碎石注浆桩桩筏结构在高速铁路软基处理中的应用

朱一康

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

沪宁城际铁路为高等级双线铁路，全线铺设无砟轨道，是目前世界上已经建成并开通运营的标准最高、里程最长、运营速度最快的城际铁路。无砟轨道对地基及基床的变形要求非常严格，要求路基工后沉降小于15 mm，同时基床必须满足长期动力稳定性要求。沪宁城际铁路沿线大多属于长江三角洲冲积平原区，软土、松软土分布广泛，厚度大，空间分布复杂，地基处理难度大。全线有46处下穿各类既有立交，受净空高度影响，路基地段大多为低矮路堤，排水困难，需要对路基基底进行强化处理，而选择适宜的措施对既有桥梁下的地基进行有效处理，是能否减少既有桥梁拆迁，以及降低线路高程、减小桥路比的关键，对本线的工程投资、施工工期有着极大的影响。

2 概况

2.1 工程概况

沪宁城际铁路在常州市境内以路堤形式下穿既有沿江(常澄)高速公路圩墩大桥和S232省道圩墩大桥。本段路堤填筑高度3.1～4.4 m，桥下地面高程1.50 m，公路桥梁梁底高程12.69 m，净空11.19 m，沪宁城际铁路左线中心距公路墩台边缘最小距离为7.85 m，平面位置如图1所示，路基横断面设计如图2所示。采用传统地基处理方案无法满足既有公路桥下施工净空要求。

2.2 工程地质条件

图1 沪宁城际铁路下穿沿江高速公路及S232省道平面示意(单位:m)

图2 沪宁城际铁路下穿沿江高速公路及S232省道设计断面示意(单位:m)

工点属长江三角洲冲积平原，地形平坦开阔，地势低平，深厚层软土、松软土发育，软弱土层底面深达27.5 m。软土层具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低的特征，天然地基不能满足工程要求，必须采用适宜的措施进行加固处理。各地层自上而下分别为:(0)层人工填土层，黏性土夹少量碎石，层厚约1.8 m;(1)层淤泥质粉质黏土层，流塑，夹有粉土透境体，层厚约7.9 m;(2)层粉质黏土层，硬塑，层厚约10.0 m;(3)层粉质黏土层，软塑，层厚约7.8 m;(4)层粉土层，中密，很湿～饱和状，层厚约6.0 m;(5)层粉质黏土层，硬塑，层厚大于5 m;各地层主要物理力学指标见表1。

表1 各地层主要物理力学指标

3 地基加固方案

3.1 地基加固方案的选择

为满足路基的稳定要求，并有效控制路基的工后沉降，经检算，需要对地基进行深层加固处理，加固深度应达到(3)层软塑粉质黏土层层底以下。工点地基可选择的加固措施有:水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)、预应力管桩、钻孔灌注桩、碎石注浆桩等。由于本工点对施工净空有较大限制，仅为11.19 m，并且加固深度较大，因此，需要对各种加固方案进行比选。各种地基加固方案对本工点的适应情况分析见表2。

表2 各种地基加固方案适应性比选

通过对比分析，CFG桩施工设备高度大，不能满足桥下净空要求，且加固深度难以满足本工点加固深度要求;预应力管桩虽然可满足加固深度要求，但是无论是采用锤击法还是静压法施工，桥下净空均无法满足机具设备的要求，如果采用管桩加固方案，必须拆除既有公路桥梁，待地基加固完成后重新架设桥梁。公路桥梁的拆除重建需要大量资金投入，交通临时改道将造成很大的社会影响，增加巨大的社会成本，并对沪宁城际铁路的总工期造成较大影响。钻孔灌注桩及碎石注浆桩这2种地基加固方案，均可采用小型钻孔桩桩机设备成孔，其机具设备高约7 m，满足桥下施工空间要求，不需要拆除既有桥梁。同时，钻孔灌注桩、碎石注浆桩都具有桩身强度大、单桩承载力高、地层适用范围广的特点，均适用于无砟轨道路基加固工程，能满足地基加固要求，但是钻孔灌注桩方案造价较高，相比之下碎石注浆桩方案更具优势。在广泛调研的基础上，通过经济、技术等多方面综合比选，确定采用对既有公路桥梁无影响、造价较低的碎石注浆桩对该段地基进行加固处理。

3.2 地基处理方案设计

3.2.1 地基处理方案设计

根据工程地质条件，设计采用碎石注浆桩桩筏结构对地基进行加固处理。碎石注浆桩桩径0.5 m，桩长29.5～30.0 m，桩间距1.8 m，采用正方形布置，桩顶铺设钢筋混凝土筏板。碎石注浆桩桩体材料采用碎石、中粗砂、水泥配合而成，按C20混凝土进行配比。

碎石注浆桩属于刚性桩范畴，需要对桩的承载力进行验算。单桩容许承载力[P]按式(1)和式(2)进行计算，并取其较小值

式中 η——桩身强度折减系数，取0.35～0.5;

Pf——桩体抗压强度平均值;

Ap——桩身截面积;

U——桩身截面周长;

qi——桩周第i层地层的容许侧阻力;

li——桩周第i层土的厚度;

qp——桩尖地层容许端阻力。

计算结果表明，单桩容许承载力大于桩顶所受到的荷载，路堤稳定性满足规范要求。

沉降估算采用压缩模量分层计算，沉降量S按式(3)进行计算

式中 Esi——第i层土的压缩模量(对于加固区为复合模量);

ΔPi——路堤荷载对第i层土中点的附加应力;

Δhi——第i层土的厚度。

作用于下卧层顶面的荷载采用应力扩散法计算。压缩层计算深度按应力比法确定，计算至附加应力等于0.1倍自重应力深度处。沉降估算结果表明:路基工后沉降满足铺设无砟轨道要求。

3.2.2 碎石注浆桩施工工艺

碎石注浆桩采用小型钻孔桩机成孔，机具高度约7 m。施工步骤:平整场地→钻孔定位→钻孔至设计深度→插入注浆管至孔底→孔内充填碎石料至孔口→利用注浆管孔底返水洗孔→通过注浆管往孔内注浆，采用孔底返浆法注入水泥砂浆→桩头插筋、振动捣密→养护成桩。桩体经检验合格后，在桩顶铺设0.2 m厚碎石垫层，其上铺设0.5 m厚C30钢筋混凝土筏板。筏板混凝土强度满足要求后，分层进行路基填筑至路肩设计高程。

4 效果评价

4.1 施工对既有公路的影响

碎石注浆桩桩筏结构处理桥下软土地基施工期间，既有沿江(常澄)高速公路圩墩大桥和S232省道圩墩大桥均正常运营，无需采取封道或限速措施;施工未对既有公路桥梁造成任何质量影响。

4.2 沉降分析评估结果

路基主体工程施工完成后，对路基沉降变形进行连续观测，并根据沉降特征评判路基沉降是否满足铺设无砟轨道的要求。沉降监测结果表明，本段路基填筑完成后，在堆载预压期间，各沉降观测点发生的最大沉降量为3.41 mm，采用Asaoka法预测最终沉降量为4.71 mm，满足铺设无砟轨道的要求。代表性沉降监测点沉降曲线见图3。

图3 代表性沉降监测点沉降曲线

4.3 实际运营效果评价

沪宁城际铁路施工完成后，试运营期间列车最高时速达到354 km。经过1年的试运营及正式运营实践，路基稳定，线路状况良好，列车运营平稳，充分验证了碎石注浆桩桩筏结构对本段地基的加固满足线路稳定要求，沉降控制效果良好。

5 结论

碎石注浆桩桩筏结构处理深厚层软土地基设计方案具有施工机具设备体积小、对施工空间要求不高、对周围环境施工干扰小、加固深度大、地层适应性广、造价相对低廉等优点，不仅成功地解决了沪宁城际铁路路基工程工后沉降控制的难题，对节省投资和缩短工期起到了很大作用，而且丰富了国内深厚层软土地区无砟轨道铁路下穿既有桥梁地段路基基底处理方法，取得了良好的社会效益和经济效益，可广泛应用于高速铁路、客运专线等高标准铁路的设计与施工。

[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].

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[4]GB50007—2002 建筑地基基础设计规范[S].

[5]JGJ79—2002 建筑地基处理技术规范[S].

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[7]中铁第四勘察设计院集团有限公司.沪宁城际铁路施工图[R].武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2008.

[8]西南交通大学.沪宁城际铁路线下工程沉降分析评估报告[R].成都:西南交通大学，2009.