羅金洪

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070)

1 引言

為確保高鐵列車高速、安全、平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)軌道系統(tǒng)以下基礎(chǔ)工程提出了嚴(yán)格的變形控制要求，在其安全保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行工程活動(dòng)須十分慎重。目前，在鄰近既有高鐵平行新建路基時(shí)，常采取拉大兩線間距的方式來確保鐵路安全，但若退避間距過大將形成較大“夾心地”，浪費(fèi)土地資源。如何基于高鐵容許變形閾值，結(jié)合地質(zhì)情況、路基填筑高度等因素，合理確定新建路基退避間距，是新時(shí)期高鐵路網(wǎng)加密建設(shè)中面臨的新技術(shù)問題。

新建線路對(duì)既有線路的附加影響已有相關(guān)研究，區(qū)分討論了路對(duì)路、橋?qū)β返炔煌闆r，研究重點(diǎn)多側(cè)重于新建路基開挖填筑中對(duì)既有線路的擾動(dòng)影響，以及兩線間距較小時(shí)如何采取工程加固措施來減小對(duì)既有線路的擾動(dòng)[1－3]。

在總結(jié)平行既有高鐵新建路基工程成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以一粉質(zhì)黏土地區(qū)平行既有高鐵新建路基為例，考慮地層條件及兩線地基處理情況、兩線間距、新線路基填高等因素[4－5]，建立有限元計(jì)算模型，研究新建路堤及軌道－列車應(yīng)力加載對(duì)既有高鐵路基附加沉降和水平變形的影響，根據(jù)高鐵線路變形閾值，提出新線坡腳退避間距。

2 鄰近既有高鐵新建工程規(guī)定與工程案例

2.1 相關(guān)規(guī)范及規(guī)定

中國(guó)鐵路工程總公司《關(guān)于規(guī)范鐵路營(yíng)業(yè)線施工配合技術(shù)服務(wù)費(fèi)計(jì)取工作的指導(dǎo)意見》(鐵總建設(shè)〔2017〕146號(hào))規(guī)定了鄰近營(yíng)業(yè)線的工程退避間距，對(duì)于非爆破工程，一般情況下為路堤坡腳、路塹坡頂、橋梁外緣、設(shè)備或設(shè)施外緣起向外各20 m范圍以外。但對(duì)既有高速鐵路新建與既有線退避間距尚無正式相關(guān)規(guī)定。

2.2 工程案例及面臨問題

實(shí)踐中高鐵線路與已開通350 km/h運(yùn)行速度高速鐵路并行，各工程類型采用的最小退避間距見表1。

表1 與高鐵并行地段最小線間距

可見，新舊線橋梁、路基四種工程組合中，新建路基對(duì)既有路基影響最為顯著，推薦的最小退避間距達(dá)40 m。在新時(shí)期“綠色鐵路”背景下，關(guān)于兩線間距有必要根據(jù)新建路基與既有高鐵的地形、地質(zhì)、工程類型等因素進(jìn)行相關(guān)研究。

3 計(jì)算模型與參數(shù)校驗(yàn)

3.1 路基工程計(jì)算斷面介紹

選取并行既有高鐵的新建線地基CFG樁加固段為研究對(duì)象，該路段地基可壓縮層主要為粉質(zhì)黏土，最大深度約21 m，既有路堤最大填方高度約10 m，兩線路基基本等高。既有高鐵路基采用了CFG樁加固，樁徑0.5 m、間距1.5 m，正方形布置。新建路基亦采用CFG樁加固，正方形布置，樁徑0.5 m、間距2 m。新線與既有線路基典型橫斷面見圖1，地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，地基巖土物理力學(xué)指標(biāo)見表3。

表2 地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 路基典型橫斷面(單位:m)

表3 地基巖土物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 有限元模型建立

采用Midas GTS數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行分析，模型作如下假設(shè)條件:

(1)CFG樁復(fù)合地基作為整體，取復(fù)合模量考慮地基加固效應(yīng)。

(2)不考慮土工格柵的作用，路堤以整體實(shí)體考慮。

(3)考慮地基初始地應(yīng)力場(chǎng)，令初始地應(yīng)力場(chǎng)平衡后的初始位移為零，不考慮樁的施工過程。

(4)路堤填筑為一次性加載，不考慮地基在荷載作用下的時(shí)間效應(yīng)。

模型橫向143 m、豎向50 m，采用平面應(yīng)變的三角形單元和四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸在路堤為1 m，地基最大網(wǎng)格尺寸3 m，共劃分3 936個(gè)節(jié)點(diǎn)、3 859個(gè)單元。典型斷面有限元模型網(wǎng)格見圖2。路堤與CFG樁材料參數(shù)見表4，巖土材料均采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型。

圖2 典型斷面有限元模型網(wǎng)格

表4 路堤與CFG樁模型材料參數(shù)

模型兩側(cè)采用水平位移約束，底部固定約束，頂部為自由表面。模型受重力作用，在路基頂部施加列車－軌道荷載。高鐵列車荷載分布寬度取3.1 m，軌道單位荷載為13.7 kPa，列車荷載為40.4 kPa，總荷載54.1 kPa，線間荷載2.3 kPa。

3.3 地基參數(shù)擬合校驗(yàn)

模擬前對(duì)影響變形計(jì)算準(zhǔn)確度的地層物理力學(xué)參數(shù)，考慮新線路堤分別按有、無CFG樁加固的有限元計(jì)算，并以復(fù)合模量法為基準(zhǔn)進(jìn)行擬合校驗(yàn)，確定相關(guān)計(jì)算參數(shù)。

計(jì)算結(jié)果表明，無CFG樁加固情況下，粉質(zhì)黏土的彈性模量取2倍土體壓縮模量較為合理，與e-p參數(shù)復(fù)合模量法相差約3.3%；采用CFG樁加固時(shí)，加固層復(fù)合地基彈性模量取其2倍壓縮模量較為合適，結(jié)果與理論值相差約4.9%。校驗(yàn)后地層參數(shù)見表5。

表5 校驗(yàn)后地層參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 計(jì)算工況選取

根據(jù)地層條件、新舊線地基處理、兩線間距、路基填高等因素，考慮路堤填高與地基處理深度匹配原則[6－8]，選取新線路堤填高6 m時(shí)地基加固處理深度4 m，路堤填高9 m時(shí)地基加固深度8 m、14 m，路堤填高10 m時(shí)加固深度19 m，共4種情況，以兩路堤坡腳距離分別為6 m(共用水溝)、14 m(共用柵欄)、20 m、30 m、35 m(地基處理深度 14 m、19 m時(shí))的條件，共計(jì)18種工況，計(jì)算工況匯總見表6，分析既有線路基水平、豎向附加變形特征[9－10]。

表6 計(jì)算工況匯總

續(xù)表6

4.2 新建路基對(duì)既有線路基變形影響

由附加應(yīng)力擴(kuò)散規(guī)律，新建工程對(duì)既有鐵路的附加應(yīng)力作用與路基填高呈正相關(guān)，隨線間距及新線地基處理深度的增大而減小，因此附加變形也將隨之相應(yīng)變化。

以工況9地基處理深度14 m、坡腳距離6 m情況為例，合位移場(chǎng)及水平、豎向分量結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 合位移場(chǎng)

圖4 水平位移場(chǎng)

圖5 豎向位移場(chǎng)

可以看出工況9條件下，新建路基豎向沉降明顯，路基面和原地面沉降值分別達(dá)到99.3 mm和98.6 mm，水平位移分別為2.6 mm和0.4 m。由于新建路基面沉降可通過超填施工等手段解決，工后沉降影響可控；而對(duì)于既有線路基水平變形相對(duì)更為明顯，水平位移為5.9 mm，路基面沉降值左、右線分別為1.3 mm、0.8 mm，反映了新建路基對(duì)既有路基變形的影響。

新線地基處理深度分別為4 m、8 m、14 m、19 m四種情況下，既有路基合位移與坡腳間距、地基處理深度關(guān)系見圖6。將不同工況的水平位移、豎向位移以及合位移分別進(jìn)行繪制，見圖7。

圖6 既有路基合位移與坡腳間距、地基處理深度關(guān)系

圖7 既有高鐵路基變形與坡腳間距關(guān)系

水平分量和合位移值相差不大，可見新建路基對(duì)既有路基的影響主要體現(xiàn)在水平方向的變形，隨著地基處理深度的增加，既有線坡腳的水平位移和路基面水平位移均增加。

在新線路基同一處理深度下，隨著坡腳距離增大，水平位移呈指數(shù)遞減。處理深度≤8 m、路堤坡腳間距為10～15 m時(shí)，對(duì)既有路基變形影響趨于微弱；地基處理深度≥14 m，坡腳距離在超過30 m后曲線趨于平緩。

既有線豎向沉降相比水平位移明顯減小，約為水平位移的1/5～1/4，既有線路基面豎向位移隨處理深度增加近似呈指數(shù)減小，規(guī)律和水平位移一致；當(dāng)處理深度≥8 m時(shí)，既有線坡腳豎向位移呈先增大后減小的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)于坡腳間距15 m時(shí)產(chǎn)生極值。

5 最小坡腳間距分析

由圖6、圖7可知，兩線坡腳間距的取值應(yīng)綜合考慮既有線路沉降、水平位移的影響。高速鐵路線路變形控制相關(guān)規(guī)定[11－12]見表7。

表7 線路靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算，在坡腳距離超25 m時(shí)，不同地基處理深度下既有路基豎向沉降均小于1 mm，水平位移在3 mm以內(nèi)，此時(shí)新建線路對(duì)既有線路的附加擾動(dòng)較小，滿足線路維修規(guī)則要求，也滿足既有線路正常運(yùn)營(yíng)，同時(shí)節(jié)省工程土地，符合新時(shí)期鐵路發(fā)展綠色協(xié)調(diào)的理念。

6 結(jié)論

通過以粉質(zhì)黏土地區(qū)平行既有高鐵新建路基為案例的模擬分析，對(duì)平行既有高鐵新建路基產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)對(duì)坡腳退避間距進(jìn)行取值建議。

(1)在新建路基軌道－列車及路基荷載的影響下，既有線路基變形以水平位移為主；在新線路基同一地基處理深度條件下，既有線坡腳和路基面水平位移隨坡腳間距增大呈指數(shù)規(guī)律遞減；處理深度≤8 m，路堤坡腳間距為10～15 m時(shí)，對(duì)既有路基變形的影響趨于微弱；地基處理深度≥14 m，坡腳距離在超過30 m后曲線趨于平緩。

(2)既有線豎向沉降相比水平位移明顯減小，約為水平位移的1/5～1/4，既有線路基面豎向位移隨處理深度增加近似呈指數(shù)減小，規(guī)律和水平位移一致；當(dāng)處理深度≥8 m時(shí)，既有線坡腳豎向位移呈先增大后減小的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)于坡腳間距15 m時(shí)產(chǎn)生極值。

(3)參考高速鐵路維修規(guī)則相關(guān)規(guī)定，對(duì)于地基壓縮層厚度10～20 m典型情況，建議在新線地基加固深度不大于8 m時(shí)，可利用共用柵欄凈距14 m作為坡腳最小退避間距；當(dāng)新線地基加固深度超過14 m時(shí)，坡腳最小退避距離可增加至25 m。