沪杭客运专线松江特大桥简支梁桩基纠偏技术探讨

潘振华

（上海铁路局工务处，上海200071）

沪杭客运专线松江特大桥简支梁桩基纠偏技术探讨

潘振华

（上海铁路局工务处，上海200071）

软土地区的高速铁路桥墩桩基在非法堆载等外部因素影响下，发生了多起桩基挠曲变形，带动桥墩偏移，从而导致轨道不平顺超限的事件，威胁铁路行车安全。本文以沪杭客运专线松江特大桥桩基纠偏工程为例，分析桩基变形原因，采取将卸载与高压旋喷桩纠偏相结合的综合整治措施，纠正了桥墩桩基偏移，恢复了轨道线形。研究了弃土卸载与桩基回弹量的关系及纠偏时旋喷压力与土体位移、纠偏量的关系，可供高速铁路桥墩桩基纠偏工程借鉴。

高速铁路；简支梁；桩基偏移；高压旋喷桩；纠偏；卸载

1　工程概况

沪杭客运专线松江特大桥桥上线路为无砟轨道，设计速度350 km/h，线路坡度12.8‰。其中K17+ 511—K17+696区段桥梁为32 m简支梁，墩高22 m，374#～378#墩桩基为10-φ1.25 m钻孔灌注桩，桩长67.5 m，桩端持力层为（9）1粉砂层，其基本承载力σ0=200 kPa。松江特大桥地层主要为淤泥质粉质黏土、黏土和粉细砂，地层及物理力学参数见表1。

表1　松江特大桥地层及物理力学参数

2013年12月发现在沪杭客运专线下行线桥墩左侧有违法堆放的弃土（见图1），土体沿铁路方向长约160 m，宽约130 m，最大高度达7 m。土体坡脚与桥墩的最近距离仅5 m。

堆土对桥墩桩基产生侧向推力，造成桩基发生水平方向变形，最终导致了桥面线路的横向偏移。为确保行车安全，立即采取了限速措施，随后对轨道线形进行了拟合，并采用特殊扣件对轨道结构进行调整以保证轨道平顺性。

图1　桥墩附近堆土情况（单位：m）

2　桩基受力数值模拟

采用有限元软件Plaxis3D建立数值分析模型，模拟临近桥墩土体堆载的实际情况，计算374#～378#桥墩桩身的内力及变形，以分析堆载对桩基的影响。

模型水平x方向长300 m，约4倍桩长；水平y方向长250 m，约3倍桩长；垂直方向长150 m，约2倍桩长。忽略边界效应。桥墩、承台采用实体单元模拟；桩基采用Embedded桩单元模拟；土体采用实体单元、土体硬化模型（HS）模拟。模型采用标准位移边界：模型底部施加完全固定约束，左右两侧施加竖直滑动约束（固定水平方向位移），表面为自由边界。桥墩和桩基按设计尺寸建模。地层按实际情况建模，填土厚度取7 m，填土分4层，下面3层各厚2 m，第4层厚1 m。填土边界坡度取1∶1。桥墩墩身高取5 m。

松江特大桥374#～378#墩墩顶水平位移实测值与计算值对比见表2。可知，376#桥墩墩顶水平位移最大，实测值为61.4 mm，计算值为52.2 mm，二者比较接近。由于该段线路位于曲线地段，而墩顶发生较大横向变形破坏了原来的曲线线形，形成了复合曲线，影响了高速铁路运行。桩基发生挠曲变形，同时桩身产生了微裂缝。这可能降低桩基承载力，影响桩基使用寿命。

表2374　#～378#墩墩顶水平位移实测值与计算值对比

为研究承台下桩基受力特点，对横向位移最大的376#的1#～10#桩（见图2）弯距和桩顶位移进行了分析。分析结果表明1#和2#桩的弯矩和水平位移值最大。1#桩水平位移和弯矩见图3。由于1#和2#桩距离桥墩堆载土体最近，受到的影响最大，桩身内力和变形最大，可代表桥墩桩基最不利的内力和变形状态。

图2　376#墩桩基布置

图3　376#墩1#桩水平位移与弯距

3　桥墩桩基纠偏机理及效果分析

对于桥墩桩基偏移有2种处理方案：①横向移动梁体［1-2］以达到纠偏的目的；②通过卸载或施加水平力使桩产生水平位移［3-4］纠正桥墩偏移。

松江特大桥374#～378#桥墩上为32 m简支梁，采用盆式橡胶支座。若采用移梁方案，需先在天窗点内将每个桥墩上的16个支座螺栓周边混凝土拉槽凿除，预留支座螺栓平移空间，然后同时顶起3孔梁体并横向平移。此方案的不足之处在于：①虽然解决了轨道线形变化问题，但桩基的挠曲变形未被纠正，桩基仍处于非正常受力状态；②在列车限速60 km/h运行条件下，固定支座螺栓的混凝土被凿除，削弱了梁体的稳定性；③在1个天窗点内对4孔梁体进行平移，存在不能同步到位的风险，此外，梁体平移33 mm对CRTSⅡ型无砟轨道结构的影响难以评估。因此，不推荐移梁方案，而选择桩基纠偏方案，采取卸载与高压旋喷桩纠偏相结合的方式。下文研究纠偏方案的特点及施工中土体、桩基的变形特征。

3.1堆土卸载方案及效果分析

发现松江特大桥K17+511—K17+696区段单侧被堆积弃土后，设备管理单位当夜组织机械进行弃土清理。按照在桥墩两侧30 m范围内不得有堆土且30 m以外堆土不得超过2 m的原则，将堆土外运，使桥墩四周堆土卸载至两侧土压力达到平衡状态。桩基所受侧向外力解除后，自2013年12月—2015年6月经过480 d，松江特大桥374#～378#桥墩桩基位移均发生了不同程度的回弹，其中376#和377#墩墩顶位移变化过程见图4。

图4　376#和377#墩墩顶位移变化过程

图4的墩顶位移变化过程可分为3个阶段，具体分析如下：

第1阶段（OA段，为突变阶段）。桥墩及桩基受单侧堆载压力作用发生横向位移，其变形速率与堆载时间、高度和体积有关。一般快速堆载且堆载高度＞5 m时，可使桩基发生挠曲突变且横向位移较大。图中桥墩横向位移达61.7 mm。此阶段对高速行车安全威胁最大，因为轨道方向发生了突变，列车晃动明显。据统计，在上海地区如果堆载高度为2 m则桥墩产生横向位移约为10 mm。

第2阶段（AB段，回弹阶段）。快速卸载后，桥墩桩基所受水平力消失，使已经挠曲变形的桩基发生回弹，桥墩桩基横向偏移量逐渐减小。根据观测数据分析，此回弹过程是长时间的缓慢过程，回弹数值平均每天为0.2 mm，累计回弹位移量约50%。

第3阶段（BC段，稳定阶段）。桩基经过数月的回弹变形后，横向偏移量处于稳定状态。

经过480 d，374#～378#桥墩墩顶水平位移分别回弹了15，22，28，18和8 mm。墩顶剩余横向偏移量分别为0.9，18.0，33.7，17.0和0.3 mm，因此需要对375#，376#，377#桥墩进行纠偏。

对于单侧堆载造成桥墩桩基偏移，可以考虑采取反向堆载纠偏的方案［5］，即在违章堆土的另一侧（下行右侧）堆载纠偏。其缺点主要有：①堆载体积与纠偏量之间的关系尚不清楚，无法确定堆载量；②堆载纠偏是连续动态过程，纠偏过程不可控，可能影响列车运行安全。因此，反向堆载纠偏方案不可取。

3.2高压旋喷桩纠偏

3.2.1高压旋喷桩纠偏机理

沪杭客运专线K45桩板结构路基曾利用高压旋喷桩成功纠偏［6］，其经验可供本工程借鉴。桥墩桩基抗横向荷载能力相对较弱，仅为抗竖向荷载能力的5%～10%，因此可利用高压旋喷桩喷射压力对桥墩桩基施加横向水平力，使桥墩桩基发生横向位移以达到纠偏目的。

上海地区的淤泥质软黏土具有强度低、含水量大、压缩系数高的特点。高压旋喷桩机在施工过程中产生喷射流压力达20～24 MPa，高压喷射流冲切桩周软土，形成高压旋喷桩桩体。桩体周边土体结构受劈裂、挤推作用，软土发生触变，土体强度衰减，由软塑状软土变成流塑状软土。流塑体能传递高压旋喷桩喷射压力，桥墩桩基等构筑物受旋喷桩喷射压力的挤压推动作用，产生侧向变形。高压旋喷桩在软土地层中作用范围是（40～50）D，D为高压旋喷桩直径。

3.2.2高压旋喷桩纠偏施工方案

对运营中高速铁路桥墩桩基进行纠偏在国内尚无先例。本工程须考虑3个桥墩纠偏的协调、轨道结构平顺性、单个桥墩变形突变等问题。涉及的主要技术如下：

1）高压旋喷桩施工深度、压力的选择。拟采用4排高压旋喷桩进行纠偏。选取高压旋喷桩作用范围为10D（D=0.7 m），即距离承台最远的一排桩距离为7 m，最近的一排桩距离为4.5 m。一旦再次发生桥墩横向偏移，这样的设计为下次纠偏预留了空间。试桩压力为13 MPa，根据纠偏量逐渐增加压力，以保证桩基每天的纠偏量可控以及轨道线形平顺。松江特大桥K17+511—K17+696区段淤泥质软黏土基底标高为地面下21 m，其下是硬塑的黏土层。由于黏土层的土体结构强度高，足以抵抗高压旋喷桩压力，不易产生较大变形［7-8］，因此高压旋喷桩作用于此地层作用不大。由于桩基自承台向下20 m范围内的弯距和变形较大，因此将高压旋喷桩作用深度定为地面下20 m，即高压旋喷桩作用于淤泥质软黏土层。

2）防止承台及桩基在高压旋喷桩压力下发生扭转。每个桥墩采用2台高压旋喷桩机，由外向内在承台中心线两侧对称、同步、同压力施工，且在承台中心线左右各1 m范围内停止施工。高压旋喷桩施工作业平面图见图5（a）。

3）承台横移量与墩顶（梁体）横移量之间的关系。一般在水平力和弯距作用下［7］承台发生水平位移（a）和转角（β），墩顶位移为a+βh，h为墩高。由于桥梁承台转动时墩顶位移可能被放大，为防止轨道线形突变，必须监控桥墩承台、墩顶和轨道变形及其相互关系。利用全站仪建立了对承台、梁体和轨道的观测系统。同时为掌握深层土体变形规律，承台左右侧1 m处各设置1个测斜管（CX05和CX08）对深层土体位移进行监测，测斜管长20～25 m，管底以不小于旋喷桩及应力释放孔深度为宜。高压旋喷桩施工作业立面图见图5（b）。

图5　高压旋喷桩施工作业

4）高压旋喷桩施工条件。线路限速60 km/h，并在封锁天窗（23：00～次日4：00）内施工。当天梁体或承台的纠偏量达4 mm时停止施工。

3.2.3高压旋喷桩纠偏施工变形规律

1）高压旋喷桩压力与纠偏量的关系

由于缺少高压旋喷桩压力与桩基纠偏之间关系的经验参考值，对375#～377#桥墩纠偏的喷射压力从13 MPa开始试桩并逐浙增大压力，得到高压旋喷桩压力与桩基纠偏量的关系。随着压力增加，纠偏量也相应增加，基本呈线性关系，见图6。

图6　高压旋喷桩压力与纠偏量的关系

2）纠偏量与承台周边条件的关系

高压旋喷桩最初开始施工时，桥墩横向位移量较小。原因是承台面以下是6 m厚的黏土和粉质黏土，地层的土体强度高，高压旋喷桩作用对其影响有限，特别是承台另一侧黏土和粉质黏土层不易压缩变形，阻碍着承台及桩基的变形。

在高压旋喷桩的承台对面一侧开挖变形槽（深3 m，宽1.5 m，长9 m），既解除了承台周边黏土和粉质黏土土体对承台及桩基变形的约束作用，又人为地造成承台两侧土体偏压状态，有助于桩基和承台纠偏。同时，在承台和变形槽间设置应力释放孔，由于软土流动性，应力释放孔经过一周时间会被淤满，如施工期间在应力释放孔内钻孔取土以保证其有效性，也有助于桩基和承台纠偏。实践证明，解除承台周围土体约束是确保承台及桩基横移的基本条件。

3）纠偏过程中承台和墩顶（梁）变形特点

376#和377#墩2015年7月14日在1个封锁点施工中承台和墩顶横向位移变化曲线见图7，在整个纠偏过程中墩台和墩顶累计横向位移变化曲线见图8。可见，无论是单个还是整个施工过程中，承台与墩顶变形趋势基本一致，说明由于深达20 m的高压旋喷桩的作用，使桩基、承台和梁体同步产生了横向位移。

高压旋喷桩施工利用封锁天窗时间（23：00～次日4：00）。施工期间的墩、梁的横向位移呈线性增加，施工结束后，墩、梁横向位移开始回弹，并逐渐趋于稳定，回弹率约为40%。

4）高压旋喷桩作用下的桩土位移特点

376#墩承台两侧深层土层在高压旋喷桩压力作用下水平位移变形曲线见图9。其中CX08号测斜管邻近高压旋喷桩，CX05号测斜管在承台另一侧。可见：同一水平面上土体水平位移与高压旋喷桩距离成反比，说明高压旋喷桩喷射压力和对土体作用随着距离增大而衰减。376#墩桩基沿深度方向变形量介于CX08和CX05深测孔所测数值之间，可以推断桩基挠曲变形基本得到纠正。

图7　承台及墩顶横向位移变化曲线

图8　承台及墩顶累计横向位移变化曲线

图9　土层水平位移变形曲线

4　结论

1）在软土地区的高速铁路以桥梁方式通过时，应加强对周边环境的监控，防止非法堆载导致的单侧偏压引起桥墩桩基横向位移。

2）对软土地区的桥墩桩基利用高压旋喷桩纠偏是可行的。纠偏过程中应根据轨道线形需要确定每个桥墩的纠偏量，确保轨道线形圆顺。可以通过调整高压旋喷桩作用压力、深度和承台约束条件控制每次纠偏量。

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［8］王慧东.桥梁墩台与基础工程［M］.北京：中国铁道出版社，2005.

Exploring on Rectification Technique for Pile Foundation of Simply-support Girder on Shanghai-Hangzhou Passenger Dedicated Railway

PAN Zhenhua
（Track Maintenance Division，Shanghai Railway Administration，Shanghai 200071，China）

Under the influence of external factors such as illegal stacking，the pile foundation of high speed railway in soft soil area occurred deflection，which induced pier foundation deviation then the track irregularity，and threatened the operation safety of trains.Several similar examples had occurred.T his paper took the pile foundation rectification engineering of Shanghai-Hangzhou passenger dedicated railwayas example todiscuss.T he reasons of pile foundation deviation were analyzed.T he comprehensive treat measurements were applied combing unloading of soil with high pressure jet grouting pile rectification，which corrected the pile foundation deviation and restored the track alignment.Besides，the relationships between unloading of soil and pile displacement in the opposite direction，and the relationships between jet grouting pressure and soil displacement and rectification quantity were researched.T hose provide

for similar pile foundation rectification engineering.

High speed railway；Simply supported beam；Pile foundation deviation；High pressure rotary jet grouting pile；Rectifying deviation；Unloading

U445.7+1

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.10

1003-1995（2016）09-0038-05

（责任审编李付军）

2016-01-20；

2016-03-29

潘振华（1967—），男，高级工程师，硕士。