了机械设备倾倒而侵限，而且套管保护孔壁防止塌孔，也能减小对既有线的影响。

图2 全回转全套管成桩工艺示意

帮宽段地基处理开始时间为2018 年11 月22 日，完成时间为2019年6月10日。京沪高速铁路Ⅰ股、Ⅱ股道代表性监测断面K536+960 处出现局部沉降，Ⅰ股道累计沉降1.18 mm，Ⅱ股道1.23 mm。钻孔桩施工期间自动监测系统正常运行，监测数据显示施工过程对京沪高速铁路造成影响极小，见图3。可知，沉降变形小于4 mm，处于经常保养线以下，在受控状态内。

图3 少扰动桩基施工控制下京沪高速铁路变形

3 泡沫混凝土减载填筑

近接工程对既有京沪高速铁路进行帮宽填筑时，不仅要控制帮填部分路基的工后沉降，同时要严格控制既有路基沉降。常规路基填筑荷载大，在既有路基内产生新的附加应力易造成既有路基沉降变形超限，同时常规路基填筑施工机械扰动也是造成既有路基沉降的因素之一。常规的帮填方法难以保证既有线路的正常运营。

鲁南高速铁路接入工程根据减载需求，研发了新的路基填料，发展了新路基结构。填料密度在650～850 kg∕m³，强度为 1.0 MPa（普通泡沫混凝土）和1.6 MPa（高强加筋泡沫混凝土）两种。与一般的A、B组填料相比，重量减轻2.6～3.4 倍，有效降低了因帮填引起的附加沉降。

泡沫混凝土重度比一般土体小，根据不同材料组成及用量、不同气泡率，按工程需要在大范围内调整密度和强度，可减轻施加于地基的附加应力，进而控制临近既有高速铁路帮宽或临近堆载填筑引起的。施工采用管路泵送的方式现浇，可在狭小空间浇筑，自流平，自硬化，无需碾压或振捣。硬化后可自立，可垂直填筑。所用材料对环境无污染，且可利用粉煤灰等工业废渣，具有优越的环保特性。

泡沫混凝土采用普通硅酸盐水泥、发泡剂、水三种原材料经一体机拌和成形。水泥掺量高的情况下，硬化过程中产生大量水化热，施工中浇筑层表面易出现裂纹，需灌浆修补处理。为降低水化热，采用矿粉拌制浆液后与水泥浆融合再与发泡液一同拌制泵送至浇筑点。此外，在每浇筑层表面向下10 cm 位置加设一道φ1.0 mm、10 cm×10 cm 的钢丝网片后，浇筑层表面几乎不出现裂纹。两种措施相结合，有效减少了裂缝出现，保证了轻质混凝土的整体性，大大降低其受力损坏的概率，保证了帮填实施效果。

轻质混凝土采用软管泵在无落差水平级的泵送距离一般不超过400 m。通过增设中转站以及改造泵送设备和优化轻质混凝土制备流程，可实现超长距离泵送轻质混凝土，泵送距离可达1 200 m，减少了轻质混凝土设站次数和临时工程数量，节约了施工成本。

4 既有高速铁路路基变形实时监控

由于地基处理过程中桩的挤土效应会造成既有京沪高速铁路路基的水平位移，同时地层中存在砾砂、中砂，桩基施工过程的振动易引起地基沉陷、堆载产生附加应力，均会造成路基沉降变形，所以需要同时开展路基沉降监测与水平位移监测。

由于高速铁路线路对于轨道平顺的高要求，需对区域内正线Ⅰ、Ⅱ股道变形开展监测。沉降监测的准确性与可靠性极大地依赖于基准点选取的合理性。基准点需选择远离施工扰动区域的稳定建筑物处，比如深桩基、桥台基础、涵洞等，对于运营线路可结合工务部门日常巡检数据分析基础点的稳定性，并定期进行人工校核。监测过程中加强对基准点的人工复核。测点的间距需要兼顾监测系统的工作性能与经济性，过大会导致液路排泡困难，影响测点芯片的工作状态，造成数据失真；过小会影响线路的运营，同时增大施工成本。综合考虑，每隔20 m 布设1个沉降监测点，如图4所示。

图4 近接工程自动监测现场布置

在监测范围内，按60 m 间距布设自动全向传感水平位移计。水平位移计布设于既有京沪高速铁路边坡坡脚外0.5 m 位置处至路肩的坡面上。根据荷载变形机理和维护要求，结合运营线路的要求，测斜孔位置应尽量靠上，管口做好保护措施，以便于设备维护。水平位移计布设断面应与沉降观测点布设断面合并设置。在不影响既有京沪高速铁路运营安全的条件下，水平位移监测点布设尽量靠近既有京沪高速铁路。

选取K536+960 为典型断面，既有京沪高速铁路路基沉降变形时程曲线见图5。可知，沉降主要产生在挡墙开始至铺轨完成之间，铺轨结束后此处沉降速率随时间逐渐减小，逐渐收敛。

图5 K536+960断面I股道沉降变形时程曲线

K536+960 断面水平位移时程曲线见图6，监测期为 2019 年 2 月 2 日至 2019 年 5 月 5 日。可知，该位置施工期间x方向最大值4.98 mm，发生层位为27 m，原因可能为桩基施工过程中提钻过快，导致该层位朝桩基打孔方向变形。y方向最大值为1.89 mm，发生层位为2.6 m。上述监测结果也说明了新建线近接既有高速铁路路基施工采用少扰动桩基、泡沫混凝土减载，可有效控制施工过程中既有京沪高速铁路路基变形。

图6 K536+960断面水平位移监测曲线