滬寧城際鐵路軟土地基處理設(shè)計與施工技術(shù)

田光盛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,湖北武漢 430063)

新建南京至上海城際鐵路走行于既有滬寧通道之內(nèi),先后通過南京、鎮(zhèn)江、丹陽、常州、無錫、蘇州直至上海,線路全長約300 km，設(shè)計時速300 km。沿線除引入既有南京站及上海站附近采用有砟軌道結(jié)構(gòu)外,其余地段均鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)，全線約170 km與我國最繁忙的I級干線既有滬寧鐵路并行。

南京至丹陽為寧鎮(zhèn)丘陵區(qū)及長江高階地區(qū),丹陽以東為長江三角洲平原。全線軟土、松軟土分布廣泛,成因類型復(fù)雜,主要有谷地相、河流沖積相、湖積相、濱海相沉積形成,其中南京至丹陽軟土主要分布在長江支流一級階地,封閉、半封閉的丘間谷地、長江高階地的坳谷中；丹陽—呂城段長江沖積平原軟土分布較廣,且深度變化大,在8～36 m之間；呂城—常州—戚墅段長江沖積平原零星、斷續(xù)分布有淤泥質(zhì)土,屬古河道、牛軛湖相成因；戚墅至昆山段太湖湖積平原軟土分布較廣,其中婁江前軟土呈零星分布,婁江后軟土分布廣泛；昆山—上海段屬長江三角洲前緣濱海相沉積平原,軟土分布廣、厚度大。全線軟土路基長約57 km。選擇可靠、合理軟土地基處理方案,有效控制軟土地基工后沉降,是確保本線順利建成的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 軟土路基地基處理的主要技術(shù)方案

無砟軌道結(jié)構(gòu)對路基工后沉降提出了嚴(yán)格的要求,一般地段不應(yīng)超過扣件允許沉降調(diào)高量15 mm，路橋或路隧交界處的差異沉降不大于5 mm。如此高的沉降標(biāo)準(zhǔn)，采用常規(guī)的攪拌樁、旋噴樁等水泥土復(fù)合地基加固措施難以滿足設(shè)計要求而達(dá)到“零”沉降的控制的目的,采用剛性樁進(jìn)行加固是解決問題的有效方法。滬寧城際鐵路地基加固采用的剛性樁主要有CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁和鉆孔樁。

(1)管樁：具有單樁承載力高、適用范圍廣、對持力層起伏變化大的地質(zhì)條件適應(yīng)性強、施工速度快、樁身耐打穿透力強、成樁質(zhì)量較可靠等優(yōu)點,但也存在以下缺點：用柴油錘施打管樁時,震動劇烈,噪聲大,擠土量大,會造成一定的環(huán)境污染和影響。采用靜壓法施工可解決震動劇烈和噪聲大問題,但擠土作用仍然存在；對含有卵礫石夾層無法穿透等。

(2)CFG樁：CFG樁的適用范圍很廣。在砂土、粉土、黏土、淤泥質(zhì)土、雜填土等地基均有大量成功的實例。CFG樁對獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、筏基都適用，但受機具設(shè)備限制,加固深度不宜超過25 m。

(3)鉆孔樁：適用各種地層,具有施工方便,加固深度深等優(yōu)點,但造價高,對環(huán)境污染嚴(yán)重。

2 典型工點工程設(shè)計方案及處理效果

2.1 DK103.934～DK104+499.75軟土路基工點

(1)概況

DK103.934～DK104+499.75段路基位于江蘇省鎮(zhèn)江地區(qū)丹陽市境內(nèi),路堤填高3～3.5 m,路基面寬度13.4 m。路基左側(cè)并行既有的滬寧線,新建城際鐵路中心距離既有線砟腳18 m。

該段線路通過長江沖積平原,通過采用綜合勘探手段查明,地基土可分為：(1)-1、粉土,灰黃色,稍密,飽和,厚1～4 m；(1)-1-1、淤泥質(zhì)黏土夾粉土,軟—流塑,Ⅱ,厚約4 m；(4)粉土,灰黑色,稍密,飽和,薄層層理,厚3～4 m；(5)粉質(zhì)黏土,青灰色,軟塑—流塑,厚3～6 m；(6)黏土,黃褐色,軟塑—硬塑,局部含褐色鐵錳結(jié)核及灰白色條紋約10%。

(2)地基處理方案

地基加固方案：

①地基采用預(yù)應(yīng)力管樁加固,樁徑0.5 m,樁間距2.2～2.4 m。樁長28～34 m,樁端嵌入(6)層內(nèi)不小于2.0 m,單樁承載力設(shè)計值895～904kN,正方形布置。

②管樁頂筏板采用C30鋼筋混凝土澆筑,厚0.5 m；非筏板地段管樁樁帽采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)澆,帽頂上設(shè)置0.5 m碎石墊層。

③采用堆載預(yù)壓處理,預(yù)壓土柱高于路基面2.0～3.0 m,橋路過渡段高于路基面3.0 m,其余地段高于路基面2.0 m,預(yù)壓土下鋪設(shè)一層土工織物,預(yù)壓時間不少于4～5個月。

沉降估算：

對深厚層軟基,壓縮層計算厚度按附加應(yīng)力等于0.1倍自重應(yīng)力確定。加固區(qū)采用應(yīng)力擴散法,樁下采用分層總和法,對DK104+162和DK104+487斷面進(jìn)行沉降估算,DK104+162斷面有荷條件下施工期主固結(jié)沉降量為1.1.49 cm,無荷條件下主固結(jié)沉降量為0.34 cm,工后沉降量1.15 cm,滿足沉降要求；DK104+487斷面有荷條件下施工期主固結(jié)沉降量為2.88 cm,無荷條件下主固結(jié)沉降量為1.97 cm,工后沉降量0.97 cm,滿足沉降要求。

(3)沉降觀測及評估結(jié)果

本段路基本體在2009年6月16日填筑完成,預(yù)壓土在2009年6月28日堆載完成。沉降觀測時間從2009年7月15日開始觀測。預(yù)壓后觀測至2009年10月30日沉降已基本趨于穩(wěn)定,在同一斷面同等觀測時間下累計沉降差較??；相鄰斷面同等觀測時間下累計沉降差異總體較小,最大累積沉降量為7.78 mm,預(yù)測最大沉降量在8.85 mm,工后沉降滿足鋪設(shè)無砟軌道的要求。

2.2 DK121+641.345～DK122+960.17路基工點

(1)概況

DK121+641.345～DK122+960.17段路基位于江蘇省鎮(zhèn)江地區(qū)常州市境內(nèi),路堤填高3～3.5 m,路基面寬度13.4 m。路基左側(cè)并行既有的滬寧線,新建城際鐵路中心距離既有線砟腳20 m。

地基土為：(1)黏土,灰黃色,軟塑—硬塑,表層局部夾有淤泥質(zhì)土,厚5～7 m。(2)粉土,灰色,稍密,飽和,厚4～8 m。(3)粉砂,淺灰色—灰褐色,中密,飽和。

(2)地基處理方案

地基加固方案：

①DK121+641.345～DK122+960.17段地基采用水泥粉煤灰碎石(CFG)樁加固,樁徑0.5 m,樁長12.0～23.50 m,進(jìn)入粉砂層不少于2 m,樁間距1.6～1.8 m,CFG樁按正方形布置。其中DK121+641.345～+992.50樁頂設(shè)0.2厚碎石墊層,上鋪設(shè)C30鋼筋混凝土筏板。

②筏板采用C30鋼筋混凝土澆筑,厚0.5 m；樁體原材料采用碎石、石屑、粉煤灰、水泥配合而成,材料按C15混凝土進(jìn)行配比。采用長螺旋取土工法。

③采用堆載預(yù)壓處理,預(yù)壓土柱高于路基面2.0～3.0 m,橋路過渡段高于路基面3.0 m,其余地段高于路基面2.0 m,預(yù)壓土下鋪設(shè)一層土工織物,預(yù)壓時間不少于6個月。

沉降估算：

壓縮層計算厚度按附加應(yīng)力等于0.1倍自重應(yīng)力確定。加固區(qū)采用應(yīng)力擴散法,樁下采用分層總和法,對DK132+448.204、DK132+680、和DK133+035.95斷面進(jìn)行沉降估算,DK121+655斷面有荷條件下施工期主固結(jié)沉降量為3.79 cm,無荷條件下主固結(jié)沉降量為2.64 cm,工后沉降量1.15 cm,滿足沉降要求；DK121+855斷面有荷條件下施工期主固結(jié)沉降量為4.67 cm,無荷條件下主固結(jié)沉降量為3.7 cm,工后沉降量0.97 cm,滿足規(guī)范要求。DK122+155斷面有荷條件下施工期主固結(jié)沉降量為1.76 cm,,無荷條件下主固結(jié)沉降量為1.33 cm,工后沉降量0.43 cm,滿足橋頭沉降控制要求。

(3)沉降觀測及評估結(jié)果

本段路基本體在2009年6月28日填筑完成,預(yù)壓土在2009年7月10日堆載完成。沉降觀測時間從2009年6月28日開始觀測。預(yù)壓后觀測至2009年9月30日沉降已基本趨于穩(wěn)定,在同一斷面同等觀測時間下累計沉降差較??；相鄰斷面同等觀測時間下累計沉降差異總體較小,最大累積沉降量為18.8 mm,預(yù)測最大沉降量在21.4 mm,工后沉降滿足鋪設(shè)無砟軌道的要求。

2.3 DK132+448.204～DK133+035.950軟土路基工點

(1)概況

DK132+448.204～DK133+035.950路基位于江蘇省鎮(zhèn)江地區(qū)常州市境內(nèi),該段路基全長587.746 m,路堤填高2.5～3 m,路基面寬度13.4 m。路基左側(cè)并行既有的滬寧線,新建城際鐵路中心距離既有線砟腳13 m。

該段線路通過長江沖積平原,地層自上而下為：(1)黏土,褐灰色,軟塑,局部為人工填土及淤泥質(zhì)土,厚5～6 m。(2)粉土、粉砂夾軟塑狀粉質(zhì)黏土,褐灰色,粉土、粉砂稍密、飽和,厚約30 m。(3)黏土,褐黃色,硬塑。

(2)地基處理方案

地基加固方案：

①本段地基采用鉆孔樁+C30鋼筋混凝土板梁加固,鉆孔樁樁徑0.8 m,樁長41～43 m(進(jìn)入3層2 m),板梁厚0.8 m。板梁從兩側(cè)橋頭向中心布置,板梁縱向節(jié)長26.98 m(其中DK132+880.20～+900.93板梁縱向節(jié)長20.73 m),板梁與板梁間設(shè)0.02 m伸縮縫。

②基底設(shè)碎石墊層厚0.5 m,墊層中鋪設(shè)一層雙向土工格柵,抗拉強度不小于100 kN/m。

③采用堆載預(yù)壓處理,橋路過渡段高于路基面3.0 m,其余地段高于路基面2.0 m,預(yù)壓土下鋪設(shè)一層土工織物。

沉降估算：

壓縮層計算厚度按附加應(yīng)力等于0.1倍自重應(yīng)力確定。加固區(qū)采用應(yīng)力擴散法,樁下采用分層總和法,對DK132+448.204、DK132+680和DK133+035.95斷面進(jìn)行沉降估算,DK132+448.204斷面有荷條件下施工期主固結(jié)沉降量為3.5 cm,無荷條件下主固結(jié)沉降量為2.7 cm,工后沉降量0.8 cm,滿足橋頭沉降要求；DK132+680斷面有荷條件下施工期主固結(jié)沉降量為3.4 cm,無荷條件下主固結(jié)沉降量為2.6 cm,工后沉降量0.8 cm,滿足規(guī)范要求。DK133+035.95斷面有荷條件下施工期主固結(jié)沉降量為3.1 cm,,無荷條件下主固結(jié)沉降量為2.3 cm,工后沉降量0.8 cm,滿足橋頭沉降控制要求。

(3)沉降評估結(jié)果

本段沉降觀測時間從4月28日開始觀測,于5月24日完成路基填筑,5月28日完成堆載預(yù)壓。預(yù)壓后觀測至今沉降已基本趨于穩(wěn)定,在同一斷面同等觀測時間下累計沉降差較??；相鄰斷面同等觀測時間下累計沉降差異總體較小,最大累積沉降量僅為4.19 mm,預(yù)測最大沉降量僅為5.37 mm,工后沉降滿足鋪設(shè)無砟軌道的要求。

3 施工中遇到問題及處理

3.1 既有線并行地段管樁施工出現(xiàn)的問題及處理

本線在DK96+145～DK96+345,DK95+404.36～DK95+446、DK103+837.934～DK103+865三段管樁施工時,出現(xiàn)對既有線擠壓,而引起鋼軌曲線正矢嚴(yán)重不良,相鄰20 m最大最小正矢差達(dá)14 mm。通過分析研究，認(rèn)為是施工工藝、工序、速度等原因引起的,根據(jù)現(xiàn)場情況,對并行既有線管樁施工提出如下要求。

(1)應(yīng)力釋放孔布設(shè)

當(dāng)管樁離既有線左線(右線)間距小于15 m時,應(yīng)先設(shè)置應(yīng)力釋放孔后方可施工。應(yīng)力釋放孔采用CFG樁長螺旋機具取土或工程機動鉆機取土,平行既有線間距5 m一個,孔深為樁長的一半但不得小于10 m,鉆孔完畢后采用碎石或中粗砂及時回填。

(2)嚴(yán)格管樁施工工序

臨近既有線3排先施工,從靠近既有線由內(nèi)往外施工,平行既有鐵路方向逐排跳樁施打,如先施工1、3、7…….,后施工2、4、6……；施工時平行鐵路方向應(yīng)不小于200 m；當(dāng)路基工點長度小于200 m時整工點施工。施工完臨近既有線這3排樁后,需等待一段時間,觀測既有線無異常后方可施工其他排樁。

(3)加強既有線監(jiān)測

①觀測樁布設(shè)在既有路肩,同時在鋼軌上設(shè)置觀測點,既有路肩觀測樁采用1.5 m的鋼釬打入,測量其位移及高程。

②測量頻度一般情況下2 h一次,有異常時頻度提高到每1 h一次。

③根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整管樁施工工序,控制施工進(jìn)度。

在后期的管樁施工中,通過采取以上措施,很順利地完成了加固工程,控制了既有線偏移單天不超過2 mm,累計不超過10 mm的要求,保證了既有線行車安全。

3.2 CFG樁施工出現(xiàn)的質(zhì)量問題及處理

CFG樁施工中發(fā)生的問題主要有以下幾種：一是CFG樁施工過程中,發(fā)生樁間串孔現(xiàn)象；二是少數(shù)地段CFG樁施工完成后樁頭下沉。CFG樁施工中出現(xiàn)以上現(xiàn)象是正常的,粉土粉砂層及淤泥質(zhì)土一旦施工控制不好,就有可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。施工中只要調(diào)整好施工順序(如跳樁施打),同時控制好提拔鉆桿時間和速度,灌滿成樁,就不應(yīng)該有質(zhì)量問題。出現(xiàn)此類問題以后,需立刻補樁。

4 結(jié)束語

滬寧城際鐵路軟土地基處理實踐表明,對無砟軌道路基軟土地基采用預(yù)應(yīng)力管樁、CFG樁、鉆孔樁處理是可行的,可以將工后沉降控制在允許范圍內(nèi)。無砟軌道路基軟土地基加固設(shè)計與施工時應(yīng)注意以下問題：

(1)設(shè)計時對無砟軌道軟土路基地基加固措施的選擇,應(yīng)結(jié)合地層情況、加固深度、周邊環(huán)境因素、施工條件以及經(jīng)濟性綜合考慮。

(2)采用剛性樁時一定要選擇好持力層。

(3)設(shè)計采用預(yù)應(yīng)力管樁加固時,應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件考慮管樁施工時對既有建筑物的影響,保證最外側(cè)加固區(qū)與既有建筑物有一定距離；同時靠近既有建筑物側(cè)布設(shè)應(yīng)力釋放孔。

(4)管樁施工時應(yīng)靠近既有建筑物由內(nèi)往外施工,平行既有建筑物方向逐排跳樁施打,分段施工為宜(對并行既有建筑物分段長度以不小于200 m為宜)。

(5)對飽和粉土及粉砂采用CFG樁加固易引起竄漿,應(yīng)控制施工順序,如跳樁施打等,同時控制好提拔鉆桿時間和速度。

(6)深厚層軟土、軟土性質(zhì)差的地層不宜采用CFG樁加固。

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[7]中鐵第四勘察設(shè)計院.新建南京至上海城際鐵路初步設(shè)計(地質(zhì))[Z].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院,2007

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