黃土地區(qū)高速鐵路路基幫填施工關鍵技術

張亮

（中國鐵路蘭州局集團有限公司 蘭州工程建設指揮部，甘肅 蘭州 730031）

0 引言

隨著我國交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，鐵路網(wǎng)密度不斷增加，亟需對部分既有路基進行幫寬，以滿足鐵路運量、便捷要求［1］。在高速鐵路路基幫寬施工中，既有線處于營運狀態(tài)，需對既有線進行開挖、幫填，施工要求高、控制難度大［2-3］。在高速鐵路路基幫填施工相關研究中，劉源浩等［4］通過數(shù)值模擬方法，構建既有線在動靜載荷作用下的路基幫寬施工模型，對多工況下的路基幫填施工進行對比，分析了幫寬施工時新舊路基變形規(guī)律；楊學林［5］以高邊坡幫寬工程為依托，通過自動化靜力水準儀器，對并行段落既有高速鐵路路基進行長達2年的監(jiān)測，反映了高邊坡幫填施工時既有線的變形程度；廖進星［6］依托張吉懷鐵路引入滬昆場實際工程，對幫寬工程中存在的風險進行分析，并結合現(xiàn)場建立了風險評估指標體系；楊瑩［7］以肥東站鐵路路基幫寬工程為依托，結合數(shù)值分析和現(xiàn)場試驗，對比了泡沫輕質(zhì)土和常規(guī)填料在路基幫寬時既有線和新建線的應力及變形情況；李斯等［8］通過分析鐵路幫寬工程中差異沉降，提出從泡沫輕質(zhì)土路基結構設計、濕密度設計2個方面控制沉降變形，并提出泡沫混凝土澆筑的具體辦法；傅珍等［9］使用有限元建立了拓寬路基差異沉降模型，對拓寬路基差異沉降特性進行了分析，并研究了土基壓縮模量、路基高度、拓寬方式等對路基差異沉降產(chǎn)生的影響；周川濱等［10］結合具體鐵路幫寬工程，進行數(shù)值計算并結合幫填時既有路基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出幫填作用下既有路基沉降發(fā)展規(guī)律；李竹慶［11］研發(fā)了大溫差、自適應高精度變形監(jiān)測系統(tǒng)，在既有高速鐵路路基變形監(jiān)測中進行運用，取得了良好效果。在既有文獻中，針對黃土地區(qū)幫寬工程，尤其幫填施工技術研究較少。因此，依托黃土地區(qū)高速鐵路路基幫寬工程，針對路基幫填過程中面臨的問題與技術難點，研究提出相應施工工藝，并對工藝的合理性進行驗證。

1 工程概況

黃土地區(qū)某新建鐵路設計速度250 km/h，鐵路等級為客運專線，正線數(shù)目為雙線。該新建鐵路在既有城際鐵路K47+986—K49+181 以路基幫寬方式引入。工點范圍內(nèi)主要地質(zhì)特征如下：

（1）砂質(zhì)黃土（Q4al+pl3）。淺黃色、稍濕稍密、土質(zhì)均勻，可見針孔狀大孔隙和蟲孔，層厚2.5～4.5 m。

（2）砂質(zhì)黃土（Q4al+pl3）。淺黃色、潮濕稍密，層厚7.3～12.4 m。

（3）礫砂（Q4al+pl5）。淺黃色、稍密飽和，以石英和長石為主，層厚0～7.2 m。

（4）泥巖夾砂巖（N1Ms+Ss）。棕紅色、弱風化、泥質(zhì)結構，為黏土礦物，成巖作用較差、巖質(zhì)較軟，為Ⅳ級軟石。

既有路基地基部分：采用雙向水泥土攪拌樁加固處理，樁徑50 cm、樁長13 m、樁間距1.3 m，樁頂設置厚0.5 m、中間位置夾鋪1層80 kN/m雙向土工格柵的碎石墊層，處理后復合地基承載力特征值fsk=152 kPa。路基部分基床以下路提、基床底層、基床表層，分別采用滲水土、水泥改良土（1.9 m）、級配碎石（0.6 m）進行分層填筑。

新建路基地基部分：采用高壓旋噴加固處理，樁徑50 cm，樁長11～16 m、樁間距1.4 m，正方形布置，樁頂設置厚0.6 m、中間位置夾鋪1 層100 kN/m 雙向土工格柵的碎石墊層，處理后復合地基承載力特征值fsk=155 kPa。路基部分基床以下路提、基床底層、基床表層，分別采用B 組滲水土、B 組滲水土（0.8 m）、0.6 m級配碎石+0.1 m 中粗砂+復合土工膜+0.1 m 中粗砂（0.8 m）進行分層填筑。

2 路基幫填施工問題與難點分析

2.1 存在問題

（1）路基變形影響既有線安全運營。在路基幫填過程中，幫寬路基填料和機械施工均在既有路基處產(chǎn)生附加應力；壓路機壓實填料需振動壓實，產(chǎn)生動載荷。既有路基在附加應力作用下產(chǎn)生一定變形，造成軌道幾何形位變化。

（2）臨時防護結構易侵入既有線造成安全隱患。既有鐵路防護柵欄一般由水泥柱和鐵絲網(wǎng)共同構成，結構相對穩(wěn)定。施工前，應先在既有路基路肩設置硬隔離設施進行防護，硬隔離設施為臨時性結構，防護性相對較差，施工過程中易損壞并侵入既有線，形成一定安全隱患。

2.2 技術難點

（1）臺階開挖處尺寸控制差，易形成較大臨空面。既有路基開挖臺階時，一般先采用破碎機拆除既有路基的邊坡防護骨架，再用平地機配合挖掘機一起開挖臺階，機械體積大、施工精準度控制差，易產(chǎn)生高度超過設計要求的大面積條形臨空面，既有路基邊坡部分高度成直立狀態(tài)，有部分及整體結構失穩(wěn)風險。

（2）新舊路基臺階搭接處位于既有路基應力松弛區(qū)域，銜接性差。在運營過程中，既有路基中下部受力區(qū)在列車載荷作用下呈較密實狀態(tài)，而兩側區(qū)域受自然應力、防護層綠化植物根系等影響，其密實狀態(tài)逐漸松弛。新舊路基銜接處恰好處于應力松弛區(qū)域，銜接部位施工完成后，新路基強度高、既有路基強度低，造成整體性、銜接性較差。應力松弛區(qū)及臺階開挖示意見圖1。

圖1 應力松弛區(qū)及臺階開挖示意圖

（3）受新路基工后沉降影響，新舊路基產(chǎn)生差異沉降［12-14］。既有路基一般已營運較長時間，工后沉降趨于穩(wěn)定，新建路基在施工完成及開始運營后，相較于既有路基沉降變形大，形成新舊路基之間差異沉降，新舊路基變形不協(xié)調(diào)，影響軌道幾何行為，尤其在新建鐵路軌道接入既有鐵路軌道部位，不利影響更顯著。

3 現(xiàn)場施工控制技術

3.1 組織準備

在幫寬施工前，首先考慮營業(yè)線施工主要危險源，如挖斷電纜、施工機械侵入限界、大型機械設備傾覆、起重設備事故、墜落物、風、機械碰撞既有線墩臺、接觸網(wǎng)支柱倒桿、接觸網(wǎng)斷線等。針對危險源分項建立應對措施及應急預案。施工過程中，設立專人、專班與既有線運營單位保持聯(lián)系，保持通信不間斷，理清既有線列車到達幫寬工點時間，在列車到達前停止大型機械施工?，F(xiàn)場施工中，防護員必須配備鐵路交通火炬信號設備，在緊急情況下進行發(fā)射，保證既有線運營安全。

3.2 路基幫填工藝

3.2.1 高壓旋噴樁施工

高壓旋噴樁施工時，不可避免地產(chǎn)生擠土效應，對既有路基復合地基產(chǎn)生影響，造成既有路基軌道結構幾何行位變化［15-16］。項目實施前，在現(xiàn)場開展單樁、多樁擠土試驗，分析高壓旋噴樁施工擠土效應影響；然后，在既有路基坡腳設置應力釋放孔，降低對既有路基影響。

3.2.2 褥墊層施工

高壓旋噴樁施工完成后形成復合地基，可有效提高地基承載力。在樁頂鋪設厚0.6 m碎石墊層作為褥墊層，進行載荷分配傳遞、協(xié)調(diào)樁頂及樁間土的受力和變形、提高復合地基整體承載能力。現(xiàn)場施工時，褥墊層分2 次攤鋪：第1 次攤鋪后，采用機械碾壓，控制褥墊層厚度為0.3 m，再在其表面鋪設土工格柵；第2 次攤鋪后，再次采用機械碾壓，最終控制褥墊層厚度為0.6 m。

3.2.3 基床以下路提及基床底層施工

現(xiàn)場基床以下路提和基床底層均采用B組滲水土填料，由下而上分層填筑。正式填筑前，用破碎機拆除既有路基骨架護坡，拆除前應測量放線，嚴禁超線拆除，拆除高度控制在約0.8 m。拆除完成后，將碎料運至棄土場，通過小型挖掘機沿線路方向開挖臺階，臺階開挖尺寸控制為高0.6 m、寬0.9 m。開挖完成后，采用平地機精平臺階，并人工配合清除臺階處植被根系。最后，用壓路機靜壓臺階部位2次，在緊貼臺階內(nèi)壁處大型壓路機未壓處，用小型手扶式壓路機進行補壓。

一級臺階開挖及碾壓完成后，沿臺階方向（線路方向）鋪設寬3 m的土工格柵，土工格柵搭接位置用自制U 形鋼筋固定。固定后，進行攤鋪填料，填料含水率控制在約4.5%為宜，每級臺階攤鋪2 層填料，每層碾壓完厚度控制在約0.3 m，2層填料控制厚度為0.6 m。

二級臺階開挖工序及控制參數(shù)同上，即拆除骨架→運轉碎料→臺階開挖→臺階精平及碾壓→鋪設土工格柵→分層填筑并碾壓，再進行三、四級等臺階依次開挖及相應工序施工，直至填筑至基床底層表面高度位置處。施工后現(xiàn)場臺階位置見圖2。

圖2 施工后現(xiàn)場臺階位置

3.2.4 基床表層施工

在基床表層施工時，機械離既有軌道位置更近，更應注意防護。臺階開挖前，拆除既有路肩處干砌片石護肩，在既有線道砟坡腳位置沿線路方向擺放1排防砟袋，以防止施工擾動導致溜砟，臺階開挖及基本處理方式同基床底層和基床以下路提。

基床表層先填筑1 層中粗砂，碾壓厚度控制在0.1 m；鋪設1 層復合土工膜，土工膜接頭處注意上下順序應符合路基橫向排水要求；搭接處用黏結防水膠處理，搭接寬度大于0.1 m；在復合土工膜上鋪設碾壓控制厚度為0.1 m 的中粗砂；最后，在中粗砂上鋪設厚0.6 m的3%水泥穩(wěn)定級配碎石，分2層攤鋪碾壓，每層碾壓控制厚度為0.3 m。

在填筑過程中，應嚴格控制填筑質(zhì)量，并按規(guī)范要求對各層填料開展現(xiàn)場試驗檢測。檢測項目主要包括壓實度、含水率、動態(tài)變形模量Evd、地基系數(shù)K30平板載荷試驗檢測。

3.3 路基變形監(jiān)測及結果分析

路基幫填時，褥墊層、基床以下路提、基床底層和基床表層的施工均對營業(yè)線位移產(chǎn)生影響。營運線位移變化監(jiān)測是保證幫寬工程順利安全施工的有效措施。正式施工前，沿K47+986—K49+181 在既有線基道砟坡腳布設全自動位移監(jiān)測系統(tǒng)——物位計（見圖3），布設間距50 m。將物位計固定于沉降板，挖深0.3 m槽，安裝并連接信號傳輸線路，現(xiàn)場設定的物位計主要控制參數(shù)為相鄰監(jiān)測點的位移變化累計差值，通報值3 mm、預警值5 mm、報警值8 mm。

圖3 物位計布設

現(xiàn)場既有路基上下行側均需幫填施工，上下行側均按50 m 間隔布設物位計監(jiān)測點，選取上行側斷面1和其相鄰斷面2 的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。2 個斷面路基高度為5.20 m，路基幫填歷時120 d?，F(xiàn)場路基填筑高度及物位計監(jiān)測累計沉降值見圖4。

圖4 現(xiàn)場路基填筑高度及物位計監(jiān)測累計沉降值

由圖4 可知，在路基幫填過程中，斷面1、2 處物位計測點累計沉降值呈不斷增大趨勢；由于現(xiàn)場各種原因，當路基幫填中途停止施工時，沉降值基本不變，呈蠕變狀態(tài)緩慢增加；斷面1、2 處幫填施工完成后，斷面1 最大累計沉降值為16.23 mm，斷面2 最大累計沉降值為17.35 mm；斷面1、2 最大累計沉降差值為1.13 mm，未達到設定通報值3.00 mm。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在工點內(nèi)運用該施工工藝并嚴格控制工藝流程，確保了施工中既有路基穩(wěn)定，保證了既有線安全運營。

4 結論

通過對高速鐵路幫寬工程中面臨的主要問題及難點進行梳理分析，結合具體實際工程，研究總結施工工藝，并對營業(yè)線進行監(jiān)測分析，主要得出以下結論：

（1）主要問題：一是幫填施工過程中既有路基會產(chǎn)生附加應力，從而產(chǎn)生相應變形，影響既有軌道結構平順性；二是幫寬施工過程中營業(yè)線防護性差，易侵入營業(yè)線。

（2）技術難點：一是臺階開挖尺寸難控制，易形成臨空面；二是新舊路基銜接處為應力松弛區(qū)域，銜接性差；三是新舊路基產(chǎn)生差異沉降。

（3）提出工點內(nèi)鐵路幫寬施工工藝，建立鐵路幫寬工程防護機制、優(yōu)化臺階開挖及處理方式、靠近既有線施工舉措等，并在現(xiàn)場施工中成功運用。

（4）通過在既有線布設的物位計監(jiān)測系統(tǒng)，量化路基幫填時對既有線的影響程度，保證了既有線安全運營。路基填筑時，既有路基會產(chǎn)生沉降變形，所選取研究斷面當幫填完成后累計最大變形值為17.35 mm；當幫填停止施工時，變形為蠕變增加形式。