周惠賢

（中國鐵路蘭州局集團有限公司 建設(shè)部，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

新建中蘭鐵路北起寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市，向南經(jīng)白銀市平川區(qū)、靖遠縣、白銀區(qū)，繼續(xù)向西經(jīng)蘭州新區(qū)接至既有中川線樹屏線路所，正線全長219.707 km。中蘭鐵路引入既有中川城際鐵路，需對中川城際鐵路路基進行幫寬，對既有涵洞進行接長。在涵洞接長施工中，需拆除既有涵洞八字翼墻。為確保既有線行車安全，拆除“八”字翼墻前，采用人工挖孔樁對路基進行防護。由于挖孔樁在路基邊坡上，距線路中心4.2 m，進一步明確人工挖孔樁施工過程中塌孔對運營安全的影響，同時明確施工過程中列車限速值，采用有限元分析方法，對人工挖孔樁周邊路基土體受力和土體位移情況進行分析［1］。

1 工程概況

中蘭鐵路引入中川城際鐵路需接長K48+438.1 處1 1-4.0 m鋼筋混凝土框架涵，該涵洞位于緩和曲線及-8‰的斜坡道上，與線路正交。施工時需拆除接長側(cè)既有涵八字翼墻及帽石再接長，新舊涵連接處做好防水層及沉降縫處理。該涵翼墻采用整體式基礎(chǔ)，出入口涵節(jié)采用整體式基礎(chǔ)，中間涵節(jié)無基礎(chǔ)，做10 cm 厚C40混凝土墊層。涵洞基底鋪設(shè)60 cm厚三七灰土墊層，墊層中間設(shè)置2 層土工格柵，墊層以下采用樁徑0.5 m 的高壓旋噴樁進行地基處理，樁穿過砂質(zhì)黃土層，樁長15.0 m，樁間距1.4 m，行列式布置［2］。

為保證既有線運營安全，該涵洞基坑開挖前采用直徑125 cm 挖孔樁對既有線進行防護，挖孔樁樁間距180 m，單根樁長13.0 m，沿既有路基在涵洞接長側(cè)大、小里程側(cè)均布置4 根，共布置8 根。挖孔樁采用15 cm厚C25 鋼筋混凝土護壁。地基處理方式立面示意見圖1，涵洞出口正面示意見圖2，涵洞縱斷面及平面示意見圖3，涵洞地質(zhì)情況見表1。

表1 一般巖土參數(shù)

圖1 地基處理方式立面示意圖

圖2 涵洞出口正面示意圖

圖3 涵洞縱斷面及平面示意圖

2 有限元計算

（1）計算方法。新建工程施工過程采用有限元分析軟件Midas-GTS進行模擬計算，在Midas-GTS中采用單元三維模型分析技術(shù)，有效模擬圍巖土體開挖。巖土的塑性本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫模型，該模型主要適用于單調(diào)荷載作用下顆粒狀材料，在巖土工程中應(yīng)用廣泛。材料參數(shù)主要包含黏聚力、內(nèi)摩擦角、切線和割線模量以及卸載模量等，可以參考地勘報告取值。

（2）有限元模型。有限元計算采用三維空間模型，土體、路基、鋼筋混凝土框架涵、防護樁均采用實體單元模擬。為消除約束邊界對計算結(jié)果的影響，計算模型范圍距離主體工程40 m 以外。模型尺寸為150 m×900 m×40 m（長×寬×高），有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型

（3）邊界條件。邊界約束條件施加在土體上，在模型底面限制豎向位移，在模型側(cè)面限制水平方向位移。

（4）計算荷載。計算荷載主要考慮以下5種：土體自質(zhì)量、路基自質(zhì)量及道砟自質(zhì)量、既有涵洞自質(zhì)量、防護工程質(zhì)量、新建工程質(zhì)量。

（5）施工過程模擬。巖土工程與其他結(jié)構(gòu)工程相比，計算時有些不同，周圍的天然土體施工前均經(jīng)過了多年沉降，施工前，土體本身存在初始應(yīng)力場，計算時必須考慮土體初始地應(yīng)力場的平衡，首先計算土體在自質(zhì)量作用下產(chǎn)生初始位移，后續(xù)分析中通過減去自質(zhì)量下的初始位移得到實際位移。這種方法存在一定不足，由于土體材料剛度較小，自質(zhì)量作用下一般會產(chǎn)生較大位移，針對開挖過程涉及到單元激活和殺死，會出現(xiàn)位移變化不協(xié)調(diào)，容易造成計算不收斂。

Midas-GTS在計算時先根據(jù)實際工程情況計算得到重力作用下的應(yīng)力場，然后將得到的應(yīng)力場定義為初始應(yīng)力場，和重力荷載一起施加給原始模型，可以得到既滿足平衡條件又不違背屈服準(zhǔn)則的初始應(yīng)力場，可以保證各節(jié)點的初始位移近似為0。

計算通過單元應(yīng)力模擬開挖的應(yīng)力釋放過程，計算工況根據(jù)施工工序進行單元移除與激活。

依據(jù)設(shè)計文件，新建接長涵洞工程的模擬具體施工工序見表2。

表2 施工工序

（6）有限元計算云圖。中川城際鐵路竣工為工程施工前的初始工況，后續(xù)各個施工工況位移云圖均需要減去初始工況，以獲得施工引起的附加位移值。有限元計算云圖見圖5—圖11。

圖5 中川城際鐵路竣工位移云圖

圖6 防護樁挖孔位移云圖

圖7 防護樁施工位移云圖

圖8 拆除既有涵洞八字翼墻位移云圖

圖9 接長涵洞地基處理位移云圖

圖10 接長涵洞基坑開挖位移云圖

圖11 接長涵洞施工位移云圖

3 有限元計算結(jié)果分析

（1）中川城際鐵路路基豎向線形圖（見圖12）。圖12 中結(jié)果均為施工引起的路基附加變形，每條曲線均代表某個施工階段的路基線型；數(shù)值不包括路基的工后沉降，縱軸表示路基各個點的變形數(shù)值，橫軸表示路基從北向南的相對距離；每個數(shù)據(jù)點之間的相對距離均為5 m；正值代表路基較開工前向上隆起，負值代表路基較開工前向下沉降。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，項目施工過程中中川城際鐵路受施工影響引起路基上浮最大值為0.171 mm，下沉最大值為-5.376 mm。

圖12 中川城際鐵路路基豎向線形圖

（2）中川城際鐵路路基橫向線形圖（見圖13）。圖13 中正值代表線路向東側(cè)變形，負值代表線路向西側(cè)變形。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，項目施工過程中中川城際鐵路受施工影響引起路基附加橫向變形最大值為0.202 mm。

圖13 中川城際鐵路路基橫向線形圖

（3）中川城際鐵路路基段軌道高低、軌向十米弦長不平順值。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，接長涵洞施工全過程中路基段軌道高低和軌向十米弦長不平順最大值見表3。

表3 中川城際鐵路軌道不平順性最大值

4 控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）線路不平順控制標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》表6.2.1中關(guān)于線路軌道靜態(tài)幾何不平順容許偏差管理的規(guī)定［3］。

中川城際鐵路設(shè)計速度為160 km/h，采用有砟軌道形式，且為路基段跨越工程所在位置，應(yīng)采用的控制標(biāo)準(zhǔn)是120 km/h

（2） 路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)TB 10314—2021《鄰近營業(yè)線施工安全檢測技術(shù)規(guī)程》9.3.6中的路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)［4］。

有關(guān)沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)中，此項控制標(biāo)準(zhǔn)較嚴格，因此，中川城際鐵路的路基沉降標(biāo)準(zhǔn)參考此標(biāo)準(zhǔn)。中川城際鐵路采用碎石道床，不限速運營采用的沉降累計值控制值為20～30 mm；變化速率為1.5 mm/d。

（3）結(jié)合以上相關(guān)條文，最終確定項目評估相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 評估標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)論

（1）中川城際鐵路接長涵洞人工挖孔樁施工全過程中，軌道產(chǎn)生的最大豎向變形值為5.376 mm，軌道十米弦長高低不平順為0.666 mm，軌道最大橫向變形值為0.202 mm，軌道十米弦長軌向不平順為0.157 mm，滿足TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》6.2.1中關(guān)于軌道靜態(tài)幾何不平順容許偏差標(biāo)準(zhǔn)，即滿足軌道高低不平順性6 mm，軌向不平順性6 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）最大路基沉降是5.376 mm，滿足GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》9.3.6 中的路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，即滿足路基沉降累計值為20～30 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)［5］。

因此，中蘭鐵路引入中川城際鐵路接長涵洞防護樁施工能滿足中川城際鐵路運營要求，人工挖孔樁施工過程中，列車通行該區(qū)段時可以不限速［6］。