CN111395082A - 运营隧道上方的轻质路基结构、设计及施工方法 - Google Patents

运营隧道上方的轻质路基结构、设计及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了运营隧道上方的轻质路基结构、设计及施工方法，包括复合轻质桩、轻质本体、U型轻质槽和排水沟，复合轻质桩沿线路纵向间隔成排设置在运营状态隧道上方的岩土地基中，复合轻质桩包括成桩轻质体，轻质本体设置在复合轻质桩顶部，U型轻质槽设置在轻质本体顶部，U型轻质槽顶部填筑有土质填料，排水沟位于轻质本体两端。结合轻质土材料的低密度、高抗压及直立美观等特征，基于复合加筋笼的环箍效应及竖向土工格栅和环形土工格栅的加筋作用，提出一种等载置换的轻型化路基结构。能实现运营隧道上方路基修建目的，路基附加荷载小，可保证隧道结构的正常使用功能和隧道内交通工具的安全运营。该结构节省建设用地，减少生态环境破坏，社会、经济、环境效益显著。

Description

运营隧道上方的轻质路基结构、设计及施工方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及运营隧道上方的轻质路基结构、设计及施工方法。
背景技术
近年来，随着轨道交通迅速发展，新建(构)筑物与既有建(构)筑物难免交叉影响，二者相互关系包括紧邻、上跨、下穿等。在新建(构)筑物附加荷载作用下，既有建(构)筑物可能产生不均匀沉降、倾斜失稳、压溃压裂等病害，甚至引发重大安全事故。
目前，国内多个城市已开通运营地铁，特别是在发达城市地铁与其他轨道交通形成复杂的关系网。新建工程将对运营轨道交通产生工程扰动影响，比如运营隧道上方修建路基结构就是一种典型的工况之一。若新建路基结构荷载过大，轻则引发下伏运营隧道结构变形开裂，影响隧道正常使用功能；重则可能导致运营隧道压溃破坏，威胁各类交通运营安全。另一方面，为了达到承载与变形控制要求，路基基底常采用大量的桩基予以加固，此类桩基置换了原状岩土，且大部分桩基重度高于原状岩土重度，即设置桩基在一定程度上也增加了下伏运营隧道的附加荷载。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的上述问题，提供运营隧道上方的轻质路基结构、设计及施工方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
运营隧道上方的轻质路基结构，包括复合轻质桩、轻质本体、U型轻质槽和排水沟；
复合轻质桩沿线路纵向间隔成排设置在运营状态隧道上方的岩土地基中，复合轻质桩包括成桩轻质体；
轻质本体设置在复合轻质桩的顶部；
U型轻质槽设置在轻质本体的顶部，U型轻质槽的顶部填筑有土质填料；
排水沟位于轻质本体的两侧。
通过上述结构，结合轻质土材料的低密度、高抗压及直立美观等特征，基于复合加筋笼的环箍效应及竖向土工格栅和环形土工格栅的加筋作用，提出一种等载置换的轻型化路基结构。该结构能够实现运营隧道上方路基修建目的，运营状态隧道承载的路基附加荷载小，可保证隧道结构的正常使用功能，还能确保隧道内各种交通工具的安全运营。从用地角度而言，该结构大幅节省了建设用地，不仅可为地方经济建设节约用地，还能减少生态环境破坏，满足了节能低碳的设计理念，社会、经济、环境效益显著。
作为本发明的优选方案，复合轻质桩还包括埋设在成桩轻质体中的复合加筋笼，复合加筋笼由周向间隔设置的竖向土工格栅和竖向间隔设置的环形土工格栅构成，相邻两条竖向土工格栅与相邻两条环形土工格栅之间形成四边形网孔，在复合加筋笼外壁与地基钻孔孔壁之间设有保护层。通过上述结构，复合轻质桩充分利用了竖向土工格栅和环形土工格栅的抗拉能力，在桩顶荷载作用下环形土工格栅起到箍筋作用，保证桩体能够提供足够的抗压能力，避免溃桩或断桩发生。另一方面，复合轻质桩还起到等载置换作用，降低桩基下方的附加应力，以最大限度降低运营状态隧道结构的变形。
作为本发明的优选方案,复合轻质桩上部锚设有连接钢筋，复合轻质桩的桩顶设有一层钢筋网，钢筋网与连接钢筋的顶部固定连接。通过上述结构，连接钢筋的作用在于提高结构的整体性，让上部结构荷载顺利传递至下部的复合轻质桩，避免上部结构产生偏心力。
作为本发明的优选方案，轻质本体采用普通轻质土浇筑，U型轻质槽采用高强轻质土浇筑，轻质本体和U型轻质槽两侧的边坡坡率一致，且边坡率不小于0.2，轻质本体上沿路基高度方向间隔拉通设有一道土工格栅。通过上述结构，直接削减了传统路基结构的边坡用地。
作为本发明的优选方案,土质填料的厚度不小于路基基床表层厚度。通过上述结构，U型轻质槽内填筑土质填料的作用在于消散列车动应力，防止频繁列车荷载作用导致U型轻质槽出现裂化。
作为本发明的优选方案,排水沟的数量为两个。
运营隧道上方的轻质路基结构的设计方法，包括以下步骤：
S1：确定运营状态隧道上地基岩土重度、轻质土重度和土质填料的重度；
S2：设定复合轻质桩的桩径和桩长、复合轻质桩的桩间距以及轻质本体置入地基的深度；
S3：确定轻质本体、U型轻质槽、土质填料以及上部轨道结构的重量；
S4：确定路基横向复合轻质桩的数量；
S5：确定承载安全系数；
S6：判断步骤S5得到的承载安全系数是否满足要求，若不满足，则调整步骤S2中的参数，再重复步骤S3至步骤S5工作，直到承载安全系数满足要求。
上述设计方法具有结构新颖、安全可靠、节约投资、施工简单等特点，设计流程与施工方法明确，而且该结构还能大幅节省建设用地，减少生态环境破坏，满足高速铁路节能低碳的设计理念。
作为本发明的优选方案,轻质本体、U型轻质槽、土质填料以及上部轨道结构的重量确定公式为：
Wz＝(B+mh)shγn1+(B-2b)(γn2-γn1)hn2s+
(B+2mh)(γn1-γ)Δhs+2sb1q1+(s1-b1)sq0
式中Wz为轻质本体、U型轻质槽、土质填料及上部轨道结构的重量；s为复合轻质桩的桩间距；γn1为轻质土重度；γn2为土质填料重度；Δh为轻质本体置入地基的深度；γ为岩土重度；B为轻质路基顶面宽度；m为轻质路基边坡坡率；h为轻质路基高度；b为U型轻质槽的悬臂厚度；hn2为土质填料填筑厚度；b1为轨道分布宽度；q1为轨道自重；s1为线间距；q0为线间荷载；
路基横向复合轻质桩的数量确定公式为：
Figure BDA0002426928100000041
式中n为路基横向复合轻质桩的数量；
承载安全系数确定公式为：
Figure BDA0002426928100000042
式中K为承载安全系数，d为复合轻质桩的桩径；l为复合轻质桩的桩长，若1.05≤K≤1.15,则满足要求。
作为本发明的优选方案,在S3步骤中，设计采用的普通轻质土和高强轻质土重度值相同。
运营隧道上方的轻质路基结构的施工方法，包括以下步骤：
A1：将复合加筋笼运送至运营隧道上方的施工现场，挖除轻质本体基底地基土，施工地基钻孔，并清除孔底残渣；
A2：将复合加筋笼放置在钻孔内；
A3：通将轻质土注入钻孔中直到轻质土灌满钻孔内部，将连接钢筋预埋在桩顶；
A4：在复合轻质桩桩顶铺设钢筋网，再将连接钢筋与钢筋网固定；
A5：分层浇筑普通轻质土和高强轻质土，同时分层铺设土工格栅直至土质填料底面；
A7：浇筑U型轻质槽两端悬臂，待悬臂凝固后分层填筑土质填料至路基顶面。
上述施工方法具有结构新颖、安全可靠、节约投资、施工简单等特点，设计流程与施工方法明确，而且该结构还能大幅节省建设用地，减少生态环境破坏，满足高速铁路节能低碳的设计理念。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
结合轻质土材料的低密度、高抗压及直立美观等特征，基于复合加筋笼的环箍效应及竖向土工格栅和环形土工格栅的加筋作用，提出一种等载置换的轻型化路基结构。该结构能够实现运营隧道上方路基修建目的，运营状态隧道承载的路基附加荷载小，可保证隧道结构的正常使用功能，还能确保隧道内各种交通工具的安全运营。从用地角度而言，该结构大幅节省了建设用地，特别是直接削减了传统路基结构的边坡用地，不仅可为地方经济建设节约用地，还能减少生态环境破坏，满足了节能低碳的设计理念，社会、经济、环境效益显著。
附图说明
图1是本发明所述运营隧道上方的轻质路基结构的横断面示意图。
图2是本发明所述复合轻质桩构造的立体图。
图3是本发明所述复合轻质桩构造中复合加筋笼与泵送管出口连接方式示意图。
图4是所述轻质本体土工格栅设置示意图。
图5是所述U型轻质槽土工格栅设置示意图。
图6是所述轻质路基结构尺寸标记示意图。
图标：1-复合轻质桩；2-轻质本体；21-连接钢筋；22-钢筋网；23-土工格栅；3-U型轻质槽；4-土质填料；5-排水沟；10-隧道；D-地基；7-复合加筋笼；71-竖向土工格栅；72-环形土工格栅；6-成桩轻质体；61-保护层；8-泵送管；9-环形锁扣。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参考图1，本发明运营隧道上方的轻质路基结构，复合轻质桩1，沿线路纵向间隔成排设置在运营状态隧道10上方岩土地基D中；轻质本体2，设置在复合轻质桩1桩顶上；U型轻质槽3，设置在轻质本体2顶部；土质填料4，填筑在U型轻质槽3内；排水沟5，设置在轻质本体2两侧。
在上述方案中：
参考图2、3，复合轻质桩1包括成桩轻质体6和埋设于其内的复合加筋笼7，复合加筋笼7由周向间隔设置的竖向土工格栅71和竖向间隔设置的环形土工格栅72构成，竖向土工格栅71与环形土工格栅72交汇连接为一体，相邻两条竖向土工格栅71与相邻两条环形土工格栅72之间形成四边形网孔。成桩轻质体6由从复合加筋笼7中向地基D钻孔内灌注轻质土形成，在复合加筋笼7外壁与地基D钻孔孔壁之间形成保护层61。复合轻质桩1按正方形布置。复合轻质桩1充分利用了土工格栅的抗拉能力，在桩顶荷载作用下环形土工格栅72起到箍筋作用，保证桩体能够提供足够的抗压能力，避免溃桩或断桩发生。另一方面，复合轻质桩1还起到等载置换作用，降低桩基下方的附加应力，以最大限度降低运营状态隧道10结构的变形。
参照图1，复合轻质桩1上部锚入连接钢筋21，桩顶设置一层钢筋网22，并与连接钢筋21固接。连接钢筋21的作用在于提高结构的整体性，让上部结构荷载顺利传递至下部的复合轻质桩1，避免上部结构产生偏心力用。
参照图1、4、5，轻质本体2采用普通轻质土浇筑，轻质本体2底部置入地基D深度不小于0.5m；U型轻质槽3采用高强轻质土浇筑，U型轻质槽3底板厚度不小于1.5m；沿路基高度方向，每隔不少于0.6m拉通设置1道土工格栅23。土工格栅23的作用在于确保路基结构的整体性，提高轻质本体2和U型轻质槽3的抗剪能力。
参照图1、6，轻质本体2和U型轻质槽3两侧边坡坡率m一致，且m不小于0.2。
U型轻质槽3内土质填料4厚度不小于路基基床表层厚度。U型轻质槽3内填筑土质填料4的作用在于消散列车动应力，防止频繁列车荷载作用导致U型轻质槽3出现裂化。
本发明所要解决的另一技术问题是提供上述运营状态隧道10上的轻质路基结构的设计方法，该方法包括如下步骤：
S1：通过室内土工试验确定运营状态隧道10上地基D岩土重度γ，单位kN/m3；轻质土重度γn1，单位kN/m3；土质填料4重度γn2，单位kN/m3；
S2：初步确设定复合轻质桩1桩径d，单位m；复合轻质桩1桩长l，单位m；复合轻质桩1桩间距s，单位m；轻质本体2置入地基D深度Δh，单位m；
S3：通过以下公式确定轻质本体2和U型轻质槽3、土质填料4及上部轨道结构的重量Wz：
Wz＝(B+mh)shγn1+(B-2b)(γn2-γn1)hn2s+
(B+2mh)(γn1-γ)Δhs+2sb1q1+(s1-b1)sq0
式中Wz为轻质本体2和U型轻质槽3、土质填料4及上部轨道结构的重量，单位kN；B为轻质路基顶面宽度，单位m；m为轻质路基边坡坡率；h为轻质路基高度，单位m；b为U型轻质槽3的悬臂厚度，单位m；hn2为土质填料4填筑厚度，单位m；b1为轨道分布宽度，单位m；q1为轨道自重，单位kN/m2；s1为线间距，单位m；q0为线间荷载，单位kN/m2；
S4：通过以下公式确定路基横向复合轻质桩1数量n：
Figure BDA0002426928100000081
S5：通过以下公式确定承载安全系数K：
Figure BDA0002426928100000082
S6：判断步骤S5得到的承载安全系数K是否满足1.05≤K≤1.15的要求，若K<1.05或K>1.15，则调整步骤S2参数d、l、s、Δh，再重复步骤S3至S5工作，直至K满足要求。
步骤S3中，设计采用的普通轻质土和高强轻质土重度值相同。
本发明所要解决的又一技术问题是提供上述运营状态隧道10上的轻质路基结构的施工方法，该方法包括如下步骤：
A1：将土工格栅加工成复合加筋笼7并运送至施工现场；
A2：挖除轻质本体2基底地基土，施工地基D钻孔，并清除孔底残渣；
A3：将复合加筋笼7上端套入泵送管8出口端外壁，并用环形锁扣9加以锁定，将复合加筋笼7送入钻孔中；
A4：通过泵送管8将轻质土缓慢注入钻孔中直至轻质土灌满钻孔，然后松解环形锁扣9，抽出泵送管8，在桩顶预埋入连接钢筋21；
A5：在复合轻质桩1桩顶铺设钢筋网22，再将连接钢筋21与钢筋网22固定；
A6：分层浇筑普通轻质土和高强轻质土，同时分层铺设土工格栅23直至土质填料4底面；
A7：浇筑U型轻质槽3两端悬臂，待悬臂凝固后分层填筑土质填料4至路基顶面。
实施例2
如图1-6所示，本实施例具体展示了施工中用于路基结构的设计方法，具体设计过程：
某新建高速铁路设计时速300km/h(无砟轨道)，线间距4.8m，为满足引入大型枢纽的设计要求，需在运营地铁隧道10上方(隧道顶面距地表约20m)修建路基工程(高度h＝3.5m、宽度B＝14.6m)，隧道10上覆地层为粉质黏土。设计拟采用本发明的运营隧道10上方轻质路基结构，在设计过程中，轻质路基边坡坡率m取0.2，土质填料4厚度hn2取0.5m，U型轻质槽3(底板厚度取1.5m)两端悬臂厚b取1.0m，路基顶面铺设6RTSⅠ型板式无砟轨道。按本发明设计方法开展设计，具体如下：
S1：通过室内土工试验确定运营隧道10上方覆粉质黏土重度γ＝19kN/m3，轻质土重度γn1＝5kN/m3，土质填料4重度γn2＝21kN/m3；
S2：初步确定复合轻质桩1桩径d＝0.5m，复合轻质桩1桩长l＝8.0m，复合轻质桩1桩间距s＝1.2m，轻质本体2置入地基D深度Δh＝1.0m；
S3：通过公式：
Wz＝(B+mh)shγn1+(B-2b)(γn2-γn1)hn2s+
(B+2mh)(γn1-γ)Δhs+2sb1q1+(s1-b1)sq0
确定轻质本体2、U型轻质槽3、土质填料4及上部轨道结构的重量Wz＝292.7kN；
S4：通过公式：
Figure BDA0002426928100000101
确定路基横向复合轻质桩数量n＝14；
S5：通过公式：
Figure BDA0002426928100000102
确定承载安全系数K＝1.0519；
S6：经判断1.05≤K＝1.0519≤1.15，则K满足要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.运营隧道上方的轻质路基结构，其特征在于，包括复合轻质桩(1)、轻质本体(2)、U型轻质槽(3)和排水沟(5)；
所述复合轻质桩(1)沿线路纵向间隔成排设置在运营状态隧道(10)上方的岩土地基(D)中，所述复合轻质桩(1)包括成桩轻质体(6)；
所述轻质本体(2)设置在所述复合轻质桩(1)的顶部；
所述U型轻质槽(3)设置在所述轻质本体(2)的顶部，所述U型轻质槽(3)的顶部填筑有土质填料(4)；
所述排水沟(5)位于所述轻质本体(2)的两侧。
2.根据权利要求1所述的运营隧道上方的轻质路基结构，其特征在于，所述复合轻质桩(1)还包括埋设在所述成桩轻质体(6)中的复合加筋笼(7)，所述复合加筋笼(7)由周向间隔设置的竖向土工格栅(71)和竖向间隔设置的环形土工格栅(72)构成，相邻两条所述竖向土工格栅(71)与相邻两条所述环形土工格栅(72)之间形成四边形网孔，在所述复合加筋笼(7)外壁与所述地基(D)钻孔孔壁之间设有保护层(61)。
3.根据权利要求1所述的运营隧道上方的轻质路基结构，其特征在于，所述复合轻质桩(1)上部锚设有连接钢筋(21)，所述复合轻质桩(1)的桩顶设有一层钢筋网(22)，所述钢筋网(22)与所述连接钢筋(21)的顶部固定连接。
4.根据权利要求1所述的运营隧道上方的轻质路基结构，其特征在于，所述轻质本体(2)采用普通轻质土浇筑，所述U型轻质槽(3)采用高强轻质土浇筑，所述轻质本体(2)和所述U型轻质槽(3)两侧的边坡坡率一致，且所述边坡率不小于0.2，所述轻质本体(2)上沿路基高度方向间隔拉通设有一道土工格栅(23)。
5.根据权利要求1所述的运营隧道上方的轻质路基结构，其特征在于，所述土质填料(4)的厚度不小于路基基床表层厚度。
6.根据权利要求1所述的运营隧道上方的轻质路基结构，其特征在于，所述排水沟(5)的数量为两个。
7.运营隧道上方的轻质路基结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定运营状态隧道(10)上地基(D)岩土重度、轻质土重度和土质填料(4)的重度；
S2：设定复合轻质桩(1)的桩径和桩长、复合轻质桩(1)的桩间距以及轻质本体(2)置入地基(D)的深度；
S3：确定轻质本体(2)、U型轻质槽(3)、土质填料(4)以及上部轨道结构的重量；
S4：确定路基横向复合轻质桩(1)的数量；
S5：确定承载安全系数；
S6：判断步骤S5得到的承载安全系数是否满足要求，若不满足，则调整步骤S2中的参数，再重复步骤S3至步骤S5工作，直到承载安全系数满足要求。
8.根据权利要求7所述的运营隧道上方的轻质路基结构的设计方法，其特征在于，
所述轻质本体(2)、所述U型轻质槽(3)、所述土质填料(4)以及所述上部轨道结构的重量确定公式为：
Wz＝(B+mh)shγn1+(B-2b)(γn2-γn1)hn2s+(B+2mh)(γn1-γ)Δhs+2sb1q1+(s1-b1)sq0
式中Wz为所述轻质本体(2)、所述U型轻质槽(3)、所述土质填料(4)及所述上部轨道结构的重量；s为所述复合轻质桩(1)的桩间距；γn1为所述轻质土重度；γn2为所述土质填料(4)重度；Δh为所述轻质本体(2)置入所述地基的深度；γ为所述岩土重度；B为轻质路基顶面宽度；m为轻质路基边坡坡率；h为轻质路基高度；b为所述U型轻质槽(3)的悬臂厚度；hn2为土质填料(4)填筑厚度；b1为轨道分布宽度；q1为轨道自重；s1为线间距；q0为线间荷载；
所述路基横向复合轻质桩(1)的数量确定公式为：
Figure FDA0002426928090000032
式中n为所述路基横向复合轻质桩(1)的数量；
所述承载安全系数确定公式为：
Figure FDA0002426928090000031
式中K为承载安全系数，d为所述复合轻质桩(1)的桩径；l为所述复合轻质桩(1)的桩长，若1.05≤K≤1.15,则满足要求。
9.根据权利要求7所述的运营隧道上方的轻质路基结构的设计方法，其特征在于，所述S3步骤中，设计采用的普通轻质土和高强轻质土重度值相同。
10.运营隧道上方的轻质路基结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1：将复合加筋笼(7)运送至运营隧道上方的施工现场，挖除轻质本体(2)基底地基土，施工地基(D)钻孔，并清除孔底残渣；
A2：将复合加筋笼(7)放置在钻孔内；
A3：将轻质土注入钻孔中直到轻质土灌满钻孔内部，将连接钢筋(21)预埋在桩顶；
A4：在复合轻质桩(1)桩顶铺设钢筋网(22)，再将连接钢筋(21)与钢筋网(22)固定；
A5：分层浇筑普通轻质土和高强轻质土，同时分层铺设土工格栅(23)直至土质填料(4)底面；
A7：浇筑U型轻质槽(3)两端悬臂，待悬臂凝固后分层填筑土质填料(4)至路基顶面。
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