软土地区钢套管钻孔灌注桩施工对临近高铁路基变形影响研究.pdf

第 20 卷 第 7 期2023 年 7 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 7July 2023软土地区钢套管钻孔灌注桩施工对临近高铁路基变形影响研究陕耀1,2，肖蔚雄1,2，马伟叁3，刘建东4，向科4(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，上海 201804；3.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071；4.中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司，上海 200070)摘要：新建连镇铁路采用桩板结构形式接轨沪宁城际，受运营高铁触网高度限制，工程研发了新型超低净空成桩设备及配套工法施作紧邻运营高铁钢套管钻孔灌注桩。为探明钢套管钻孔灌注桩施工对周围地层及既有高铁路基的变形影响，采用现场实测结合数值分析的方法开展研究。首先，通过在现场试验中布设地层水平位移监测点，获取成桩施工中桩周地层变形演变规律。其后，建立钢套管桩地层高铁路基有限元模型，计算获得群桩施工引起的既有高铁路基变形，并围绕群桩施工顺序、施工安全距离及辅助变形控制措施等展开讨论。研究结果表明：钢套管钻孔灌注桩施工对桩周地层的影响总体呈现为横向挤压变形，成桩施工各工序中钢套管旋进过程对桩周地层扰动最为显著，钢套筒深度范围内地层会出现明显的水平向位移变形。通过现场试验与有限元模拟相结合的方法可得到本接轨工程中钢套管钻孔灌注桩施工安全距离，当群桩施工区与既有路基间距不能满足施工安全距离要求时，可布设钢板桩辅助控制路基变形，钢板桩的变形控制效果与钢板桩长度正相关，与钢板桩距施工桩的距离呈负相关。本研究可为更好地满足高铁变形控制要求提供思路及建议。关键词：高速铁路；钢套管钻孔灌注桩；接轨工程；变形控制；安全距离中图分类号：U215.7 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）07-2372-13Influence of developed Benoto piling on deformation of adjacent high-speed railway subgrade in soft soil areaSHAN Yao1,2,XIAO Weixiong1,2,MA Weisan3,LIU Jiandong4,XIANG Ke4(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Shanghai Key Laboratory of Rail Infrastructure Durability and System Safety,Shanghai 201804,China;3.China Railway Shanghai Bureau Group Co.,Ltd.,Shanghai 200071,China;4.China Railway 24th Bureau Group Co.,Ltd.,Shanghai 200070,China)Abstract:A new constructed high-speed railway line between Lianyungang and Zhenjiang with pile-plank supported subgrade will be emerged into the existing high-speed railway line between Shanghai and Nanjing.To 收稿日期：2022-07-05基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51708424)通信作者：陕耀(1984)，男，山东济宁人，副教授，博士，从事轨道交通线路系统动力学和路基沉降控制理论研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221336第 7 期陕耀，等：软土地区钢套管钻孔灌注桩施工对临近高铁路基变形影响研究meet the requirements of height limitation of the high-speed railway catenary,a new type of height-limited piling equipment and corresponding piling technologies for developed Benoto piles adjacent to high-speed railways were proposed in this project.To reveal the influence of Benoto piling on the deformation of surrounding strata and adjacent high-speed railway subgrade,this paper adopted field tests combined with numerical analysis.In the field tests,displacement monitoring devices were used to monitor the horizontal deformation of strata during piling.Then,Benoto pile-strata-subgrade finite element model was established for calculating the deformation of high-speed railway subgrade during group piles construction.The construction sequence of group piles,construction safety distance and auxiliary deformation control measures were discussed based on this numerical model.The results indicated that the developed Benoto piling generally leads to transverse extrusion deformation of surrounding strata.In each process of piling,the steel casing construction induces the most significant disturbance to surrounding strata.The strata,especially those within the length of steel casing,show obvious horizontal displacement.The construction safety distance of Benoto piling adjacent to high-speed railway can be determined by field tests and numerical simulations.When the distance between the piling region and the existing subgrade cannot meet the critical construction safety distance,the steel sheet piles can assist to control subgrade deformation.The deformation control effect of steel sheet piles on subgrade is positively related to the pile length and negatively related to the distance from the piling region.The results can provide suggestions for the deformation control of existing high-speed railway to ensure its safe operation.Key words:high-speed railway;Benoto pile;track merging engineering;deformation control;safe distance 随着交通强国战略的持续推进，高速铁路线网加密及多网融合建设带来大量接轨工程需求。此类工程的核心目标是在不影响高铁正常运行的前提下，实现新建线的安全、平稳接入。东南沿海地区广泛分布着工程性质极差的深厚软土，此地区高铁路基以桩承式为主，在逐渐接入运营高铁的过程中不可避免存在新旧线路基础近距离并行和零距离近接，由于运营高铁对路基变形控制要求极为严苛12，紧邻运营高铁的桩承式路基安全施工是尚未解决的核心难题，需要对成桩过程引起运营高铁路基变形进行深入研究。目前，针对成桩施工对周围地层及构筑物变形影响的研究方法大致可归纳为3类：1)理论解析方法，主要采用以圆孔扩张理论为基础的球孔扩张、柱孔扩张理论模型对成桩挤入土层过程进行研究，得到土体半无限空间的应力场及位移场解答39；2)现场或模型试验方法，主要通过开展现场原位试验或室内模型试验对成桩施工过程中周围土层的变形进行监测，获取变形分布及发展规律1015；3)数值模拟方法，主要通过有限元或离散元数值计算软件对成桩施工过程进行模拟分析。随着工程建设的复杂化以及计算机技术的发展，数值模拟方法在施工模拟方面的优势逐渐体现，众多学者基于数值模拟方法围绕成桩施工对周围地层及结构的变形影响开展研究1620，主流的成桩模拟方法主要包括开关单元法11、柱孔扩张法21、位移贯入法18。其中，开关单元法通过网格单元的开关与替换来模拟成桩过程，计算效率最高，但由于过于简化而精确性较低；位移贯入法通过位移边界条件控制桩体沉入土中，能较为真实地模拟成桩过程，计算精度最高，但容易产生网格大变形或畸变等问题，影响计算效率；柱孔扩张法是通过若干段预置于土层中的圆柱体的依次扩张来模拟成桩过程，通过柱孔扩张理论简化成桩过程，可在保证计算精确性的同时，有效提高计算效率。面对实际工程问题涉及的复杂结构及地质条件，解析或模型试验方法通常需要进行较多简化及提出假设22，在实际应用方面存在一定局限性，在研究成桩施工对邻近高铁路基结构的变形影响时，现场试验与有限元模拟相结合是目前最为有效的方法。本文以新建连镇铁路接轨沪宁城际工程为背景，围绕紧邻既有高铁线路开展新建线路施工时，桩基施工对周边地层及既有线路变形的影响开展研究。本研究首先结合现场试验及监测手段，探2373铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月明新型成桩设备及配套工法下钢套管钻孔灌注桩成桩施工引发的周围地层变形情况，后通过ABAQUS有限元软件建立钢套管桩-地层-高铁路基三维数值模型，结合柱孔扩张理论模拟钢套管旋进过程，计算获取群桩施工引起的既有线路基变形情况，并由此针对群桩施工顺序、施工安全距离、辅助变形控制措施取用等问题展开深入讨论，进而为更好满足高铁结构变形控制需求，实现既有线路安全运营提供思路及建议。1 工程背景新建连镇铁路接轨沪宁城际工程位于我国东部沿海地区，施工区段总长548.44 m，待接入的既有高速铁路设计速度为350 km/h，左、右新建线路等级为客运专线，列车设计速度为250 km/h，新建线采用桩板结构，桩基础为群桩形式，共2排桩，沿线路分布，其纵向桩间距为5.0 m，横向桩间距为3.0 m。接轨设计如图1所示，新建线进站前逐渐接近既有线并最终与既有线的到发线联通，施工区可根据新旧线距离划分为近距离并行区和零距离近接区。该区段主要地层分布如图2所示，土体力学参数见表1。本接轨工程中主要存在3个工程难点：1)新建线路距既有高铁线路极近，考虑高铁线路变形限制需求，需严格控制新建线路“零距离”施工所引起的桩周地层及高铁线路变形；2)施工区域软弱地层广泛分布，土层承载力低且灵敏性高，会导致成桩施工存在较大塌孔风险；3)紧邻既有高铁线路开展新建线路成桩施工时需严格限制施工设备高度，施工装备不得高于高铁接触网，常规成桩设备因高度超限而不适用。图1高速铁路接轨工程示意图Fig.1Plan view of track emerging engineering of high-speed railways图2施工区段地层分布图Fig.2Soillayer distribution in construction section2374第 7 期陕耀，等：软土地区钢套管钻孔灌注桩施工对临近高铁路基变形影响研究针对上述难点，本工程选取钢套管钻孔灌注桩开展新建线路桩基础施工，此成桩工艺可利用钢套管的隔离作用有效降低钻孔引起的桩周土层变形，同时，可通过确保钢套管长度超过软弱地层避免塌孔风险。此外，本工程就施工净空限制要求，匹配研发了新型低净空成桩设备及配套施工方法，新型设备最低可在3.5 m高度下进行钢套管的旋进施工，充分满足了紧邻既有高铁施工的限高要求。该新型低净空成桩设备及配套工法为首次应用于接轨工程，为考察及探讨其实际效用，本研究将以此接轨工程为背景，结合现场监测试验及数值计算方法，探讨新型成桩设备及配套工法下钢套管钻孔灌注桩施工对周边地层及既有线路变形的影响，为保障后续施工安全及既有高铁运行安全提供参考及建议。2 成桩施工现场试验及监测分析本接轨工程中新建线路拟采用上述新型成桩设备及配套工法开展钢套管钻孔灌注桩施工，为了解该成桩过程引发的桩周地层变形规律，及为后续数值模拟研究提供实测数据检验，本部分研究主要围绕现场试验展开，通过在桩周地层布设监测元件，开展成桩施工对周边地层变形影响研究。2.1现场试验及监测方案为获取接轨工程中新建线路钢套管钻孔灌注桩施工全程引起的周围地层变形情况，现场试验选择于新建桩基与既有高铁路基间埋设位移传感器，以实现对地层水平位移的实时监测，监测断面及监测元件布设如图3所示。本试验选取光纤光栅测斜管开展地层水平位移监测，光纤光栅传感器具有灵敏度高、测量精确的优点，所有的光纤传感器件布设完毕后，利用多芯通信光缆与冗余光纤引线线路串联连接，通过保护沟槽引入到建立的监测站内，实现所有光路信号在监测站内采集数据，通过无线传输网络及客户端软件可以实时查询监测结果，最终实现自动化监测。现场试验所用测斜管长为20 m，以1 m间距沿线路纵向均匀布设。2.2监测结果分析本部分研究配合现场成桩试验展开，通过实时提取典型断面水平位移测点监测数据，分析钢套管钻孔灌注桩单桩成桩全程及群桩施工对桩周地层水平位移的影响。该测点与附近各钢套管钻孔灌注桩的相对位置如图4所示。2.2.1各成桩工序下桩周地层变形演变钢套管钻孔灌注桩单桩成桩过程主要包括施工开始、钢套筒旋进、旋挖钻孔及混凝土浇筑4个工序。图5展示了100号桩施工全程中监测点处地层水平位移变形分布及演变情况，其中位移正值表示指向既有高铁方向，负值表示指向新建铁路方向。由图5可知，钢套管钻孔灌注桩施工对桩周地层的影响总体呈现为横向挤压作用，成桩施工会挤压周围土体，使地层产生背离桩中心的水平位移变形；桩周地层水平位移最大值出现在地表处，并随着深度增加而减小，但在(3)1粉质黏土层处有略微增大，原因在于该层土的压缩模量及抗剪强度较低，在挤压作用下更易发生变形。在成桩施工各工序中，钢套管旋进过程对桩周地层扰动最为显著，该工序下地层水平变形快速发展，最大位移值可达到 1.26 mm；旋挖钻孔施工阶段中，由于孔内土体卸载，桩周地层会短暂回缩复位，随后的混凝土浇筑施工则会继续向外挤压桩周土体，地层水平位移变形继续向正向发展。总表1土体物理力学参数Table 1Soil physical and mechanical parameters土层名称人工填土(0)粉质黏土(2)淤泥质粉质黏土(2)1粉质黏土(3)粉质黏土(3)1粉土(4)层厚/m06.506.207.705.708.2质量密度/(gcm3)19.519.518.419.919.719.3孔隙比0.760.980.650.740.74天然含水率/%26.435.624.026.025.7压缩模量/MPa10.05.43.57.05.68.5黏聚力/kPa30.033.715.148.237.816.9内摩擦角/()15.011.610.213.712.025.12375铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月的来看，钢套管钻孔灌注桩成桩施工中钢套管旋进阶段是扰动周围土体，导致地层水平位移变形的最主要原因，钻孔及混凝土浇筑工序由于在钢套管保护下进行，对桩周土层的扰动较小。因此，在后续研究中应该着重关注钢套管旋进过程对桩周地层及既有线路变形的影响。2.2.2群桩施工中桩周地层变形演变为探明群桩施工对桩周地层变形演变的影响，选取监测断面处的4根桩依次进行成桩施工，并随之提取及记录位移测点数据。群桩施工顺序为：100 号、98 号、99 号、97 号。图 6 展示了 100 号-97号4根钢套管钻孔灌注桩施工完成后测点处地层水平位移变形分布。由图6可知，钢套管钻孔灌注桩群桩施工引起的地层位移深度曲线变化与单桩相似，成桩施工致使桩周地层水平位移变形逐渐发展，其中，由于100号及98号桩距离位移测点较近，其成桩施工引发地层水平位移变形更为明 显，位 移 最 大 增 量 分 别 达 到 1.26 mm 及1.39 mm，99号、97号桩施工带来的地层水平位移增量则相对较小，一方面是因为横向挤压作用随距离增加而衰减，另一方面是因为近排桩先行施工时挤密桩周土体并形成了“阻隔墙”，阻隔了远排桩施工对地层的进一步扰动。现场试验采用新型成桩设备及配套工法开展新建线路钢套管钻孔灌注桩施工，并结合现场监测数据，重点分析了钢套管钻孔灌注桩施工对桩周地层水平位移变形的影响。然而，因受限于现场条件，在成桩施工中，未能直接对既有高铁路基变形进行监测。为进一步分析新建线路成桩施工对既有高铁路基的影响，优化群桩施工顺序、探讨桩基施工安全距离及评选辅助变形控制措施，需结合有限元数值计算手段开展后续研究。图3现场试验监测断面及元件布设Fig.3Arrangement of monitoring sections and monitoring elements in field test图4监测断面测点与施工桩的相对位置示意图Fig.4Relative position of monitoring section and construction piles2376第 7 期陕耀，等：软土地区钢套管钻孔灌注桩施工对临近高铁路基变形影响研究3 钢套管桩地层高铁路基有限元模型建立与计算3.1有限元模型建立为进一步研究钢套管钻孔灌注桩成桩施工对邻近既有高铁路基的变形影响，本部分研究采用ABAQUS大型有限元软件建立钢套管桩地层高铁路基三维数值模型，模拟钢套管钻孔灌注桩成桩过程，并结合现场试验结果，分析群桩施工引起的周边地层及既有高铁路基变形，优化群桩施工顺序、探讨施工安全距离及评选钢板桩辅助变形控制效果。3.1.1模型建立及参数设置1)计算域及模型边界条件以现场试验监测断面为参考建立桩基地层高铁路基三维有限元模型，模型总长40 m，宽21 m，高30 m。模型设置地表为自由面，并约束土体空间侧面的水平方向位移及底面的竖直方向位移。考虑模型计算效率，各地层均简化为均质土体且忽略地层起伏，各部件及模型整体网格划分如图7所示。图5100号桩施工引起的桩周地层水平位移Fig.5Horizontal displacement of soillayer around pile caused by No.100 pile construction图6100号-97号桩施工引起的桩周地层水平位移Fig.6Horizontal displacement of soillayer around piles caused by construction of No.100-No.97 piles单位：m图7有限元模型示意图Fig.7Finite element model2377铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月2)结构单元及材料设置地层及路基填土采用实体单元模拟，并选用满足Mohr-Coulomb屈服条件的理想弹塑性模型描述其应力应变关系，考虑成桩施工为短期过程，该过程可近似为不排水，该条件下弹性模量可根据经验取为压缩模量的3.5倍23；既有高铁线路桩板结构则采用理想线弹性模型描述混凝土结构的应力应变关系，即不考虑其塑性变形破坏，各土层及结构单元材料参数详情如表2所示。钢套管钻孔灌注桩采用实体单元模拟，钢套管总长 8.8 m，内径D1=1.0 m，外径D2=1.032 m，其材料参数设置见表3。3)接触设置及荷载条件既有线路在自重荷载及移动列车荷载长时间作用下，结构变形已趋于稳定，由此假设CFG桩基础与周围土体间不再发生相对位移，并采用绑定条件模拟CFG桩与桩侧土体间接触关系；钢套管钻孔灌注桩与桩周土间则设置为通用接触，即在接触面法向方向设置为硬接触，在切向方向采用罚函数接触算法，其中，摩擦因数设为0.2。考虑重力作用，为模型全体施加重力场，并在路基表面施加大小为48 kN/m的均布面荷载，以模拟路基上部结构自重。3.1.2成桩施工模拟方法已有研究表明，高速铁路路基及轨道横向变形超限容易引发脱轨、侧翻等事故，横向水平位移是高速铁路工后变形控制的重点。根据钢套管灌注桩施工现场试验结果可知，成桩施工中钢套管旋进过程对桩周地层横向挤压作用最为显著，该扰动是引发桩周地层及临近既有构筑物变形的主要原因。本模型仅对钢套管钻孔灌注桩的钢套管旋进过程进行模拟，重点研究该过程对周边地层及既有高铁结构的变形影响。根据柱孔扩张理论，压桩过程可近似为与桩等长圆柱体从初始孔径D0扩张至最终孔径Du的过程。为简化数值模型、提高计算效率，将钢套管旋进过程简化为数段预置于地层中的圆柱体自上而下依次扩张过程。其中，圆柱体初始及最终半径根据排开土体积相等原则确定22：在钢套管压入地层过程中，一定体积的土会被挤向管外，假定此过程中土未被压缩，则排开土的体积应等同于压入部分钢套管的体积。因此，为贴近钢套管旋进施工实际过程，应参考压入部分的钢套管体积设置圆柱体的扩张体积。根据圆柱体体积计算公式，当令圆柱体初始直径D0等于施工钢套管内径D1、最终直径Du等于施工钢套管外径D2时，可使圆柱体的扩张体积等于压入部分钢套管体积。本工程中所用钢套管长8.8 m，内径D1=1.0 m，外径D2=1.032 m，由此设置等效圆柱体初始直径为D0=D1=1.0 m，最终直径设置为 Du=D2=1.032 m。对于每段柱体长度，学术界尚无一致认识，例如，卢表2有限元模型中结构单元及材料参数Table 2Structural elements and material parameters in finite element model土层既有高铁结构单元名称人工填土(0)粉质黏土(3)粉质黏土(3)1粉质黏土(3)路基填土CFG桩承载板土层厚度/m5.04.05.015单元类型实体单元实体单元实体单元材料模型Mohr-Coulomb理想弹塑性模型Mohr-Coulomb理想弹塑性模型线弹性模型重度/(kNm3)19.519.919.719.919.525.025.0弹性模量/MPa3524.519.624.53530 00030 000泊松比0.490.490.490.490.490.20.2表3新建线路钢套筒钻孔灌注桩模型参数Table 3Parameters of benoto pile of new lines桩长/m8.8内径 D1/m1.0外径 D2/m1.032单元类型实体单元材料模型线弹性模型重度/(kNm3)25.0弹性模量/MPa30 000泊松比0.22378第 7 期陕耀，等：软土地区钢套管钻孔灌注桩施工对临近高铁路基变形影响研究文晓等24将6 m长的柱体均分为42段进行扩张，易琼等25则将7 m长的柱体整体进行扩张。理论上分段数越多、单段圆柱体越短，模拟结果将越接近真实情况，但同时也将降低计算效率。在本文中将8.8 m长的柱体均分为8段进行扩张，其模拟结果能够与现场实测值较好吻合。本模型中等效圆柱孔扩张采用位移控制法实现，通过均匀幅值方法使圆柱体在加载步内以均匀速率由初始直径D0扩张至最终直径Du，各段圆柱体可在位移边界条件及时间步设置下由下至上依次进行扩张，即首先令第 1 段圆柱体从 D0匀速扩张至 Du以模拟 01.1 m部分钢套管的压入施工过程，然后令第2段圆柱体从D0匀速扩张至Du以模拟1.12.2 m部分钢套管的压入施工过程，后续各段同理。3.1.3模型可靠性验证按照现场试验中监测断面光纤光栅测斜管位置提取模型中对应节点处的水平位移计算结果，并与现场试验得到的群桩第 1 排(100 号和 98 号)、第2排桩(99号和97号)施工完成后的地层水平位移实测数据进行对比。由图8可知，模型计算结果与现场实测结果较为吻合，钢套管钻孔灌注桩群桩施工对桩周地层的水平位移影响均主要体现在钢套管长度(8.8 m)范围内，且位移数值大小及曲线变化规律较为一致，以上现象可表明采用柱孔扩张模型模拟钢套管旋进施工具有可靠性，该模型可用于开展群桩施工对高铁路基变形影响的后续研究。3.2群桩施工顺序对既有线路基变形的影响本接轨工程中新建线路采用群桩基础，双排钢套管钻孔灌注桩沿线路纵向分布，为探讨群桩施工顺序对既有线路基变形的影响，本部分研究分别对顺序施工(先施工近路基侧排桩)及逆序施工(后施工近路基侧排桩)2种群桩施工顺序建立有限元模型并开展数值计算，如图9所示，拟定1-2-3-4为顺序施工，3-4-1-2为逆序施工。考虑距离群桩施工越近时路基变形会更加显著，选取群桩施工区域侧路基边线为路基横向变形分析断面，并建立坐标系，其中，X轴位于桩(2，4)及桩(1，3)中线位置并指向既有线横向方向，Y轴与路基边线重合且指向线路纵向方向。群桩施工计算完毕后，沿线路纵向提取既有线路基顶面边线处横向位移。由图10可知，群桩施工会引发邻近既有高铁路基横向变形，顺序及逆序施工下路基横向位移沿线路纵向分布规律相似，均呈现“凸”字型分布，位移最大值位于X轴并向两侧逐渐衰减。总体来看，顺序施工所引起的路基横向位移显著小于逆序施工，顺序施工时路基最大横向位移相较于逆序施工时可降低1.3 mm，降幅达27.3%，其原因在于采用顺序成桩施工时，先行压入的一排桩及其桩周被挤密的土体可作为“阻隔墙”，阻隔后排桩施工进一步挤压地层，进而整体限制群桩施工对邻近高铁路基横向变形的影响。因此，本接轨工程钢套管钻孔灌注桩群桩施工中可优先采取顺序施工，以更好地控制既有结构变形。图8模型计算结果与现场实测结果对比Fig.8Comparison between model calculation results and field measurement results图9群桩施工顺序模拟计算中桩位布设示意图Fig.9Piles arrangement in simulation calculation of pile group construction sequence2379铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月3.3成桩施工安全距离分析考虑既有高铁结构变形2 mm控制需求，本节将围绕成桩施工安全距离开展数值计算研究。通过改变模型中群桩与既有高铁路基之间的距离(见图9，群桩采用顺序施工，施工距离被控制在35 m范围内)，计算得到不同群桩施工距离下的路基位移。由3.2节可知，群桩施工后路基横向位移最大值位于纵向邻桩的中线位置(X轴)，因此，本部分研究将结合该路基横断面处顶面及底面位移最大值探讨成桩施工安全距离问题。图11展示了路基竖向及水平位移最大值随群桩施工距离变化情况，其中，水平位移正值表示路基向远离施工区方向移动，竖向位移正值表示路基隆起。可以看到，随着群桩施工距离增加，邻近既有高铁路基最大位移迅速减小，且路基水平位移总体明显大于竖向位移，这表明在距既有高铁极近的情况下进行钢套管钻孔灌注桩施工时，施工距离对高铁路基变形具有决定性影响。同时，由于成桩施工过程对桩周地层存在横向挤压作用，导致路基水平位移变形发展更为迅速，施工安全距离则主要由路基最大水平位移决定。由图11可知，在不采取辅助变形控制措施的条件下，当群桩施工距离小于4.5 m时，路基水平及竖向位移均可满足规范要求的2 mm控制标准，当钢套管钻孔灌注桩与邻近既有高铁路基之间的距离小于4.5 m时，则需要根据实际需求采取适宜的辅助变形控制措施以确保既有线运营安全。3.4钢板桩辅助变形控制效果分析当新建线路桩基与既有路基间距缺乏调整空间，而不能满足成桩施工安全距离要求时，需要配合辅助变形控制措施来限制既有线变形。隔离桩作为常用的变形控制措施，一般可被施作于新建及既有构筑物之间以减免其相互影响，但在本接轨工程中，新建线路桩基与既有高铁路基间缺乏隔离桩施作空间，同时，考虑在距离极近的情况下隔离桩施工本身也不可避免对邻近路基造成不良影响，由此认为隔离桩在此接轨工程中并不适用。钢板桩是一种边缘带有联锁设计的型钢结构，其常见截面型式有U型、Z型和L型等，常见单板幅宽400600 mm，厚度814 mm，其自身强度较大，可通过压桩机直接压入地层，且钢板桩之间能够通过联锁设计自由组合形成连续的墙式钢结构体。结合钢板桩厚度小、埋设方便、对施工空间要求低、埋设过程对周围地层及结构影响小等优势，本接轨工程可尝试选用钢板桩作为辅助变形控制措施，即在新建线路与既有线路之间打入成排钢板桩，形成一道地层隔离屏障，来减免成桩施工挤压地层而造成既有结构变形。为深入了解钢板桩对既有路基结构变形的辅助控制效果，本部分研究在上述有限元模型基础图11路基最大位移随群桩施工距离的变化规律Fig.11Variation of maximum displacement of subgrade with construction distance of group piles图10不同成桩施工顺序下的路基横向位移分布Fig.10Distribution of transverse displacement of subgrade in different pile construction sequences2380第 7 期陕耀，等：软土地区钢套管钻孔灌注桩施工对临近高铁路基变形影响研究上于群桩及既有高铁路基之间设置一排钢板桩(如图12所示)，重点分析群桩施工时不同钢板桩长度和布设位置下邻近既有路基的变形情况。3.4.1钢板桩长度对路基变形控制效果的影响结合新建线路钢套管长度L=8.8 m，在已有有限元模型中(群桩施工距离路基3 m，采用顺序施工)分别设置长度为L/3，2L/3，L和4L/3的钢板桩并开展数值计算，不同钢板桩长度设置下路基最大水平位移沿线路纵向分布如图13所示。可以看到，钢板桩能够有效降低钢套管钻孔灌注桩施工引起的既有高铁路基横向水平位移，其中坐标原点处(纵向邻桩的中线位置)路基位移衰减最为显著。同时，随着钢板桩长度的增加，路基水平位移会逐渐减小，尤其在钢板桩长度由L/3增长到L过程中，其对路基变形的控制效果增强明显。钢板桩长度为L时，路基最大水平位移相对于无钢板桩降低了0.89 mm，降幅达25.3%。当钢板桩长度超出施工桩长时，变形控制效果提升则不再显著，其原因在于钢板桩作为地层隔离屏障，可隔离成桩施工对地层的挤压作用以减小既有路基变形，板长越长则阻隔范围越大。由上文可知，成桩对地层变形影响主要集中在钢套筒长度范围内并沿深度方向减弱，对深部地层扰动已可忽略。因此，当钢板桩板长超出钢套管长度后，其对邻近既有路基的变形控制效果也会提升到上限。总的来看，本接轨工程可考虑将钢板桩作为辅助措施，控制邻近既有路基横向水平位移，钢板桩长度设计建议结合钢套管钻孔灌注桩长度及其对桩周土层影响深度范围进行，考虑经济成本控制需求，钢板桩长度限制在钢套管施工桩1倍桩长内即可。3.4.2钢板桩位置对路基变形控制效果的影响为研究钢板桩布设位置对路基变形控制效果的影响，基于上述有限元模型(群桩施工距离路基3 m，采用顺序施工，钢板桩长度为L)调整钢板桩与第1排钢套管钻孔灌注桩距离并开展数值计算，图14不同钢板桩位置下的路基水平位移分布Fig.14Distribution of horizontal displacement of subgrade under different steel sheet pile positions图12钢板桩布设示意图Fig.12Setting of steel sheet piles表4钢板桩单元参数设置Table 4Parameters of steel sheet piles厚度/mm14单元类型实体单元材料模型线弹性模型重度/(kNm3)78.5弹性模量/MPa200 000泊松比0.2图13不同钢板桩长度下的路基水平位移分布Fig.13Distribution of horizontal displacement of subgrade under different steel sheet pile lengths2381铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月该间距设置为 1.0，1.5和 2.0 m 3种情况。不同钢板桩布设位置下路基最大横向水平位移沿线路纵向分布如图14所示。可以看到，随着钢板桩布设位置靠近施工桩区域，路基水平位移逐渐减小且原点处路基位移衰减最为显著，位移沿纵向分布曲线也随之变得平缓，当钢板桩与施工桩距离为1 m时，路基最大水平位移相较于无钢板桩情况降低了1.09 mm，降幅达31%。总的来看，钢板桩距施工桩距离与对路基变形的辅助控制效果呈负相关，当实际工程中需采用钢板桩辅助控制路基变形时，可在施工条件允许的情况下尽量拉近钢板桩与施工桩距离。4 结论1)钢套管钻孔灌注桩施工对桩周地层的影响总体呈现横向挤压作用，使地层出现明显的水平向变形，地层水平位移最大值出现在地表处，并随着深度增加而减小；成桩施工各工序中钢套管旋进过程对桩周地层挤压作用最为显著，钻孔及混凝土浇筑工序由于在钢套管保护下进行，对桩周土层的扰动较小。因此，在钢套管钻孔灌注桩施工过程中应该着重关注钢套管旋进过程。2)群桩顺序施工所引起的路基横向位移显著小于逆序施工，其原因在于采用顺序施工时，先行压入的一排桩及其桩周被挤密的土体可作为“阻隔墙”，阻隔后排桩施工进一步挤压地层，进而整体限制群桩施工对邻近高铁路基横向变形的影响。因此，本接轨工程新建线路群桩施工可优先采取顺序施工，以更好地控制既有结构变形。3)在距既有高铁线路极近的情况下进行新建线路钢套管钻孔灌注桩群桩施工时，施工距离对高铁路基变形具有决定性影响；由于成桩施工过程对桩周地层存在横向挤压作用，路基水平位移整体明显大于竖向位移，这也要求施工安全距离应主要由路基水平位移决定，本工程可通过现场试验及有限元模拟相结合的方法探讨新建线路施工安全距离问题，以保障既有线运营安全。4)当钢套管钻孔灌注桩与既有高铁路基之间的距离难以满足施工安全距离要求时，可选择在其间设置钢板桩辅助控制路基变形，钢板桩的变形控制效果与钢板桩长度正相关，与钢板桩距施工桩的距离呈负相关，实际施工时，应在场地条件允许的情况下尽量拉近钢板桩与施工桩距离，此外，考虑经济成本控制需求，钢板桩长度限制在钢套管施工桩1倍桩长内即可。本文关注的