朱興運(yùn)

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，截至2019年，中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)總里程已經(jīng)達(dá)35 000 km。近年來，國(guó)家大力推進(jìn)京津冀一體化、長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)區(qū)的建設(shè)，依托既有京滬高鐵、滬杭客專、京石客專、石濟(jì)客專等將建設(shè)大量高速鐵路，在此過程中，難以避免發(fā)生大量鄰近既有線施工[1]。研究如何降低新建鐵路對(duì)既有鐵路沉降變形的影響具有重要意義。

針對(duì)新建鐵路對(duì)既有鐵路路基沉降變形的影響，已有多位學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究[2-5]。以下基于前人的研究成果，依托某項(xiàng)目，采用數(shù)值分析方法對(duì)比分析按比例放坡與設(shè)置擋墻提前收坡、正常填土與換填輕質(zhì)土對(duì)既有線豎向沉降和水平變形的影響。

2 工程概況

某既有鐵路站臺(tái)規(guī)模為兩臺(tái)四線，無砟軌道，平均填高7.5 m，地基處理采用“CFG樁+樁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)形式，樁徑0.5 m，樁長(zhǎng)19～23 m，正方形布置，樁間距1.6～2.0 m。新建線與既有線正線間距為39.5 m，其規(guī)模也為兩臺(tái)四線，無砟軌道，地基處理采用“螺桿樁+樁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)形式，樁徑0.4 m，正方形布置，樁間距2.2 m，樁長(zhǎng)與既有站對(duì)應(yīng)里程CFG樁長(zhǎng)保持一致。

該地區(qū)地質(zhì)鉆探結(jié)果揭示，該地區(qū)地層以粉質(zhì)黏土和粉土為主，承載力范圍為140～180 kPa；中間夾雜多層粉砂、中粗砂，承載力為90～550 kPa，地下水埋深27～32.8 m。

2.1 斷面數(shù)據(jù)

選用DK247+687.92、DK247+830、DK248+453.64處3個(gè)橫斷面進(jìn)行數(shù)值分析，這3個(gè)橫斷面分別處于咽喉區(qū)、站臺(tái)區(qū)以及正線并行段落(見圖1)。其中，DK247+687.92處新建路基與既有線路基坡腳發(fā)生搭接；DK247+830處新建線與既有線共路基面，為最不利斷面。

圖1 斷面位置示意

2.2 土層及材料參數(shù)

本次計(jì)算斷面的地層參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

樁基的側(cè)摩阻力系數(shù)按照公式tan(φ×0.65)取平均值，二維模型采用樁基的彈性模量按照等抗壓剛度進(jìn)行折減。路堤填筑所需材料及樁基材料參數(shù)見表2。高鐵無砟軌道荷載分布寬度為3.1 m，軌道荷載13.7 kPa，列車普通荷載40.4 kPa，列車特種荷載50.4 kPa[6]。

表2 路基本體及樁基材料參數(shù)

3 數(shù)值模擬

李陽(yáng)提出，在計(jì)算路基沉降時(shí)，采用二維模型精度較高[7]，故利用二維模型進(jìn)行模擬。其中，彈性模量的取值將直接影響數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，通過對(duì)DK248+453.64斷面的理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過反分析方法獲得較準(zhǔn)確的土體彈性模量參數(shù)[8]。

3.1 確定彈性模量

依據(jù)建筑樁基設(shè)計(jì)規(guī)范等，本工程樁中心距不大于6倍樁徑，采用等效作用分層總和法[9-12]，理論計(jì)算公式為

(1)

(2)

其中，nb為短邊布樁數(shù)；C0、C1、C2為群樁基礎(chǔ)計(jì)算等效沉降系數(shù)時(shí)對(duì)應(yīng)的系數(shù)。

在相同斷面利用數(shù)值模擬方法，分別采用3倍壓縮模量及6倍壓縮模量模擬基底位置的豎向位移，位移云圖見圖2、圖3。

圖2 路基豎向位移場(chǎng)(3倍壓縮模量)

圖3 路基豎向位移場(chǎng)(6倍壓縮模量)

沉降對(duì)計(jì)算結(jié)果見表3，由表3可知，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用6倍于壓縮模量作為彈性模量參數(shù)，其計(jì)算結(jié)果偏差較小，僅為6.4%。故本次模擬地層彈性模量的最終取值為壓縮模量的6倍。

表3 沉降計(jì)算結(jié)果對(duì)比

采用理論計(jì)算的值與數(shù)值模擬的值進(jìn)行對(duì)比的方法可以相對(duì)較好的對(duì)壓縮模量進(jìn)行取值。當(dāng)需要精確預(yù)測(cè)沉降量時(shí)，建議采用實(shí)際沉降量與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比的方法獲得模擬時(shí)使用的壓縮模量。

3.2 數(shù)值分析結(jié)果

本次選取具有代表性的3個(gè)橫斷面分析新建線對(duì)既有線的影響，為減少模型邊界效應(yīng)，應(yīng)保證模型橫向及豎向尺寸大于新建線基底寬2.0倍[13]。

(1)DK247+687.92橫斷面位移云圖見圖4～圖7。

圖4 DK247+687.92斷面豎向位移云圖(放坡)

圖5 DK247+687.92斷面水平位移云圖(放坡)

圖6 DK247+687.92斷面豎向位移云圖(設(shè)擋墻)

圖7 DK247+687.92斷面水平位移云圖(設(shè)擋墻)

路基變形計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 DK247+687.92斷面路基變形計(jì)算結(jié)果匯總

由表4可知，輕質(zhì)土填料能夠更好控制既有線的豎向沉降，距離新建線越近，豎向沉降越明顯，在遠(yuǎn)離新建線的一側(cè)會(huì)發(fā)生輕微隆起現(xiàn)象。設(shè)置擋墻相較于常規(guī)放坡方法，能夠顯著控制既有線的水平位移。

(2)DK247+830橫斷面位移云圖見圖8～圖9。

圖8 DK247+830斷面豎向位移云圖

圖9 DK247+830斷面水平位移云圖

該斷面為共路基面路基，新建線需要搭接在既有線護(hù)坡上。目前，常見的辦法為換填輕質(zhì)土，以減少既有線對(duì)既有線的影響[14]。數(shù)值計(jì)算得到的路基變形結(jié)果見表5，從分析結(jié)果可知，正常土填筑時(shí)，到發(fā)線范圍內(nèi)均會(huì)發(fā)生沉降，且沉降值較大；輕質(zhì)土填筑時(shí)，沉降拐點(diǎn)發(fā)生變化，僅在既有線路肩范圍內(nèi)發(fā)生沉降，且明顯低于正常土填筑時(shí)的沉降量，在遠(yuǎn)離新建線的一側(cè)，輕質(zhì)土隆起更高。

表5 DK247+830斷面路基變形計(jì)算結(jié)果匯總

(3)DK248+453.64橫斷面位移云圖見圖10～圖13。

圖10 DK248+453.64斷面豎向位移云圖(設(shè)擋墻)

圖11 DK248+453.64斷面水平位移云圖(設(shè)擋墻)

圖12 DK248+453.64斷面豎向位移云圖(放坡)

圖13 DK248+453.64斷面水平位移云圖(放坡)

路基變形計(jì)算結(jié)果見表6，由于該位置新建線與既有線之間的距離較遠(yuǎn)，故該處既有線發(fā)生的豎向位移和水平位移相對(duì)較小。擋墻方案相較于放坡方案，兩者既有線路基面豎向沉降都控制在1 mm以內(nèi)，但兩者水平向變形控制效果差異巨大，兩者既有線路基面水平向變形分別為1 mm、9 mm，設(shè)置擋墻收坡明顯有助于既有線水平向變形的控制。

表6 DK248+453.64斷面路基變形計(jì)算結(jié)果匯總

為了進(jìn)一步驗(yàn)證既有線鄰近新建線一側(cè)發(fā)生沉降，而在遠(yuǎn)離新建線的一側(cè)發(fā)生隆起的現(xiàn)象。模擬過程中補(bǔ)充增加了DK247+500、DK248+030兩個(gè)斷面進(jìn)行分析。5個(gè)斷面的豎向位移結(jié)果見圖14。

圖14 不同位置豎向位移數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

由圖14可知，既有線距離新建線越近，其發(fā)生的豎向變形越大，輕質(zhì)土較正常填料能夠更好控制豎向位移。在遠(yuǎn)離新建線的一側(cè)，均會(huì)發(fā)生相對(duì)隆起的現(xiàn)象。

3.3 相對(duì)隆起現(xiàn)象驗(yàn)證

在新建線施工時(shí)，既有線遠(yuǎn)離新建線的一側(cè)路基會(huì)發(fā)生相對(duì)隆起的現(xiàn)象。某客專并入某高鐵時(shí)，橫斷面自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖15。由圖15可知，5-34測(cè)點(diǎn)為遠(yuǎn)離新建線的一側(cè)，在施工前期，該測(cè)點(diǎn)沉降相較于6-03測(cè)點(diǎn)處于相對(duì)隆起狀態(tài)，與數(shù)值分析得出的規(guī)律一致；在施工后期，5-34測(cè)點(diǎn)發(fā)生的沉降大于6-03測(cè)點(diǎn)，可見在施工快結(jié)束、沉降即將穩(wěn)定之前，該處由相對(duì)隆起急劇變?yōu)橄鲁痢Ｒ虼?，新建線并入既有線時(shí)，應(yīng)重視全周期監(jiān)測(cè)既有線的沉降，依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)施工決策[15]。當(dāng)發(fā)生急劇沉降的現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)措施消除影響。

圖15 某橫斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

(1)設(shè)置擋墻可以有效控制既有線水平位移，但是無法顯著控制豎向位移的影響。

(2)采用輕質(zhì)土?xí)r，既有線沉降影響范圍更小，可以有效控制既有線的豎向位移(<2 mm)，并滿足運(yùn)營(yíng)平順性要求；在遠(yuǎn)離新建線的一側(cè)，會(huì)發(fā)生輕微隆起，在實(shí)際施工過程中應(yīng)予以重視。

(3)施工過程中應(yīng)采取措施對(duì)既有線進(jìn)行保護(hù)，并做好全生命周期的監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)既有線發(fā)生明顯沉降時(shí)，可采用抬高軌道板或注漿的方式抬升軌面高度，以保證既有鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。