格栅状粉喷桩在深厚淤泥质软土层中桥墩防护的应用

赵晓泉

（中路黄河（山西）交通科技集团有限公司，山西太原 030006）

0 引言

近年来，随着城市建设的发展以及高铁线路网的完善，市政工程与高速铁路不可避免地会发生交叉，目前国内高铁穿越湖泊、河流成功的案例数不胜数，技术已经成熟且处于国际领先地位，然而先修建高铁后桥下开挖人工湖的案例却屈指可数[1-2]，如何在不影响高铁安全的情况下实施公路市政工程项目是我们新时代必须要正视的问题。

文中案例桥墩防护因地制宜地选取了格栅状粉喷桩[3-4]作为防护结构，粉喷桩属于水泥搅拌法加固地基方法的一种形式，也叫加固土桩，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的搅拌机械就地将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的复合地基，粉喷桩一般用于特殊路基处理，也可用作临时防护结构。文中案例工程通过在格栅状粉喷桩桩中心插筋，并在外侧设置钢筋混凝土护壁及压顶梁，作为永久防护结构应用于高铁桥墩的防护中，确保了高铁的运营安全。

1 工程概况

1.1 工程地理位置

杭州经绍兴至台州铁路（以下简称杭绍台高铁）线路全长223.77 km，设计速度为350 km∕h，杭绍台高铁是长江三角洲地区城际交通网络的重要组成部分，也是中国首条民营资本控股的高铁PPP 项目。杭绍台高铁开工建设后，地方政府规划建设东山湖，东山湖水域面积193 亩，开挖深度在2～3 m，东山湖的建设可有效解决区域内涝问题，因此东山湖的建设迫在眉睫。东山湖与杭绍台高铁交叉，且交叉范围内高铁桥梁下部结构已经施工完成，正在架设上部梁体，东山湖的建设势必会对已完成的高铁桥梁桩基造成扰动，进而影响高铁结构安全，为此必须采取有效措施减小东山湖建设对高铁桥墩的影响，且必须在杭绍台高铁开通运营前建设完成。东山湖与杭绍台高铁位置关系见图1。

1.2 工程地质条件

东山湖区桥址处地貌类型属海积平原地貌，地面高程为3.15～3.65 m，地形较平坦，主要为村庄及耕地，特殊性岩土主要为淤泥、淤泥质土，根据勘察结果，场地自上而下地层分述如下:

a）⑥22粉质黏土（Q4al+m） 褐黄色，软塑，颗粒成分以黏粒为主，上部为耕植土，含少量植物根系；厚度一般0.6～3.8 m，Ⅱ级普通土，σ0=120 kPa。

b）⑦61淤泥质粉质黏土（Q4m） 深灰色、灰褐色，流塑，有机质含量约占3%～5%，有腥臭味，偶见贝壳碎片；层厚一般0.3～23.3 m，Ⅱ级普通土，σ0=45 kPa。

c）③22粉质黏土（Q4al+l） 灰褐色，软塑，含少量铁锰质氧化物等，层厚一般1.2～17.1 m，Ⅱ级普通土，σ0=100 kPa。

d）③121细圆砾土（Q4al+l） 灰褐色，稍密，饱和，砾石成分主要为凝灰岩，呈圆棱状，粒径2～20 mm 的占50%～65%，大于20 mm 的占10%～15%，余为黏性土及砂充填，厚度1.2 m，Ⅱ级普通土，σ0=300 kPa。

e）⑫52凝灰岩（J3Tu） 灰褐色，强风化，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩质硬，岩体破碎，多呈碎块状，一般块径30～60 mm，最大80 mm，层厚0.7～21.9 m，Ⅳ级软石，σ0=500 kPa。

桥址处基本地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度Ⅵ度。

1.3 水文地质条件

东山湖区桥址处地下水主要为赋存于浅部黏性土层中的孔隙潜水，下部含黏性土碎石层中的孔隙承压水、基岩裂隙水。

对于桥址处影响较大的主要是浅层孔隙潜水，主要赋存于浅部填土、黏性土层中，埋藏较浅，渗透性较弱，水量贫乏，地下水受季节气候变化影响较大，勘察期间测得孔内地下水埋深为0.50～1.00 m，场地内孔隙潜水年变幅1.0 m 左右。典型地质剖面见图2。

图2 典型地质剖面图

2 工程防护措施

依据东山湖与铁路桥墩的位置关系，对交叉范围内的56～88 号桥墩共计33 个桥墩进行了归类整理分析，发现高铁79～81 号桥墩场地范围内的淤泥、淤泥质土，天然含水量高，孔隙比大，具高压缩性，承载力低，工程特性差，含水量分布范围26.6%～59.4%，其中79 号桥墩淤泥质粉质黏土层厚达到24 m，80 号墩淤泥质粉质黏土层厚达到19 m，且地基承载力仅有45 kPa，对工程建设影响较大，且湖体开挖后79～81 号桥墩桩基外漏，东山湖建设会引起附近地层应力的重分布和变形，破坏了桩基与土体既有平衡，造成桩基附加沉降与挠曲变形，进而引起桥墩和桥梁上部结构发生位移。如果能采取有效措施减少湖体开挖对79～81 号桥梁桩基的扰动，就能够保证整个东山湖湖体影响范围内高铁桥墩的安全，从而减小东山湖开挖对高铁桥墩的影响。综合以上因素，决定采用格栅状粉喷桩重力式水泥土挡土墙作为桥墩的防护结构。东山湖开挖范围平面见图3。

79～81号桥墩采用圆形格栅状粉喷桩水泥土重力式挡墙作为防护结构，共计6排水泥搅拌桩，桩径0.8 m，间距0.6 m，桩长8 m，墙体宽3.8 m。见图4。

格栅状粉喷桩桩顶部设置30 cm 厚钢筋混凝土压顶梁，粉喷桩桩中心插入3 m 长φ20 钢筋并伸入压顶梁内，考虑到该次桥墩防护将作为永久性防护结构，单纯的粉喷桩桩体易受湖水浸泡冲刷，故在临水侧设置30 cm 厚钢筋混凝土护壁，护壁伸入湖底高程下0.5 m，临水侧插入两根φ20 钢筋，待湖体开挖后，凿出临水侧钢筋，并与混凝土护壁钢筋焊接牢固后，浇筑护壁混凝土。见图5。

图5 79～81号桥墩防护设计图

3 有限元数值模拟分析

3.1 计算模型

鉴于项目的复杂性，文中案例工程采用Midas GTS建立了三维模型，东山湖计算模型见图6。为便于描述，首先给出计算模型中拟采用的坐标系：顺铁路桥方向为X轴；垂直铁路桥方向为Y轴；竖直方向为Z轴。为消除计算边界效应的影响，考虑施工过程中的空间效应，计算模型取其有效影响范围，即模型沿X方向取1 110 m，沿Y方向取400 m，沿Z方向取土层深度85 m。

图6 东山湖计算模型

模型建模思路为首先建立各土层、杭绍台铁路桩基、承台、桥墩，将上部的荷载加在承台上，以此作为初始阶段，然后根据施工阶段激活或钝化相应单元及荷载，计算模型中土体采用三维混合网格模拟，铁路桥墩、桩基础均采用梁单元模拟，铁路承台板采用板单元模拟，铁路桥梁荷载换算为等效均布荷载施加在承台上。土体采用修正摩尔-库伦模型来模拟土的本构关系，模型顶面取为自由边界，底面采用三向约束，其他面均采用法向约束，划分土体网格时，开挖部分的土体加密划分，远离铁路的土体区域可粗略划分网格，保证计算精度的同时，又提高了计算精度。

3.2 计算参数及主要技术指标

为保障高铁运营安全，公路、铁路交叉穿越工程全周期中对既有高铁桥的位移控制极为严苛，根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[5]等相关规范要求，各土层参数取值见表1，模型中结构的物理力学参数见表2，杭绍台高铁桥墩墩顶位移控制值见表3。

表1 各土层基本物理力学参数取值表

表2 模型中结构的物理力学参数

表3 杭绍台高铁桥墩墩顶位移控制值 单位：mm

3.3 计算工况

文中案例工程模型分别模拟了铁路桥墩未采取任何防护措施后开挖湖体、铁路桥墩采取防护措施后开挖湖体、湖体开挖完成后湖体蓄水3 种工况下所引起的铁路桥墩墩顶位移。

3.4 计算结果分析

分别对3 种工况下56～88 号桥墩墩顶的横向、纵向、竖向位移进行了统计，不同工况下高铁桥墩墩顶位移值见表4，铁路桥墩采取防护措施后开挖湖体引起的桥墩顶变形云图见图7～图9。

表4 模拟不同工况下高铁桥墩墩顶位移值 单位：mm

图7 铁路桥墩附加竖向变形云图

图8 铁路桥墩附加顺桥向变形云图

图9 铁路桥墩附加横桥向变形云图

表4可见79～81号桥墩的位移值最大，其中80号桥墩因完全位于湖体中，其墩顶位移值最大，在铁路桥墩不采取防护措施的情况下，墩顶竖向位移值为-3.54 mm，纵向位移值为2.79 mm，横向位移值为-2.85 mm，均大于2 mm，不满足相关规范中的限值要求；在铁路桥墩采取防护措施后，墩顶竖向位移值为-1.03 mm，纵向位移值为1.34 mm，横向位移值为-0.30 mm，均小于2 mm，能够满足相关规范要求；东山湖蓄水后，铁路桥墩墩顶位移值较蓄水前位移值变化不大，墩顶竖向位移值为-0.95 mm，纵向位移值为1.15 mm，横向位移值为-0.21 mm，均小于2 mm，能够满足相关规范要求，通过不同工况下的模型模拟数值分析，初步判定案例中铁路桥墩的防护措施是合理的，可靠的，东山湖的建设对高铁桥墩影响较小，能够保证高铁运营安全。

4 施工完成后监测数据

杭绍台高铁已于2022年1月8日开通运营。运营后实测的桥墩墩顶位移值见表5所示，格栅状粉喷桩及压顶梁和护壁防护实景图见图10、图11。其中，56～88 号桥墩中80 号桥墩的墩顶位移值最大，竖向位移值为-0.97 mm，纵向位移值为0.89 mm，横桥向位移值为0.35 mm，均在可控范围内，且与有限元模型模拟值较吻合，高铁桥墩安全稳定。

表5 东山湖开挖完成后实测高铁桥墩墩顶位移值 单位：mm

图10 格栅状粉喷桩防护实景图

图11 粉喷桩压顶梁及护壁防护实景图

目前东山湖尚未蓄水，东山湖湖体蓄水后将持续对文中案例工程中桥墩顶位移进行追踪监测，以保证高铁运营安全。

5 结论

文中案例工程在地质条件较差的情况下，设计采用格栅状粉喷桩重力式挡墙作为桥墩的防护结构，设计过程中采用有限元方法，模拟了格栅状粉喷桩对高铁桥墩进行防护后，桥墩顶的竖向、水平位移量，并经实施后实际监测数据验证，格栅状粉喷桩在深厚淤泥质软土层中的防护措施是成功的。可得到以下结论：

a）格栅状粉喷桩同时通过桩中心插筋，并设置钢筋混凝土护壁及压顶梁可作为永久支护结构使用。

b）格栅状粉喷桩在深厚淤泥质软土层中应用效果较好，对临近高铁桥墩的影响较小，可为类似工程提供参考依据。