宝兰客运专线车站路基六线浅埋式桩板结构研究

张 然

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043）

桩板结构路基是在一些地质条件较差或特殊地质条件下修建高标准铁路而出现的一种新型复合路基［1］。桩板结构主要是由钢筋混凝土承载板、钢筋混凝土桩基、托梁、桩间土等组成，在满足总沉降变形要求的同时，可有效控制路基沉降变形和纵向路基的不均匀沉降差。

区间双线路基已经普遍采用浅埋式桩板结构，车站内正线及相邻到发线四线采用桩板结构尚不多见，六线浅埋式桩板结构在国内应用极为罕见。

宝兰客运专线天水南站内浅埋式连续桩板结构板顶位于基床表层底面以下1.8 m；结构横向为整体1块板，六线桩板结构最宽处为32.3 m；结构纵向除旅客通道、大跨度箱形桥外，其余每200 m 设置1 道伸缩缝，并在桩板结构端部与相邻结构物搭接处，通过调整跨度和悬臂段长度、改变涵洞基础形式、设置牛腿等方式，使桩板结构与其他结构物进行平顺连接、过渡。

对于站内路基填挖频繁交错，填方高度过高，多股道铺设无砟轨道，过渡段频繁设置，尤其在深厚层湿陷性黄土路基沉降难以控制地区，采用该结构形式具有有效控制沉降、方便施工、缩短工期等优势。

1 车站概况

天水南站位于甘肃省天水市渭河南岸农田果园区，地貌属黄土梁前缘的二级阶地，地形起伏变化较大，相对高差约45 m。线路以填挖相间形式通过，中心最大填方高度12 m，最大挖方高度18 m。天水南站为宝兰客运专线的重要中间站，车站设正线2条、到发线5 条、安全线及大型停留线5 条，其中正线及相邻到发线铺设无砟轨道。车站范围内有2 座桥梁、3 座涵洞、2 座地道，小里程端接花牛村特大桥，大里程端接渭河隧道。

地层为第四系上更新统风积黏质黄土、冲积黏质黄土、粗圆砾土，第三系泥岩。其中第四系风积黏质黄土最大厚度52 m，平均含水率15.5%，平均干密度1.41 g/cm3，平均孔隙比0.83，孔隙、虫孔、垂直节理发育，自重湿陷量约1074.4 mm，总湿陷量约1736.5 mm，属Ⅳ级湿陷性黄土，湿陷土层厚度30.3～40.8 m。地下水水位埋深大于40 m，具硫酸盐、氯盐侵蚀性，环境作用等级分别为H1，L1，对混凝土无侵蚀性。

2 地基处理方案研究

2.1 地基处理难点

客运专线规范要求通过湿陷性黄土地段的路基必须消除黄土的全部湿陷性或穿透湿陷性黄土地层。在站内正线、相邻到发线及道岔过渡区（六线）铺设无砟轨道地段，常规的复合地基措施难以达到深度要求。

无砟轨道对路基工后沉降差异［2］要求非常严格。桥梁、隧道、涵洞、地道及路基工程结构物轨下基础的差异决定了轨道刚度和变形在线路纵向变化得不均匀，采用复合地基处理较为复杂［3］，难以满足技术要求。

车站内路基填挖频繁交错、股道多、横向宽度大，设桥不仅投资巨大，而且困难较大。

2.2 方案研究

铺设有砟轨道区段的站内牵出线、工区线路、到发线等根据填挖方高度、沉降要求，采用挖除换填、灰土挤密桩、柱锤冲扩桩、长短桩（CFG+挤密桩）常规措施进行处理，并通过加强防排水，措施安全、经济、可靠。

铺设无砟轨道区段的正线及相邻到发线，设计前期对地基处理方案进行了详细的研究。经沉降检算，填方及浅挖地段若采用复合地基（预钻孔柱锤冲扩桩、长短桩），工后沉降无法满足TB 10621—2014《高速铁路设计规范》中对无砟轨道的要求，故设计采用桩板结构方案；深挖方地段由于湿陷性黄土挖出一部分，采用长短桩复合地基能满足无砟轨道工后沉降要求，短桩采用20 m 预钻孔柱锤冲扩桩消除黄土的湿陷性，长桩采用30 m CFG 桩提高地基承载力，控制路基工后沉降。并对线路中心挖方10 m 地段采用长短桩复合地基与采用桩板结构进行了经济性比较，见表1。可知：在满足工后沉降的要求下，挖方地段桩长56 m的四线桩板结构，工程造价比复合地基仅高10%，然而却彻底解决了本站的填挖频繁过渡产生的不均匀沉降及道岔区沉降关键技术难题。

表1 长短桩与桩板结构方案经济比较

最终天水南站无砟轨道地段全部采用桩板结构进行处理，处理效果如图1所示。

图1 浅埋式桩板结构处理效果

3 桩板结构设计

3.1 结构受力计算

桩板结构为多次超静定结构，按平面简化法将桩板结构纵、横向分别简化为平面桁架结构，采用结构力学的柔度法（力法）对超静定结构进行求解计算，即将桩板的各跨度中央切开，使之成为静定基本体系，然后根据变形协调原理，计算任意截面的弯矩、剪力以及每一根桩顶的轴力、垂直轴方向的剪力和弯矩［4］。由于在实际工程计算应用中对超静定结构进行求解比较复杂且繁琐，桩板结构检算过程中采用了有限元软件MIDAS 分别建立横向和纵向的二维结构模型［5］，对超静定结构进行求解。

通过计算，板厚度0.7 m、宽度32.3 m、桩径1 m能满足顶板上部荷载要求，桩和板的裂缝宽度计算值小于0.25 mm。

3.2 桩长计算

桩板结构桩承受的荷载主要有固定恒载、轨道竖向列车荷载、离心力、冲击力，以及在施工使用期限内偶然荷载的作用，经对几种不利组合情况计算，单桩的最大竖向轴力为2 548 kN，通过反算可确定桩长。

3.2.1 钻孔灌注桩的容许承载力

天水南站板桩结构桩基按照摩擦桩设计，成桩工艺采用钻孔灌注桩，桩的容许承载力［P］按下式计算。

式中：U为桩身截面周长，m；fi为各土层的极限摩阻力；li为各土层的厚度；m0为桩底支撑力折减系数，一般取 0.4；A为桩底支撑面积，按设计桩径计算；[σ]为桩底地基土的容许承载力；Q为负摩阻力。

3.2.2 负摩阻力

按照群桩效应的基桩下拉荷载公式进行计算，即

式中：μ为桩身周长为中性点以上第i层的负摩阻力标准值；n为中性点以上的层数；li为中性点以上第i层的厚度；ηn为负摩阻力群桩效应系数，ηn=其中Sx，Sy分别为纵、横向桩的中心距，d为桩直径为中性点以上桩周土厚度加权平均负摩阻力标准值，rm为中性点以上桩周土层厚度加权平均重度。

根据以上公式对负摩阻力的有关数值进行了分析，天水南站平均负摩阻力取532 kN。

3.2.3 设计桩长

设计桩长等于板下部填土高度、负摩阻力计算深度及正摩阻力深度范围内的桩长之和。

3.2.4 计算结果

依据以上公式计算得出最大单桩轴向承载力为3 080 kN，反算出六线桩板结构（如图2所示）［7］桩长为56 m。

图2 六线桩板结构横断面布置示意

3.3 沉降计算

多线桩板结构沉降按群桩进行计算，为各单桩独立计算的沉降平均值与群桩底平面以下一定深度内地基的压缩变形之和。

为减小桩板结构端部与桥梁间的沉降差异，将端跨长度调整为4 m，并于桥台设置牛腿进行搭接。沉降计算结果表明，地基采用浅埋式桩板结构处理，路基工后最大沉降小于10 mm，控制沉降效果显著，满足规范要求，与相连桥台的沉降差异值最大为3.4 mm，小于5 mm，能有效地减少结构物之间的工后沉降差异，沉降计算值见表2。可知，浅埋式桩板结构在满足路基工程工后沉降控制要求的同时，更能发挥控制相邻结构物轨下基础沉降差异的性能，是加固深厚层软土、湿陷性黄土以及频繁过渡段路基的有效方法。

表2 沉降计算值

4 桩板结构施工

地表处理后施工土挤密桩，地基检测（消除黄土湿陷及复合地基承载力）合格后，对路基本体进行分层填筑，路基本体填筑至桩板结构板底高程时进行桩板结构施工［8］。由于钻孔桩施工对路基面破坏较大，故将路基面高程高出设计值10 cm，施工桩板结构时将多余部分清除，施工垫层，确保板下填土密实。桩板结构施工主要分3阶段进行，钻孔桩施工阶段、板施工阶段及板合龙施工阶段。施工工艺流程见图3。

5 桩板结构处理效果

施工中对桩板结构在承台板施工结束后，混凝土达到初凝开始进行沉降观测［9］。在路基改良土填筑、级配碎石填筑、轨道铺设等工序开始阶段，沉降速率都比较大；随着施工的进行，由于外荷载的增加，承台板的总沉降也在增加，沉降速率较之前趋于平缓。2017年8月开通运营以来，沉降观测数据无异常，本段线路状况良好，轨道平顺。

图3 施工工艺流程

DK767+886 断面沉降时程曲线见图4。可知，DK767+886 断面承台板中心沉降为4.53 mm，低于设计值，表明桩板结构可以有效地控制路基的沉降，满足高速铁路路基设计要求。

图4 DK767+886断面沉降时程曲线

6 结论及建议

1）浅埋式桩板结构是加固深厚层软土、湿陷性黄土、频繁过渡段路基的有效方法，不仅能满足路基工程工后沉降控制要求，而且能更好地控制相邻结构物轨下基础沉降差异。

2）天水南站六线桩板结构在沉降控制、方便施工、经济技术等方面具有很大优势，值得在西北其他铁路建设中推广应用。

3）桩身穿越深厚层自重湿陷性黄土层时，建议采取必要措施消除浅层黄土的湿陷性，降低桩身负摩阻力，从而达到减少桩长、降低施工难度、节约投资的目的。