软土地区施工对临近高速铁路桥台影响的试验研究

王淑敏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300142)

软土地区施工对临近高速铁路桥台影响的试验研究

王淑敏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300142)

目前国内、外关于临近高速铁路施工对既有工程影响的相关研究较少，尤其缺乏对软土地区临近既有高速铁路基坑开挖的施工和影响既有工程变形的研究。文章以翠亨路下穿既有高速铁路工程为依托，针对软土地区临近既有运营高速铁路刚构中桥的高压旋喷桩施工和基坑开挖对桥台的影响进行了桥台足尺试验，开展了旋喷桩止水帷幕效果试验、旋喷桩止水帷幕施工对周围土体挤压试验、桥下止水帷幕及封底旋喷桩施工对桥台影响试验、基坑开挖与桥下开挖对桥台的影响试验等多项研究。按照同比例结构模型、实际施工工序和施工环境的试验方法，得到了基坑开挖施工对临近既有高速铁路影响的试验数据和结果，为今后在软土地区临近既有高速铁路施工时，基坑开挖防护措施的设计及施工提供经验借鉴。

高速铁路； 软土地区； 旋喷桩施工； 基坑开挖； 试验研究

1 前言

近年来随着我国经济的快速发展，许多重要城市之间已建成高速铁路、客运专线等高等级铁路。目前，我国高速铁路的运营里程居世界之首。然而，我国人均耕地资源稀少，为了高效利用宝贵的土地资源，有许多新建的铁路或大型管道在局部范围内不得不与已建成的高等级铁路并行或立体交叉。特别是在我国沿海地区兴建这些基础设施，因其地质松软，并伴随有丰富的地下水，且既有高速铁路对沉降十分敏感，给我们带来了一系列的工程技术难题。比如，深基坑施工时的止水问题，深基坑开挖对既有高等级铁路的变形影响。为了解决如上问题，确保既有高等级铁路的运营安全，我们必须围绕上述问题展开相应的试验研究，获得第一手可靠的数据，为我们的设计、施工、监测建立起不可或缺的科学支撑。

目前，国内外关于临近高速铁路工程施工对既有高速铁路影响的相关研究较少。本工程翠亨路下穿既有高速铁路和既有普速铁路线，终止于铁路南侧。既有高速铁路在与下穿道路交叉处，线路由2条正线及2条到发线组成，2条正线为无砟轨道线，时速350 km/h，线间距5.0 m，到发线为有砟轨道线，高速铁路设计之初为下穿道路的通过预留了(16+20+16) m刚构中桥。整个工程由既有普速铁路线下顶进框构桥以及既有高速铁路刚构中桥桥下封闭路堑式U型槽两部分组成。既有运营高速铁路地处松软土地区，位于区域沉降漏斗内，高速铁路开通运营以来地面沉降趋势明显，段落内差异沉降明显，特别是翠亨路下穿既有高速铁路预留刚构中桥路桥过渡段产生了较大的不均匀沉降，为避免桥下旋喷桩施工对既有高速铁路造成附加沉降引起运营安全，本文针对软土地区临近运营高速铁路通道工程高压旋喷桩施工和开挖对桥台影响做了相关试验研究。进行了高速铁路刚构桥桥台足尺试验，开展了旋喷桩止水帷幕效果试验、旋喷桩止水帷幕施工对周围土体挤压试验、桥下止水帷幕及封底旋喷桩施工对桥台影响试验、基坑开挖与桥下开挖对桥台的影响试验等多项研究。

2 旋喷桩止水帷幕止水效果试验研究

2.1 试验目的

通过无止水帷幕直接开挖基坑，以及采用两组不同旋喷参数(喷射压力、提速)的全封闭帷幕止水试验，检验对比成桩情况和止水效果。以便选取最佳的旋喷参数，以达到帷幕止水目的，实现基坑无水施工。为后面的进一步实验创造条件。

2.2 试验方案

本试验采用单管法施工。该试验对三种不同的施

工方案进行施工效果对比，选取最佳的旋喷参数。

方案1：对原状土不采取任何处理，直接开挖基坑。

方案2：全封闭止水帷幕双排方形咬合工艺，桩长11.5 m，止水帷幕桩48根；封底旋喷桩16根，桩长4 m，位于旋喷止水底部，止水帷幕旋喷桩施工顺序成折线形，止水帷幕平面布置如图1所示。

图1 双排旋喷桩方形咬合布置及打桩顺序图(cm)

方案3：全封闭止水帷幕双排梅花形咬合，桩长10 m，止水帷幕桩52棵；封底旋喷桩23根，桩长4 m，位于距地面6m深处。止水帷幕施工顺序为先施打一排旋喷桩后，返回来施打第二排，止水帷幕平面布置及施打顺序如图2所示。方案2、3旋喷桩施工参数如表1所示。

图2 双排旋喷桩梅花形咬合布置及打桩顺序图(cm)

对应方案喷射压力/MPa钻速/(转/min)提速/(cm/min)喷嘴直径/mm设计桩径/cm设计桩间距/cm咬合方式方案22520202.46040双排方形咬合方案32820182.46040双排梅花形咬合

2.3 试验结果及分析

试验方案1中无止水帷幕，在基坑开挖深1 m左右，基坑坑内出现渗水，待基坑开挖完毕后，坑内积水如图3所示，图4为采用止水帷幕后开挖基坑效果图，从上述两图可知，采用止水帷幕施工可以有效地实现基坑止水。

图3 无止水帷幕直接开挖基坑效果图

图4 采用止水帷幕后开挖基坑效果图

旋喷桩达到强度后，将止水帷幕中间土体挖开。从方案2开挖结果来看，单桩成桩效果较好，但桩位间距大小不一，桩径达不到要求，通过尺量，旋喷桩直径仅55 cm，桩与桩之间搭接较少。帷幕四周有6处渗出水点，其中帷幕拐角出现3处出水点。在距地面4.7～4.9 m深处，为粉土夹层，桩体出现“缩颈”现象，桩径仅50 cm，桩间出现1 cm直径的涌水。

从方案3开挖结果来看，距地面1.2 m范围内，因土体较疏松，水泥浆窜浆较严重，开挖面成墙状，1.2 m以下则成桩完整，桩墙排列整齐，桩位间距均匀，桩与桩之间搭接满足要求，旋喷桩直径63 cm。但是，桩体本身分布有小裂隙。距地面4.6～5 m为粉土夹层，因为复喷，桩径60 cm。止水帷幕无渗漏现象。

从基坑开挖止水情况来看，试验方案3止水效果要优于试验方案2，止水帷幕施工采用试验方案3旋喷参数。

3 旋喷桩止水帷幕施工对周围土体挤压试验研究

3.1 试验目的

在黏土层中，不同旋喷压力作用下，测试高压旋喷施工对周围土体挤压作用影响范围及大小，以便确定止水帷幕安全施工距离。

3.2 试验方案

试验方案1: 在黏土层中，以25 MPa旋喷压力施工一道止水帷幕，长15 m，双排咬合，桩长18 m，在距止水帷幕6 m、9 m、12 m、15 m处各设一个观测点。

试验方案2: 在黏土层中，以28 MPa旋喷压力施工一道止水帷幕，长15 m，双排咬合，桩长18 m，在距止水帷幕6 m、9 m、12 m、15 m处各设一个观测点。

测点编号分别为XP1、XP2、XP3、XP4。

3.3 试验结果及分析

试验方案1(25 MPa旋喷压力)和方案2(28 MPa旋喷压力)施工止水帷幕时，各观测点水平及竖向位移结果详见表2、表3。

表3 方案2观测点位移

旋喷压力越大，对止水帷幕近距离土体挤压作用越强，引起的土体远离止水帷幕方向水平位移越大，但当距离增大到15 m的时候，影响甚微，测点不同距离测点水平位移曲线如图5所示。

图5 方案1、2不同距离测点水平位移曲线

旋喷压力越大，对止水帷幕近距离土体沉降影响越大，周围引起土体隆起，但当距离增大到15 m的时候，影响甚微。测点不同距离测点竖向位移曲线如图6所示。

图6 方案1、2不同距离测点竖向位移曲线

4 桥下止水帷幕、封底旋喷桩施作对桥台影响试验研究

4.1 试验目的

尽管高压旋喷桩止水帷幕有很好的止水效果，但在施工过程中会对周围土体产生明显的挤压作用，引起周围土体产生侧向位移，进而使桥台承台基础受到较大的侧向挤压力。

因此，需要实时监测承台关键断面的应力、周围土体的土压力变化，以及承台结构的变形，掌握结构的受力状态及变形情况，为评估结构安全和施工安全提供依据。

4.2 测点布设

(1)试验桥台承台应变测点布置情况，如图7所示。

图7 承台应变测点布置平面图

(2)土压力监测测点布置情况，如图8所示。

图8 土压力测点布置平面图

(3)桥台承台结构变形观测测点布置情况，如图9所示。

图9 承台结构变形测点布置图

4.3 试验方案

按照实际的施工工艺和施工顺序，在等比例结构模型的尺寸下制定如下试验方案。

(1)试验方案1: 无堆载单排高压旋喷桩施工影响范围试验

测试过程中，分别在承台上布置沉降及应变监测点。其中，承台上应变监测点合计12个，如图10所示。施工作业在桥台东侧10 m处，由远及近依次进行，共25根桩。

图10 方案1测点布置及施工平面图(cm)

(2)试验方案2:有堆载多排高压旋喷桩施工对桥台影响试验

该试验方案分为填土阶段和打桩阶段两个阶段。此试验承台位移及应变观测点布置与无堆载单排高压旋喷桩施工影响范围试验相同，桥台南侧有土压力监测点4个，如图11所示。试验共分为2个阶段，第1阶段于桥台北侧进行填土作业，高度8.5 m。第1阶段填土施工结束后，按计划实施第2阶段在桥台南侧由近及远进行打桩施工，每排7根，共25排。

图11 方案2测点布置及施工平面图(cm)

4.4 试验结果

(1)应力测试结果

根据方案1试验数据得出，单排高压旋喷桩施工对桥台有一定的影响，但影响很小，在最后一根旋喷桩施工完成后，桥台西侧受到的最大拉应力也只有166 kPa。而钢筋混凝土承台采用了C30混凝土，桥台受到的最大应力远小于C30混凝土的抗拉强度1.43 MPa、抗压强度14.3 MPa，因此该试验工况对结构的安全没有影响。

根据方案2填土阶段试验承台应力数据得出，相对于无堆载单排高压旋喷桩施工影响范围试验对桥台的受力有较明显的影响，当全部填土完成后，桥台台尾受到的拉应力约为401 kPa，但总体上看，有堆载多排高压旋喷桩施工对桥台影响试验第一阶段填土施工时桥台的受力较小，结构处于安全状态。

根据方案2打桩阶段承台应力数据得出，打桩阶段桥台台尾产生最大的拉应力是312 kPa，且在打完第11排桩后，后续的旋喷桩施工对桥台的影响趋于缓和。总体上，桥台的受力较小，且钢筋混凝土承台采用了C30混凝土，因此结构处于安全状态。

(2)土压力测试结果

根据方案2打桩阶段试验土压力数据，打桩阶段土压力测点处最大的土压力值为3.5 kPa，且在打完第10排桩后，后续的旋喷桩施工对测点处土体逐渐不产生影响。总体上，周围土体土压力的变化很小，满足要求，因此结构处于安全状态。

(3)侧向位移结果

根据方案1试验数据得出，单排高压旋喷桩施工对桥台侧向位移有影响，在最后一根旋喷桩施工完成后，桥台横桥向侧移最大值为1.8 mm，影响较小。

根据方案2打桩阶段试验侧向位移数据，打桩阶段桥台顶向台前方向水平侧移最大值为2.9 mm，且在打完第8排桩后，后续的旋喷桩施工对桥台位移的影响趋于缓和。总体上，由于高压旋喷桩的挤土作用，桥台的侧向位移有一定减小。

(4)沉降结果

根据方案1试验数据得出，相对于侧向位移，单排高压旋喷桩施工对桥台沉降影响很小，在最后一根旋喷桩施工完成后，桥台隆起累计值为0.5 mm，小于规范20 mm的要求。

根据方案2填土阶段试验沉降数据得出，相对于无堆载单排高压旋喷桩施工影响范围试验填土施工对桥台的沉降有较明显的影响，当全部填完土后，桥台沉降累计值为3.8 mm，小于规范20 mm的要求。

根据方案2打桩阶段试验侧向位移数据得出，打完所有桩后桥台沉降最大值为2.8 mm，小于规范20 mm的要求，且在打完第8排桩后，后续的旋喷桩施工对桥台沉降影响逐渐减小。总体上，由于高压旋喷桩的挤土作用，使桥台隆起累计值为1.0 mm，对桥台的总体附加沉降有一定减小。沉降值满足规范要求。

5 基坑开挖与桥下开挖对桥台的影响试验研究

5.1 试验目的

通过基坑开挖对不同距离地面的观测点进行沉降观测，以掌握U槽开挖对高速铁路路基的影响。另外，验证城际刚构桥U型槽基槽开挖监测开挖过程对刚构桥桥台承台的影响是否满足设计要求。

5.2 试验方案

本试验分为两部分，第一部分为检测基坑开挖引起周边土体沉降大小及影响范围，第二部分为检测U4开挖对桥台水平位移、沉降和应力的影响。

5.2.1 基坑开挖试验方案

距离基坑南侧边缘每隔5 m设一观测点，共设8个点，编号由近到远分别为XP1～XP8，共计40 m。从框构基坑开挖起，每天用精密水准仪量测一次，以取得各观测点每日变化情况。基坑两侧及后背采用垂直开挖，前端采用放坡开挖，坡度为1∶1.5，基坑长52 m，宽42 m，深6 m。坡道宽5 m，长15 m。

5.2.2 U型槽开挖试验方案

该试验方案是在本文第4部分填土阶段和打桩阶段完成后，进一步进行的试验。不同于设计中城际刚构桥U型槽基槽边距离桥台下承台仅3 m，试验中采用最不利方式，紧贴承台边开挖基槽，开挖深度为2.5 m，是U4段基槽最大开挖深度。

5.3 试验结果

5.3.1 基坑开挖对周围土体影响试验结果

基坑开挖共计7天，地面测点在第10天基本完成变形，其中XP1观测点隆起最大，为3.5 mm，到40 m处，隆起基本为0，观测点沉降表见表4，观测点沉降如图12所示。

表4 观测点沉降表

图12 观测点沉降图

5.3.2 桥下U型槽开挖对桥台影响试验结果

随着基槽的开挖，承台受到的应力从196 kPa稳步上升到约220 kPa。桥台随着开挖深度的增大而逐渐向基槽侧发生水平位移1.3 mm，桥台竖向略有隆起，不过不明显。这也是由于基槽开挖深度浅的缘故。总的来说，开挖阶段对桥台结构的受力、变形都有影响，但总体上影响都较小，结构都处于安全状态，结果数据详如图13～图15所示。

图13 桥台应力结果

图14 台顶水平变形结果

图15 桥台沉降结果

6 结论

(1)旋喷桩止水帷幕止水效果试验结果表明：采用高压旋喷桩止水帷幕可以有效地实现基坑止水。在黏土层中且σ0=85～120 kPa情况下，当旋喷压力为25 MPa时，桩径为55 cm；当旋喷压力为28 MPa时，桩径为63 cm，地表处桩径达到70 cm。要达到旋喷桩直径60 cm的要求，旋喷压力以28 MPa为宜。在同间距、同压力、同提速情况下，止水帷幕两排旋喷桩间梅花形咬合的止水效果要强于方形咬合。止水帷幕渗漏点多出现在拐角处及旋喷桩施工间隔时间较长处。

(2)旋喷桩止水帷幕施工对周围土体挤压试验结果表明：高压旋喷桩施工会对周围土体产生影响，引起周围土体的水平及竖向变形。不同旋喷压力的旋喷桩对周围土体引起的影响不同，旋喷压力越大对周围土体引起的水平及竖向变形也越大。旋喷桩施工对周围土体的影响，随着距旋喷桩施工距离的增大而减小。在软土地区，当距离达到15 m时，旋喷桩对周围土体的水平及竖向变形的影响已经很小，可以作为没有影响考虑。

(3)桥台足尺试验结果表明：无堆载单排高压旋喷桩施工，随着施工距离的减少，对桥台的应力、侧向位移以及沉降的影响有逐渐增大的趋势。在桥台东侧打单排旋喷桩会引起桥台向西侧弯曲，对承台产生一定的挤压应力，承台最大应力为166 kPa；桥台顶向横桥向方向发生水平位移1.8 mm；桥台最大隆起0.5 mm。

(4)有堆载多排高压旋喷桩施工填土阶段，随着台后土层高度的增加，对桥台的应力、侧向位移以及沉降的影响有逐渐增大的趋势；打桩阶段，随着施工距离的增加，对桥台的应力、侧向位移以及沉降的影响有逐渐减小的趋势。在桥台台后填筑土时，桥台向台前方向发生弯曲，台尾处最大拉应力为401 kPa；桥台顶向台前方向发生水平位移2.9 mm；桥台沉降3.8 mm。

(5)在桥台台前打桩时，使桥台向台尾方向发生弯曲，与填土阶段弯曲方向相反，但作用效果没有台后填土阶段大，故整体表现为桥台仍向台前方向弯曲，当打桩完成以后台尾处1号测点最大拉应力减少到312 kPa；桥台顶前方水平位移减小到2～9 mm，沉降量减小到2.8 mm。因此，在台前打桩过程中，高压旋喷桩的挤压作用明显，桥台向台尾方向倾倒，引起的台尾处1号测点最大应力变化为-89 kPa(受压)，桥台顶向台尾方向发生水平位移变化量为4 mm；桥台隆起1 mm。

(6)基坑(长52 m，宽42 m，深6 m)开挖在周围区域内会引起波状沉降。在软土地区黏性土层中，基坑开挖深度在7 m以内时，基坑周围土体隆起且随距离增加而逐渐衰减，隆起最大数值为3.5 mm，影响半径约40 m。

(7)随着基坑的开挖，桥台随着开挖深度的增大而逐渐向台尾倾斜，发生指向台尾的水平位移1.3 mm。桥台竖向略有隆起，但由于基槽开挖深度浅的缘故，隆起数值较小。

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Test Research on Influence of Construction in Soft Soil Area on Abutment of Near High-Speed Railway

WANG Shumin

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

At present, there is little domestic or foreign research about the influence on existing high speed railway engineering when constructing nearby, we are lack of research about the existing high-speed railway engineering deformation caused by excavation nearby in the soft soil area especially. This article is based on Cuiheng Road underpass existing high-speed railway project, we conducted abutment full-scale test about the influence on abutment caused by excavation and the high pressure jet grouting pile construction near the existing high-speed railway rigid frame bridge in soft soil area, the test about jet grouting pile waterproof curtain effect, the test about surrounding soil extrusion caused by jet grouting pile water stop curtain construction, the test about impact on the abutment caused by waterproof curtain and back cover jet grouting pile construction under the bridge, the test about impact on the abutment caused by foundation excavation and the excavation under the bridge, and so on. According to the same proportion structure model and the actual construction process and construction environmental test method, we got the experimental data and results of the influence on the existing high-speed railway caused by foundation excavation nearby, and this can provide experience and reference about excavation protective measures design and construction in soft soil area adjacent to the existing high-speed railway construction in the future.

high speed railway; soft soil area; jet grouting pile construction; foundation excavate; experimental research

2016-01-25

王淑敏(1972-)，女，高级工程师。

1674—8247(2016)02—0069—07

TU997

A