地基加固成桩对邻近高速铁路变形影响研究

梁金平

（鲁南高速铁路有限公司，济南 250101）

中国高速铁路从无到有，从落后到领先，从引进国外技术到指定中国标准，实现了跨越式发展。截至2019年底，全国铁路里程已占世界高速铁路总量的2／3，以“八纵八横”主干通道为骨架的高速铁路网已基本建成［1-6］。由于铁路建设工程的广泛性，目前部分引入工程形式一般与既有运营高速铁路邻近并行，或以帮宽形式填筑。邻近既有高速铁路路基工程的建造过程对既有高速铁路将产生种种不利影响。在以往建设工程对邻近铁路工程建造影响研究中，高显平［7］利用数值模拟探究了基坑施工影响下铁路所产生的变形规律，并制定了相应的控制措施。顾津申［8］探究了地面堆积荷载对邻近高速铁路桥墩沉降的影响规律，并根据现场工况进行了安全评估分析。孙宗磊［9］探究了邻近铁路桥梁建筑工程对铁路沉降变形的影响规律，对现场的监测测量确定合理施工方案。曹全［10］对下穿高速铁路工程的防护及沉降进行了评估。

邻近铁路建设工程对既有铁路同样会产生影响。为减小新建线路对既有线路的施工影响，一方面可以减小地基处理过程的施工扰动，评价新建线路地基加固成桩过程对邻近既有线路基的扰动影响，研究不同桩型、不同成桩工艺对邻近区域土体的扰动影响，开展不同成桩过程对邻近区域土体的变形分布与发展规律影响的现场试验，为新建线路路基地基加固的方案设计与施工组织提供指导。另一方面可以研发新的路基填筑材料和新路基结构，通过使用轻质填筑材料控制附加应力，减小附加沉降，减轻对既有路基的侧向和竖向荷载，从而有效控制既有路基的变形。

为评价新建线地基加固成桩过程对邻近既有线路基的扰动影响，本文通过开展预应力管桩成桩过程对邻近区域土体的变形分布与发展规律影响的现场试验，研究不同成桩距离对邻近区域土体位移的扰动影响。研究成果可为新建线路路基地基加固的方案设计与施工组织提供指导。

1 试验监测方案与工程

1.1 监测方案

试桩试验区选取在新建鲁南场正线东侧的拟建综合维修车间整体式道床复合地基加固范围内，场地位置如图1所示。试验共规划了6 个试桩区，分别为I 区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区、Ⅴ区及Ⅵ区，其中Ⅳ区、Ⅵ区均为预应力管桩区，Ⅳ区试验完成引孔15 m 管桩14 排，Ⅵ区试验先完成管桩引孔20 m 管桩5 排，之后完成管桩无引孔成桩9 排各试验这桩位布置如图1所示。针对地表水平及竖向位移、深层土体水平位移两项测试内容，建立自动化监测数据采集系统进行实时监测，获得Ⅳ区及Ⅵ区预应力管桩地基加固措施施工工艺及施工过程对临近土体的地表水平及竖向位移、深层土体水平位移的影响规律，各区详细桩位布置如图2所示。

图1 曲阜东站试桩试验区平面位置示意图

图2 各试验区桩位布置图

1.2 试验监测方案

地表水平及竖向位移监测：采用超高精度全自动测量机器人配合地表固定棱镜，测量地表的水平及竖向位移，获取成桩过程中邻近区域地表水平及竖向位移发展规律。土体深层水平位移监测：采用全向水平位移传感器和阵列式柔性测斜仪，测量地表和深层土体水平位移，获取成桩过程中邻近土体水平位移沿土体深度的分布及变化规律。地表水平及竖向位移监测基准点选取：依照相关测量规程，每个测站需要设置不少于3 个基准点。基准点应设置在变形影响范围之外、便于长期保存的稳定位置，且基准点的间距不大于1 km。依照现场实际情况，实际布设6 个基准点，基准点标石埋深1.5 m。观测频率：各测试项目均采用自动化监测系统，元件布设完成后地表水平及竖向位移、深层土体水平位移、孔隙水压力及地下水位均可通过自动采集、传输设备进行实时量测。本次试验设定仪器监测频率为：地表位移监测频率15 min／次、深层土体水平位移30 min／次。

试验区监测断面与测点平面布置示意如图3所示。地表水平及竖向变形监测的每个断面设置8 个地表位移测点，各断面测点距离试验区边界距离依次为1.0 m、5.0 m、8.0 m、11.3 m、16.3 m、20.0 m、35.5 m和60.0 m，地表位移测点编号为“S +断面号+顺序号”。土体深层水平位移监测的每个断面设置2 个深层水平位移测点，深层水平位移观测点布设于距试验区边界1.0 m、5.0 m，孔深30 m。

图3 监测断面与测点平面布置示意图（m）

2 监测结果与分析

2.1 地表水平及竖向位移分析

试验Ⅵ区、Ⅳ区地表横向水平位移随成桩进度的变化如图4、图5所示。

图4 Ⅵ 区地表横向水平位移随成桩进度的变化图

图5 Ⅳ区地表横向水平位移随成桩进度的变化图

由图4、图5 可知：

（1）试验Ⅵ区（引孔20 m管桩5排）：共成桩196根，在距离试验区边界1 m、5 m、8 m 处测点S-5-1～S-5-3 引起的地表最大横向水平位移依次为14.2 mm、12.3 mm、10.1 mm，地表最大纵向水平位移依次为10.1 mm、2.8 mm、2.6 mm（线路大里程方向，下同），地表隆起依次为1.7 mm、1.6 mm、0.7 mm；在距试验区边界11.3 m（模拟高速铁路场帮填京沪Ⅱ股道）、16.3 m（模拟高速铁路场帮填京沪Ⅱ股道）、20.0 m（模拟鲁南场填筑京沪5 股道）、35.5 m（模拟鲁南场填筑京沪Ⅱ股道）测点S-5-4～S-5-7 处引起的地表横向水平位移依次约为7.9 mm、5.9 mm、4.4 mm、1.6 mm，地表纵向水平位移依次约为2.3 mm、1.8 mm、1.5 mm、1.2 mm，未引起明显地表隆起变化。压桩对60 m 测点S-5-8 未造成明显影响。

（2）试验Ⅳ区（引孔15 m 管桩14 排）：共成桩196 根，在距离试验区边界1 m、5 m、8 m 处测点S-3-1～S-3-3 引起的地表最大横向水平位移依次为13.7 mm、7.9 mm、7.5 mm，地表最大纵向水平位移依次为4.5 mm、4.1 mm、3.6 mm，地表隆起位移依次为2.4 mm、1.6 mm、1.4 mm；在距试验区边界11.3 m、16.3 m、20.0 m、35.5 m 测点S-3-4～S-3-7 处引起的地表横向水平位移依次约为6.4 mm、4.8 mm、3.9 mm、1.3 mm，地表纵向水平位移依次约为3.3 mm、2.7 mm、2.7 mm、1.6 mm，测点S-3-4 地表有约1.4 mm 的隆起，测点S-3-5～S-3-7 无明显的地表竖向位移。压桩对60 m 测点S-3-8 未造成明显影响。

（3）结合2 个试验区地表最大横向水平位移、纵向水平位移及地表隆起位移可知，随着测点距离的增大测点水平位移、地表隆起位移均随之减小，试验Ⅵ区地表水平位移大于试验Ⅳ区，但地表隆起位移小于Ⅳ区，且当距离达到60 m 时地表位移将不受影响。

2.2 深层土体水平位移分析

试验Ⅵ区、Ⅳ区1 m、5 m 处深层水平位移发展变化如图6、图7所示。

图6 Ⅵ区1 m、5 m 处深层水平位移发展图

图7 Ⅵ区1 m、5 m 处深层水平位移发展图

由图6、图7 可知：

（1）试验Ⅵ区压桩产生的位移主要为横向位移。距试验Ⅵ区边界1 m 处测点D-5-1 的深层横向水平位移随成桩排数的增多而增大，地表横向水平位移最大值约为17.2 mm，深层最大值约为15.5 mm，出现在地表以下13～15 m 处，在深度23～30 m 段迅速减少。深层纵向水平位移在成桩过程中最大值为3.0 mm，至全部成桩时，地表纵向水平位移基本恢复至0 mm，深层纵向水平位移最大值为-1.8 mm，出现在深度13 m 处。因深层水平位移的测量精度为1.5 mm，故可以认为纵向位移变化很小。距试验Ⅵ区边界5 m 处测点D-5-2 的深层横向水平位移随成桩排数的增多而增大，地表横向水平位移最大值约为14.8 mm，深层水平位移随深度递减，在地表以下5 m、15 m、25 m处横向位移约为12.0 mm、9.7 mm、3.9 mm。深层纵向水平位移在成桩过程中最大值为1.4 mm，至全部成桩时，地表纵向水平位移恢复至0.4 mm，深层纵向水平位移最大值为-1.8 mm，出现在深度19 m 处。

（2）试验Ⅳ区压桩产生的位移主要为横向位移。距试验Ⅳ区边界1 m 处测点D-3-1 的深层横向水平位移随成桩排数的增多而增大，地表横向水平位移最大值约为11.7 mm，深层最大值约为9～10 mm，出现在地表以下12～20 m处，在深度20～30 m段逐渐减少。深层纵向水平位移在成桩过程中最大值为5.0 mm，至全部成桩时，地表纵向水平位移约为2.6 mm，深层纵向水平位移最大值为3.0 mm，出现在地表以下20 m 处。距试验Ⅳ区边界5 m 处测点D-3-2的深层横向水平位移随成桩排数的增多而增大，地表横向水平位移最大值约为8.9 mm，深层水平位移整体上随深度递减，在地表以下5 m、15 m、25 m 处横向位移约为7.1 mm、7.8 mm、4.2 mm。深层纵向水平位移在成桩过程中最大值为1.6 mm，至全部成桩时，地表纵向水平位移基本恢复至0 mm，深层纵向水平位移最大值为2.8 mm，出现在深度19 m 处。

（3）两个试验区内深层水平位移随着地表深度的增大及测点距离的增加而不断减小，深层横向水平位移最大值在地表以下13～15 m 处，在深度23～30 m段迅速减少。试验Ⅵ区横向水平位移大于试验Ⅳ区，而深层纵向水平位移小于试验Ⅳ区。

3 结论

本文研究了预应力管桩成柱过程对临近区域土体的变形分布与发展规律的影响，得到主要结论如下：

（1）试验Ⅵ区距离试验区边界1 m、5 m、8 m 处测点引起的地表最大横向水平位移依次为14.2 mm、12.3 mm、10.1 mm，最大纵向水平位移依次为10.1 mm、2.8 mm、2.6 mm；试验Ⅳ区处测点引起的地表最大横向水平位移依次为13.7 mm、7.9 mm、7.5 mm，最大纵向水平位移依次为4.5 mm、4.1 mm、3.6 mm，可见距离试验边界处越远，测点水平位移越小，试验Ⅵ区地表水平位移大于试验Ⅳ区。

（2）试验Ⅵ区距离试验区边界1 m、5 m、8 m 处地表隆起依次为1.7 mm、1.6 mm、0.7 mm，Ⅳ区距离试验区边界1 m、5 m、8 m 处测点地表隆起位移依次为2.4 mm、1.6 mm、1.4 mm，表明测点距离越远，隆起位移越低，且IV 区位移大于Ⅵ区。

（3）距试验Ⅵ区边界5 m 处地表横向水平位移最大值约为14.8 mm，在地表以下5 m、15 m、25 m 处横向位移约为12.0 mm、9.7 mm、3.9 mm；试验Ⅳ区地表横向水平位移最大值约为8.9 mm，地表以下5 m、15 m、25 m 处横向位移约为7.1 mm、7.8 mm、4.2 mm。可见横向水平位移随着地表深度的增大而不断减小，且试验Ⅵ区横向水平位移大于试验Ⅳ区。