某沿海铁路DK247软土路基病害整治方案设计

陈德平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉 430063)

1 概述

某沿海铁路DK247+485～DK248+135软土路堤工点位于罗源弯滩涂地带,罗源车站出站端。工点长650 m,属区间双线路基,路堤填筑高度6.0～9.64 m。工程自2006年开工至2008年,分别对填筑施工过程中出现变形的地段,在已完成施工图地基加固措施基础上进行了补强加固。并在2008年加固工程完工后,对大部分路段进行了超载预压。2010年部分路基出现变形,仍需进行整治。

2 工程地质概况

2.1 地形地貌

工点位于罗源湾滩涂地带,属海陆交互相冲积平原,被辟为海鲜养殖场和水田,地面高程约3～4 m,地势较平坦。

2.2 地层岩性

淤泥：深灰色,流塑,含有机质和腐殖质,厚1.3～14.0 m,[σ0]=40 kPa。

中砂：黄灰色,松散,饱和。

黏土：灰褐、红褐色,软塑,厚约2～7.8 m,[σ0]=100 kPa。

粉质黏土：硬塑,[σ0]=150 kPa。

卵石土：充填物为粗砂含泥质。

下伏基岩为花岗岩全风化层。

钻孔揭示地层层面起伏较大,淤泥及砂层中含大量孤石。

水文地质条件：地下水主要为砂层、卵石土中孔隙水及下伏基岩裂隙水,具弱承压性,水位埋深0.5～1.5 m。

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)及《铁路工程抗震设计规范》(GBJ111—87),拟建场地位于地震基本设防烈度6度区,地震动峰值加速度为0.05g。

3 施工图设计

受地方因素影响,施工图设计时钻探工作尚未完成。为确保线路按时开工,在4个机动钻和5个静力触探资料条件下,考虑路堤填筑高度较大,工点范围内软土力学性质差、厚度不均匀、基底倾斜等特点,采用了CFG桩桩顶碎石垫层夹铺土工格栅加固方案。CFG桩桩径为0.5 m,正方形布置,两侧路肩宽度范围内桩间距1.6 m,路肩外至路堤坡脚水平距离桩间距1.8 m,桩顶设碎石垫层厚0.6 m,内铺一层土工格栅,其极限抗拉强度不小于80 kN/m。

路基工后沉降控制值：正线为≤15 cm；最小稳定安全系数有荷时K≥1.2,无荷时K≥1.25。典型断面倾斜基底按圆弧法检算最小稳定安全系数K=1.48,最大工后沉降值12.2 cm,CFG桩单桩承载力500～550 kN。

2006年征地拆迁完成后,随即展开补勘,完善地质资料,对施工图进行了补充修改。根据收集的地层资料和设计参数调整了设计桩长,并按同时满足稳定、工后沉降和复合地基承载力要求重新检算。

在此期间,DK247+520～DK247+595段路堤填筑过程中,左侧发生滑动破坏,经钻探查明,软土基底向左侧倾斜,基底稳定条件已经改变,要重新设计加固方案。鉴于路堤已在填筑施工中,若用CFG桩加密,施工技术难以做到,故采用预应力管桩对地基左侧进行补强加固,提高地基刚度和侧向约束力。管桩布置从右线中心右2 m至路堤左坡脚,间距2～2.5 m,深度至下部持力层内3 m(见图1)。这段路堤左侧经此次补强以后没有再出现问题。路堤右侧施工情况稳定,经复查软土厚度较小,CFG桩检测满足设计要求,未做补强加固。

图1 地基加固横断面(单位：m)

4 变更设计

2008年,工点范围内路堤已基本填筑完工,DK247+595～DK247+770段左侧边坡变形开裂,将涵洞翼墙和涵节拉开2～4 cm。

4.1 原因调查

为查明原因,针对问题路段进行了核查补勘。结果显示,基底地层层面起伏变化较大,软土底部多为斜基底；淤泥及软塑黏土中普遍分布孤石,部分CFG桩桩端置于孤石上,单桩承载力不满足设计要求,导致路基下沉、侧滑。

4.2 变更设计

考虑到地基情况复杂,针对出现变形的路段,在CFG桩正方形布置的中心插打管桩或钻孔灌注桩,正方形布置,间距3.2 m。其中DK247+595～DK247+610和DK247+755～DK247+770段路堤变形较为严重,采用钻孔灌注桩。

采用刚性桩补强,克服了孤石的干扰直达持力层内,提高了软基刚性,增强了地基的侧向约束能力。

4.3 堆载预压

针对工点具体情况,决定对没有补强加固的地段进行堆载预压,加快施工期沉降,减少工后沉降。

堆载预压方案分路段采用双线双荷土柱或超载预压土柱,土柱高自路肩以上2～3.3 m。堆载预压期间沿线路走向每50 m布一个监测剖面,分别在路基中心预压土柱底部设沉降板、两侧路肩设观测桩观测路基沉降情况,共10个剖面；路堤两侧坡脚外设监测路堤填筑施工的水平位移观测桩,继续观测水平位移。

4.4 路基变形观测及评估

工后沉降控制是路基工程的关键,规范规定在铺设轨道前,应对路基变形作系统的评估,以保证路基工后沉降和变形符合设计要求。

预测路基工后沉降量采用常用的双曲线法,根据经验,依此方法得到的推理曲线需要至少90 d或更多的实测沉降数据才能基本上与实测沉降曲线相吻合。本次观测从堆载预压开始填筑至完成后,观测分路段进行,实际观测时间115～216 d,符合预压期观测时间不少于3～6个月的规定,满足双曲线法精度要求。图2是根据代表性断面观测成果绘制的预测工后沉降曲线。表1为预测的路基工后沉降值。路基沉降评估符合相关规范规定,沉降满足铺轨条件。

表1 代表性断面预测工后沉降值

图2 堆载预压-时间-沉降关系曲线

5 软土路基病害

该线通车后至2010年4月,工务部门反映,因持续降雨,个别地段开挖鱼池进入用地界内,局部路段路基出现异常。

5.1 路基变形特征及风险评估

(1)DK247+570～DK247+593段：右侧路肩下沉,最大下沉量约9 cm,路堤坡脚外有隆起现象。根据工务部门实测资料用三点法曲线推测,其最终沉降达32.5 cm,变形过大,易引发路堤边坡失稳,需要进行补强加固。

(二)老旧建筑拆除过多，市内工业企业基本被毁。上个世纪末期以前，唐山市中心区各行业工厂应有尽有，这些年代久远、建筑风格独特、时代感强、又有很强地域特色的企业建筑具有重要的历史价值，但随着企业股份制改革，特别是房地产的迅猛发展，加之对文物保护管理的缺位，那些大地震都没被震倒的车间厂房，绝大多数惨遭武断拆除。

(2)DK247+880～DK248+050段：路堤本体无明显变形,线路右侧鱼塘扩挖逼近护道,鱼塘挖深2～3 m,在铁路护栏外侧形成2 cm宽纵向裂缝。应进行补强加固,防止牵引式滑动向路堤坡脚发展。

(3)DK248+050～DK248+100段：路基左侧路肩下沉,最大下沉量约12.3 cm,左侧边坡骨架有个别开裂,反压护道有下沉现象。变形过大引发路堤边坡失稳,需要补强加固。

5.2 病害整治方案

对已通车运营的线路,软基病害整治的原则是在保证行车和施工安全前提下,针对病害发生的内在原因,采取目的明确、行之有效的补强加固措施。本工点基底变形特征是路基一侧下沉,路堤坡脚外有隆起或侧向牵引式变形,均发生在CFG桩加固地段,显示地基强度和侧向约束不足。因此,病害整治结合类似病害整治工程经验,采用提高地基强度、加强侧向约束的补强措施。同时遵照彻底根治、不留后患的原则,根据变形情况和地质条件,确定整治范围。

(1)DK247+520～DK247+595段地基加固方案

路堤右侧边坡范围内CFG桩中间插打旋喷桩,桩径0.5 m,纵向间距1.6 m,正方形布置；坡脚外增设三排旋喷桩,三角形布置,间距1.4 m。加固深度至桩长进入硬塑粉质黏土或基岩全风化层内不小于2.0 m。

在原管桩与旋喷桩之间未补强区采用花管注浆,注浆孔从路堤倾斜打入,沿线路方向钻孔间距1.6 m,横向3排。

稳定检算假定补强加固前路堤处于极限平衡状态K=1.0,反算滑面强度指标(φ),检算补强加固后的稳定系数K=1.387,按综合模量计算的地基总沉降量为13.5 cm。

(2)DK247+880～DK248+050段地基加固方案

为加强侧向约束及避免人为因素的影响,左侧路堤坡脚以外设5排旋喷桩,桩径0.5 m,三角形布置,间距1.4 m,加固深度至卵石土内不小于1.0 m；两侧路堤坡脚范围内地基采用花管注浆补强加固,沿线路方向孔间距1.6 m,横向两侧各5排。注浆孔从路堤边坡倾斜打入,倾斜的角度应使注浆孔均匀分布在软基内。

(3)DK248+050～DK248+135段地基加固方案

在确保施工安全间距前提下,左侧边坡范围内CFG桩中间插打旋喷桩,桩径0.5 m,纵、横向间距1.6 m,正方形布置；左右两侧坡脚外各设三排旋喷桩,三角形布置,间距1.4 m。加固深度至硬塑粉质黏土或基岩全风化层内不小于2.0 m。中间地基采用斜孔注浆,沿线路方向孔间距1.6 m,横向两侧各3～4排,注浆孔从路堤两侧边坡倾斜打入(见图3)。

图3 DK248+056补强设计横断面(单位：m)

假定加固前路堤右侧处于极限平衡状态K=1.0,补强加固后稳定系数K=1.67,按综合模量计算的地基总沉降量为12.1 cm。

5.3 施工要点

(1)施工前在坡脚处先用人工挖槽探明CFG桩位置,按施工图方案推测出CFG桩平面布置图,并绘制成图,在图上按中间插布的方法画出旋喷桩和花管注浆孔位置,现场再根据桩位布置图用经纬仪放孔,机械引孔后进行旋喷桩施工。

(2)旋喷桩和花管注浆施工前均应进行工艺试验,以检测工艺和设备是否适宜,确定技术参数是否满足设计要求。

(3)施工顺序：旋喷桩应从路基内侧向外逐桩施工,待施工至坡脚时花管注浆再同步实施。

(4)施工中应加强轨面高程及路基变形监测,观测断面密度为沿线路每10 m一个,施工过程中每天测量两次,精度按二级测量标准。路基面高程变化每昼夜不大于5 mm,边桩水平位移不超过5 mm。

当变形监测数据发生变化时应暂停施工,稳定后再施工。

(5)高压旋喷桩采用单管法,浆液材料选用P.O42.5普通硅酸盐水泥,水灰比0.8∶1。水泥用量125～135 kg/m,坡脚外桩上部3 m可减至115～125 kg/m。水泥土标准养护条件28 d龄期立方体试块抗压强度不低于2.0 MPa。

(6)旋喷桩施工质量检测应满足相关规范要求。

(7)花管注浆采用φ75 mm钻探引孔,自路堤边坡按设计角度打入软基下部持力层内不少于2 m。

(8)花管注浆应跳2孔施工。

(9)注浆材料选用P.O42.5普通硅酸盐水泥,水灰比0.75∶1。采用一次性注浆,以1 m为一个注浆段。注浆压力10 m以下0.4～0.8 MPa；10 m以上0.2～0.4 MPa,注浆流量10～14 L/min。

(10)严格控制注浆速度、压力和注浆量,终止条件应满足：①10 m以下注浆压力达到0.5 MPa,持续注浆10 min；②10 m以上注浆压力达到0.2 MPa，持续注浆10 min。

6 结束语

沿海铁路DK247软土路基病害整治设计,专家论证认为可行、稳妥。实施后效果良好,软土路基变形得到了控制。通过此路基病害整治设计有以下体会：

(1)软土路基工程是高风险工程,应加强地质勘探,特别是应加强适量的软基横剖面勘探,详细查明路段地基软土层的空间分布及物质成分、物理力学指标。

(2)软土路基施工图设计,必须在取得充分的地质资料后方能进行。

(3)软土地基处理施工过程,发现地质资料与设计不符时,应及时反馈,及时采取措施,解决问题于发端。

(4)软土路基附近取土、挖沟、挖水塘等,对软土路基稳定影响较大,应严格禁止。

[1]TB10001—2005 铁路路基设计规范[S]

[2]TB10035—2006 铁路特殊路基设计规范[S]

[3]TB10106—2010 铁路工程地基处理技术规程[S]

[4]TB10038—2001 铁路工程特殊岩土勘察规程[S]

[5]龚晓南.地基处理手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2008：411-452

[6]TB10621—2009 高速铁路设计规范[S]