曾憲明

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京　100055)

1　概述

在高速鐵路網(wǎng)絡(luò)逐漸完善的今天，新建高速鐵路不可避免地接入既有高速鐵路，甚至?xí)c既有高速鐵路部分并行。高速鐵路尤其是無砟軌道對路基工后沉降要求十分嚴(yán)格，鄰近既有高速鐵路進(jìn)行的工程建設(shè)活動(如開挖、填筑及地基處理)會對既有高鐵產(chǎn)生附加沉降，造成無砟軌道不均勻變形，威脅到既有高速鐵路運(yùn)營安全。

由于已運(yùn)營無砟軌道高速鐵路對線路的平順性要求更高，其平順性是保證列車高速、平穩(wěn)、舒適運(yùn)營的關(guān)鍵，要求十分嚴(yán)格[1]。常用的軌道扣件在垂向和水平方向的可調(diào)量分別為15 mm和6 mm[2]。高鐵路基一旦變形超限將嚴(yán)重影響線路的安全運(yùn)營，造成巨大的負(fù)面社會影響和經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何控制既有高鐵的變形，成為路基設(shè)計的關(guān)鍵。

目前，并行既有高鐵新建設(shè)線路基一般采用填筑輕質(zhì)土+樁(筏)板復(fù)合地基處理等措施，以降低新建工程荷載對既有鐵路附加沉降變形的影響。如石濟(jì)客專引入京滬高鐵德州東站，兩相鄰線的最小線間距6.9 m，在兩線間搭接地段寬約20 m范圍路基填筑泡沫輕質(zhì)土，地基采用預(yù)應(yīng)力管樁加固[3]。正在設(shè)計的魯南高鐵，在曲阜市與京滬高鐵曲阜東站接軌，其接軌段及并場段路基工程采用的也是填輕質(zhì)土+管樁樁筏結(jié)構(gòu)方案[4-5]。

但由于新建線特別是并站段工程一般臨近既有線較近，大面積路基填土附加應(yīng)力影響范圍廣、深度大，對既有線附加沉降變形不可避免；同時臨近既有線地基加固施工擾動的影響也不可小視。泡沫輕質(zhì)土材料長期強(qiáng)度穩(wěn)定性也存在不確定性[6]。從經(jīng)濟(jì)性角度，輕質(zhì)土、樁板(筏)復(fù)合地基的投資也較高，有必要進(jìn)一步研究路基設(shè)計新措施。

2　工程概況

新建鄭濟(jì)客專正線速度目標(biāo)值350 km/h，采用CRTSIII型板式無砟軌道。在河南新鄉(xiāng)引入京廣客專，并行京廣客專東側(cè)南北向引入，并于新鄉(xiāng)東站(京廣場)設(shè)鄭濟(jì)場[7](圖1)。

圖1　鄭濟(jì)場引入新鄉(xiāng)東站平面布置示意

新鄉(xiāng)東站地處黃河沖積平原，地勢平坦、開闊。地表覆蓋第四系Q4粉砂、粉質(zhì)黏土，為厚8～12 m的松軟土(a0.1～0.2=0.35～0.4)，其下是第四系Q3中密至密實(shí)的細(xì)砂層。區(qū)內(nèi)沉積了巨厚的松散堆積物，構(gòu)造多呈隱伏狀態(tài)。沿線地震動峰值加速度為0.20g，地震烈度為Ⅷ度。地下水主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于透水性好的粉砂、細(xì)砂、中砂等砂層中，水位埋深4.8～8.7 m。

鄭濟(jì)客專與京廣客專相鄰到發(fā)線最小線間距10.5 m(京廣場7(5)股道與鄭濟(jì)場渡線股道)，車站新增3座站臺，5條到發(fā)線，2條正線，于京廣客專左側(cè)幫寬路基83 m，車站平均填高約7.5 m。鄭濟(jì)場按三臺八線，預(yù)留城際場按兩臺六線規(guī)模設(shè)計(圖1)。鄭濟(jì)場正線為無砟軌道，其余到發(fā)線均為有砟軌道。既有京廣場正線及與正線相鄰的到發(fā)線均采用無砟軌道，其余到發(fā)線、站線采用有砟軌道。正線基底采用CFG樁處理，樁間距1.5 m，正方形布置；站線及站臺基底采用水泥砂漿樁處理，樁間距1.5 m，正方形布置；CFG樁及砂漿樁樁長約17 m，樁頂設(shè)置碎石墊層及格柵。

3　設(shè)計方案

結(jié)合鄭濟(jì)高鐵與京廣客專并行，引入新鄉(xiāng)東站并站的線路方案，從減載、減沉、控制荷載的側(cè)向傳遞及減少施工擾動等角度出發(fā)，重點(diǎn)研究了路基方案及架空結(jié)構(gòu)兩大方案。其中路基方案提出了填筑輕質(zhì)高強(qiáng)的輕質(zhì)土+CFG樁或管樁方案(圖2)；同時研究了對地基擾動小、結(jié)構(gòu)剛度與整體剛度大的填筑輕質(zhì)土+樁板(筏)結(jié)構(gòu)方案(圖3)。架空結(jié)構(gòu)方案主要有框架結(jié)構(gòu)及剛架結(jié)構(gòu)兩個方案(圖4、圖5)。

圖2　輕質(zhì)土+CFG樁或管樁方案示意

圖3　輕質(zhì)土+樁板(筏)方案示意

圖4　框架結(jié)構(gòu)方案示意

圖5　剛架結(jié)構(gòu)方案示意

泡沫輕質(zhì)土為新材料，20世紀(jì)七八十年代日本開始將泡沫輕質(zhì)土大規(guī)模應(yīng)用于替代填土的工程領(lǐng)域。國內(nèi)公路系統(tǒng)引進(jìn)后經(jīng)多年實(shí)際運(yùn)用，2015年已正式納入泡沫輕質(zhì)土技術(shù)[8]。但由于泡沫輕質(zhì)土費(fèi)用較高，為降低投資，補(bǔ)充研究了減少泡沫輕質(zhì)土填筑范圍的加筋陡坡方案(圖6、圖7)。

圖6　加筋陡坡+CFG樁或管樁方案示意

圖7　加筋陡坡+樁板(筏)結(jié)構(gòu)方案示意

4　有限元數(shù)值分析

為分析新建路基對既有高鐵沉降變形的影響，分別考慮不同性質(zhì)的填料及填筑范圍、不同的路基設(shè)計方案，采用Plaxis有限元程序進(jìn)行數(shù)值分析[9]。選擇內(nèi)置摩爾-庫倫彈塑模型，邊界取足夠大范圍，兩側(cè)邊界限定其水平位移，底部限定其水平與豎向位移。采用二維簡化，平面應(yīng)變的方式進(jìn)行模擬計算[10]。

4.1　不同路基填料對既有高鐵路基附加沉降變形的影響

調(diào)整路基填料重度，r取6、8、12、16、20 kN/m3，從輕質(zhì)土至普通填料，計算不同重度填料附加荷載下的應(yīng)力影響范圍、沉降變形影響區(qū)域及沉降大小，分析不同填料對既有高鐵沉降變形的影響規(guī)律。有限元沉降云圖見圖8(為節(jié)省篇幅，僅列輕質(zhì)土r=6 kN/m3及普通填料，其余略)，有限元計算結(jié)果見圖9。

圖8　有限元沉降云圖

圖9　不同路基填料荷載下既有高鐵路基附加沉降

根據(jù)上述計算結(jié)果分析，路堤填料為輕質(zhì)土?xí)r，路基面產(chǎn)生的附加沉降明顯小于普通填料，沉降減小比例在30%～50%；且普通填料填筑時需分層壓實(shí)，對既有線擾動較大，而填輕質(zhì)土不存在碾壓過程。因此，采用輕質(zhì)土作為路堤填料在減沉及免擾方面優(yōu)勢明顯。

社區(qū)矯正在降低刑罰執(zhí)行成本、防止交叉感染、幫助犯罪人回歸社會，降低犯罪人員的重新犯罪率、維護(hù)社會和諧穩(wěn)定等方面發(fā)揮了重要作用，在完善我國非監(jiān)禁刑罰執(zhí)行制度方面做出了有益探索。但是，在我國廣大的西部地區(qū)，社區(qū)矯正發(fā)展相對落后。下面筆者就以西寧市“康川新城”為例，展示西部社區(qū)矯正的工作現(xiàn)狀。

4.2　輕質(zhì)土填筑范圍對既有高鐵附加沉降變形的影響

調(diào)整輕質(zhì)土填筑范圍，以坡率1∶0.75斜線為分界線，從既有線坡腳開始，逐步向左側(cè)移動，逐漸增加填輕質(zhì)土范圍，直至京廣線7(5)股道與鄭濟(jì)線11股道間全填輕質(zhì)土。分別計算輕質(zhì)土不同填筑范圍不同附加荷載下的應(yīng)力影響范圍、沉降變形影響區(qū)域及沉降大小，分析輕質(zhì)土不同填筑范圍對既有高鐵沉降附加變形的影響程度。有限元計算結(jié)果見圖10。

圖10　輕質(zhì)土不同填筑范圍下既有高鐵路基附加沉降

根據(jù)圖10沉降曲線分析，全填輕質(zhì)土?xí)r，對既有鐵路的沉降影響最小。隨著輕質(zhì)土的填筑范圍增加，既有鐵路的位移不斷減小。填筑區(qū)范圍超過5.5 m后，對既有線路基面沉降的影響差別不大，存在減少輕質(zhì)土填筑范圍，控制工程造價的可能。

4.3　不同的路基設(shè)計方案對既有高鐵沉降變形的影響

采用有限元軟件對各設(shè)計方案分別進(jìn)行附加沉降計算，有限元沉降云圖見圖11(為節(jié)省篇幅，僅附輕質(zhì)土+CFG樁及加筋陡坡+樁筏結(jié)構(gòu)，其余略)，計算結(jié)果見圖12及表1。

圖11　有限元計算附加沉降云圖

圖12　各路基結(jié)構(gòu)設(shè)計方案既有線路基面附加沉降曲線

序號路基結(jié)構(gòu)設(shè)計方案京廣客專路基面附加沉降/mm7(5)道6(3)道渡線IV(II)道3(4)道有砟軌道無砟軌道1輕質(zhì)土+CFG樁19.061.770.930.761.132輕質(zhì)土+樁筏20.251.910.860.480.883輕質(zhì)土+樁板18.692.591.451.050.694加筋陡坡+CFG樁243.392.061.742.115加筋陡坡+樁筏24.433.311.791.311.786加筋陡坡+樁板24.664.772.962.361.497框架結(jié)構(gòu)13.71.10.30.30.68剛架結(jié)構(gòu)18.43.72.72.41.8

根據(jù)工務(wù)維修一般要求，無砟軌道變形控制參數(shù)為通報、預(yù)警、報警值分別為3、4 mm和5 mm[11]。上述有限元計算結(jié)果中，除距新建線最近的7(5)股道(有砟軌道)附加沉降較大外，其余各方案對既有京廣客專無砟軌道正線6(3)、渡線股道的附加沉降基本均在預(yù)警值范圍內(nèi)。但方案1及方案7對既有線無砟軌道附加沉降控制效果最好，對既有高鐵安全運(yùn)營影響最小。

5　創(chuàng)新設(shè)計

5.1　架空結(jié)構(gòu)

5.2　加筋陡坡

利用新型土工筋材與壓實(shí)填料間的摩阻力，構(gòu)成土-筋復(fù)合體[15]，以平衡填料水平土壓力，形成加筋土陡坡，控制普通填土側(cè)向荷載傳遞，路堤穩(wěn)定邊坡坡率可從1∶1.5調(diào)整至1∶0.5甚至更陡，可以有效減少輕質(zhì)土填筑范圍，顯著提高其經(jīng)濟(jì)性。研究提出的“加筋陡坡+樁筏結(jié)構(gòu)”適用性強(qiáng)，較目前常用的并站路基結(jié)構(gòu)形式投資省，具有明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益。

6　方案比選

表2　并行既有高鐵新建路基設(shè)計方案綜合比較

7　結(jié)論

根據(jù)新建鄭濟(jì)客專并行既有京廣客專新鄉(xiāng)東站的具體情況，結(jié)合有限元計算，對并行既有高鐵新建路基設(shè)計方案進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

(1)“輕質(zhì)土+CFG”、“加筋陡坡+樁筏結(jié)構(gòu)”和“框架結(jié)構(gòu)”方案技術(shù)可行，三者均是可供選擇的方案。

(2)“加筋陡坡+樁筏結(jié)構(gòu)”方案采用加筋陡坡收坡，減少輕質(zhì)土填筑范圍，大大降低了工程造價，雖附加沉降略大，但仍在可控范圍內(nèi)，方案具有一定的創(chuàng)新性，值得進(jìn)一步深化研究。

(3)目前高鐵并站情況日益普遍，大多數(shù)以填筑輕質(zhì)混凝土方案為主，輕質(zhì)混凝土投資較高，沉降控制也比較復(fù)雜。研究提出的“框架結(jié)構(gòu)”等架空結(jié)構(gòu)形式具有結(jié)構(gòu)輕便，沉降易控制的特點(diǎn)，具有創(chuàng)新性，是以后深入研究的方向。

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