劉學忠

(中鐵三局第六工程有限公司，山西晉中 030600)

1 概述

鐵路工程與其他工程相比，一個顯著特點是大型臨時工程規(guī)模比較大。高速鐵路建設中，制梁場因其臨時占地面積大、造價高，是工程建設中最重要的大型臨時工程。然而，目前開工在建高鐵在梁場制梁臺座設計上，各單位設計理念不一、差別較大。根據(jù)筆者的調(diào)查，有的制梁場臺座所需成本竟然高達30萬元以上，而有的卻只有10萬元～15萬元，所以臺座方案設計對造價有著很大的影響。筆者以大西高鐵洪洞制梁場為例，介紹在制梁臺座方案選擇上的一些方法和思維。

2 工程概況

大西客專洪洞制梁場設制梁臺座10座。預制梁的結構形式是單箱單室雙線整孔無砟軌道箱形簡支梁，梁型為高速鐵路廣泛采用的通橋(2008)2322A系列。設計共預制梁583孔，每孔跨徑31.5 m，梁自重835 t。場地位于汾河流域低階地，場地土層主要由第四紀全新世早期以及上更新世沖洪積成因的粉質粘土、卵石組成。地表粉質粘土層承載力特征值fak=120 kPa，承載力較低。

3 制梁臺座地基處理方案比選和設計

制梁臺座地基加固的目的在于提高地基剛度，減少總沉降量和不均勻沉降量。根據(jù)《客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件》有關規(guī)定，預制梁在存梁時，四支撐點不平衡量不大于2 mm。由于施工荷載重，地基承載力要求高，必須選擇合適的地基處理方案，以提高地基承載力、減少沉降和控制不均勻沉降。地基處理加固將直接關系到預制梁工程的造價、質量和進度。

3.1 地基應力計算

根據(jù)《鐵路大型臨時工程和過渡工程設計暫行規(guī)定》(鐵建設［2008］189號)有關規(guī)定，制梁臺座結構及基礎按照以下兩種最不利工況進行設計:1)澆筑梁體完畢尚未張拉時，設計荷載均布于制梁臺座上，如圖1所示;2)臺座上混凝土梁張拉完畢尚未提梁時，箱梁結構自重荷載集中作用于制梁臺座兩端，如圖2所示。

圖1 混凝土澆筑完畢至張拉前臺座受力示意圖

作用在混凝土臺座上的荷載主要有:模板1 800 kN、梁重8 350 kN、施工荷載300 kN、混凝土臺座總重1 920 kN(其中兩端重455 kN)。根據(jù)《鐵路大型臨時工程和過渡工程設計暫行規(guī)定》，超載系數(shù)取 1.1。

圖2 初張拉后至提梁前臺座受力示意圖

第一種工況下，作用于臺座均布荷載 q1=1.1×(1 800+8 350+300+1 920)/32.6=417 kN/m。作用于地基的平均應力為 p=417/6.0=70 kPa。

第二種工況下，作用于臺座均布荷載 q2=1.1×(1 800+8 350+300+455)/2/3=1 817 kN/m。作用于地基的平均應力為p=1 817/6.0=302 kPa。

3.2 地基處理方案選擇

根據(jù)規(guī)范要求，在選擇地基處理方案中，考慮因素如下:

1)考慮到本場地地下水位埋深較淺，采用強夯法壓密淺層土時，易出現(xiàn)橡皮土現(xiàn)象，強度提高幅度難以達到要求;采取降水加強夯方式對工期不利;本場區(qū)缺土，強夯施工要求補給土因而增加成本。2)本場區(qū)地質條件適合注漿，但注漿方式存在以下問題:無上覆壓力情況下注入量有限，且很難精確控制漿液注入量，加固后的地基存在局部范圍不均勻的問題，容易造成不均勻沉降，令注漿難以達到很高的加固要求。3)CFG樁作為取土樁，常用樁徑400 mm～600 mm。本場區(qū)的Q4地層土較為松散，成孔、保持孔徑較困難，孔壁穩(wěn)定性難以保證，施工質量難以控制。4)PHC管樁和預制方樁;場區(qū)附近經(jīng)初步調(diào)查無預制樁廠，現(xiàn)場預制受現(xiàn)場客觀條件限制對工期不利。從太原等外地運樁來現(xiàn)場成本較高。由于卵石層較厚，粒徑不均勻，以之為持力層時，為保證樁基承載力需貫入一定深度，對施工設備和施工控制要求較高，難以保證施工質量。5)灌注樁，包括鉆孔樁挖孔樁。灌注樁施工中，場地淺層松散的黃土層有塌孔和跑漿的可能，需有嚴格的護壁措施。卵石層為稍密～中密，易塌孔，施工難度較大;施工工藝有排漿的要求，場地整潔困難，成本較高。場地地下水位較高，無法采用挖孔樁施工。6)水泥土攪拌樁屬于成熟技術，加固材料單一，適宜本場地地基加固。相比于單軸、雙軸攪拌樁，三軸攪拌樁具有施工質量保證度高、樁體強度大、成樁質量好、場地適應性強、施工進度快的特點，適宜對本場地部分工程進行地基加固。

綜合研究后，確定采用三軸攪拌樁加固處理制梁臺座地基。對部分填方區(qū)域填土分層碾壓密實，填筑分層厚度30 cm～50 cm，壓實度不小于93%。

3.3 地基處理設計

根據(jù)在類似地基的京滬高鐵、石武客專等數(shù)個梁場的施工經(jīng)驗，采用三軸攪拌樁進行地基加固，加固效果好，施工進度快，成樁質量穩(wěn)定;單幅加固面積大，因此底板抗沖切要求低、底板厚度比樁基方案低;為保證臺座整體沉降變形均勻，除在臺座兩端進行加固外，臺座中部區(qū)域也進行了加固，基礎整體的不均勻沉降較小(據(jù)實測小于2 mm)。臺座范圍地基加固平面布置詳見圖3。

圖3 32m長制梁臺座地基加固平面布置圖

樁型采用φ850@600水泥土攪拌樁。采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，水灰比1.5，水泥摻入比22%。外加劑木質素用量為水泥用量的0.2%。為保證水泥土攪拌均勻，必須控制好鉆機下沉及提升速度，鉆機鉆進攪拌速度一般在1 m/min，提升攪拌速度一般在1.0 m/min～1.5 m/min，以保證水泥土能夠充分攪拌混合均勻。提升速度不宜過快，避免孔壁塌方等現(xiàn)象。樁施工時，相鄰兩樁施工間隔不得超過12 h。

1)工程量。加固范圍基礎寬度6.0 m，長33.4 m，樁長9.5 m(有效樁長9 m)。三軸攪拌樁單個臺座工程量為28根樁，加固樁的總面積為42 m2，總進尺約294 m，總方量為441 m3。按照180元/m3計算，單個臺座造價約7.9萬元。按照初步布置的10個臺座計算，總方量約4 410 m3，總造價約79萬元。

2)承載力驗算。根據(jù)國家標準JGJ 79-2002建筑地基處理技術規(guī)范第12.2.2條規(guī)定，用水泥土樁處理的地基，其承載力計算公式如式(1)所示。

其中，fspk為復合地基容許承載力特征值，kPa;m為面積置換率，臺座中部取0.17，兩端取 0.40;Ap為樁的截面積，m2，單樁為1.5 m2;fsk為樁間土容許承載力，實勘得120 kPa;β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0.9;Ra為單樁豎向承載力特征值，kN，通過式(2)，式(3)估算取小值。

其中，fcu為抗壓強度平均值，取1.6 MPa;η為樁身強度折減系數(shù)，取0.30;d為樁的平均直徑;D為樁周長，三軸攪拌樁為3.34 m;n為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);li為樁周第i層土的厚度，m;L為樁有效長度，m;qi為樁周第i層土的容許摩阻力，取15 kPa;αp為樁端土承載力折減系數(shù)，取0.6;qp為樁端土的容許承載力，取300 kPa。

按式(2)計算:Ra=ηfcu·Ap=0.30×2 000×1.5=900 kN。

按式(3)計算:Ra=D ×L×qi+αp×Ap×qp=5.33×9.5×15+0.6×300×1.5=1 030 kN，取 Ra=900 kN。

復合地基承載力:臺座中部:fspk=0.17 ×900/1.5+0.9 ×110 ×(1 －0.17)=184 kPa＞70 kPa，滿足要求。

臺座兩端:fspk=0.4×900/1.5+0.9×110×(1 －0.4)=305 kPa＞302 kPa，滿足要求。

4 制梁臺座設計

根據(jù)上述圖1，圖2臺座的受力模型，臺座兩端與中間部位通過沉降縫分隔開來，從而使預制梁從澆筑至提梁搬走，對臺座連續(xù)墻的作用只有豎向壓力，連續(xù)墻不承受彎矩作用，因此臺座連續(xù)墻的配筋只需考慮構造配筋即可。與采用彈性地基梁原理設計的臺座相比，減少了大量鋼筋用量。洪洞梁場的實踐證明，計算模型的選取較為符合實際受力情況。

制梁臺座結構通常采用3道連續(xù)墻的結構形式，如圖4所示。

圖4 臺座平面布置示意圖

5 結論和建議

通過洪洞制梁場臺座方案的設計表明:1)結合地形地質條件及當?shù)乜商峁┑纳鐣Y源，選擇合適的地基處理方案，在給施工帶來便利的同時，可大幅節(jié)約成本。2)在方案設計中，合理的受力分析模型非常重要。據(jù)對其他一些梁場的調(diào)查，部分制梁場臺座連續(xù)墻通長設置，未在兩端設沉降縫，將連續(xù)墻當作彈性地基梁進行分析計算，計算結果結構承受較大的彎矩，需配很多鋼筋，給項目增加了成本。本項目每個制梁臺座總成本約12萬元，較為經(jīng)濟。

通過洪洞梁場制梁臺座設計方案的比選，筆者認為當前在臺座設計上還存在以下一些問題:

1)根據(jù)《鐵路大型臨時工程和過渡工程設計暫行規(guī)定》有關規(guī)定，臺座上混凝土梁張拉完畢尚未提梁時，箱梁結構自重荷載集中作用于制梁臺座兩端。而根據(jù)筆者現(xiàn)場的觀察，梁體初張拉后，梁體中部與底模并未產(chǎn)生明顯的分離。據(jù)分析可能是在初張拉兩端預應力作用下所產(chǎn)生的外力矩較小，引起梁體跨中向上的撓度不足以克服梁體自重作用所產(chǎn)生的向下的撓度，導致實際上箱梁結構自重荷載并未全部集中作用于臺座兩端，而使兩端偏大，中部尚有部分豎向支撐力。所以全部支撐于臺座兩端的假設可能導致豎向荷載偏大。

2)現(xiàn)場箱梁設計橫截面尺寸分析，3個連續(xù)墻并非均勻受力。如何根據(jù)梁體截面尺寸及模板的支撐情況，準確分析荷載在3道連續(xù)墻的分配需要進一步研究。在未對此有準確的分析結果之前，臺座設計上應該考慮偏載安全系數(shù)。

有關對臺座的工作機理的研究分析，有必要進行進一步的探索，從而進一步提高梁場臺座設計水平。