李學(xué)友 邱睿哲 周鵬飛 潘澤坤 嚴(yán)騰飛

(1. 中鐵二局集團(tuán)有限公司第四工程有限公司,成都 610300; 2. 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031;3. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

1 概述

北京市中低速磁浮交通S1 線是我國第二條實(shí)際運(yùn)營的中低速磁浮交通線路[1],設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為100 km/h,該線西起北京門頭溝新城西南角石門營,向東高架跨越西六環(huán)、永定河至蘋果園,與地鐵1 號線、6 號線換乘, 線路全長10.235 km。 其中,石門營車輛段內(nèi)有長度663 m 特殊路基,該線于2011 年2 月28 日動工,2017 年12 月30 日正式投入商業(yè)運(yùn)營。

磁懸浮列車是一種新興的交通技術(shù),具有安全、舒適等優(yōu)點(diǎn)。 其中,德國TR 高速常導(dǎo)磁浮系統(tǒng)和日本HSST 中低速磁浮系統(tǒng)是目前較為成熟的磁浮交通系統(tǒng)[2-3]。 我國從20 世紀(jì)80 年代開始研究磁浮列車技術(shù),包括國防科技大學(xué)在長沙建設(shè)磁浮列車中試基地、西南交通大學(xué)在唐山建成的1.5 km 長的磁浮試驗(yàn)線路、上海臨港的中低速(城軌)磁浮試驗(yàn)線、鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的唐山中低速磁浮試驗(yàn)線等。 學(xué)者們探討了中低速磁浮軌道工程的設(shè)計(jì)要點(diǎn),根據(jù)現(xiàn)有的輪軌規(guī)范重新制定中低速磁浮交通標(biāo)準(zhǔn)[4-6],以及與城市軌道交通輪軌工程進(jìn)行對比,闡明中低速磁浮交通技術(shù)在節(jié)能環(huán)保和安全降噪方面的優(yōu)越性和適用性[7]。

軌道梁作為磁浮列車的承載體,為懸浮技術(shù)提供安全保障,其內(nèi)力和變形情況直接影響磁浮列車的安全性和舒適性。 德國Emsland(埃姆斯蘭)高速磁浮線(TVE)不論高架線路還是低置線路,全部采用梁式結(jié)構(gòu),過去30 年,共設(shè)計(jì)約20 種軌道梁。 其中,梁式結(jié)構(gòu)有預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)兩類,前者在使用性能和造價方面具有一定的優(yōu)勢,后者則在加工制造精度方面容易保證;日本在超導(dǎo)型磁懸浮線路中多采用混凝土結(jié)構(gòu),HSST-04 型車采用高架混凝土梁,HSST-04 型車采用單片箱形梁結(jié)構(gòu);我國首條常導(dǎo)低速磁浮列車線路青城山磁浮列車工程示范線,全線采用高架橋方案,標(biāo)準(zhǔn)跨徑12 m,梁體采用C40 混凝土,梁體長11.94 m,在曲線半徑為250 m 區(qū)段上,梁體腹板外緣間距為0.8 m,梁體高1.0 m,這也是目前中低速磁浮普遍采用的形式[8-9]。

目前,世界各國磁懸浮列車線下結(jié)構(gòu)多以高架線路為主,采用跨度16～32 m 的箱形簡支梁或連續(xù)梁[10-14]。 我國長沙低速磁懸浮試驗(yàn)線全長1.691 km,其中800 m 區(qū)段采用低置線路[15],即在填筑路基結(jié)構(gòu)上架設(shè)軌道梁,全世界范圍內(nèi)極少有釆取這樣結(jié)構(gòu)形式的案例。 路基軌道梁低置結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)及路基結(jié)構(gòu),是將上部軌道梁放置在由級配碎石填筑的路基面上,由路基均布彈性支撐,形成路基、軌道梁、上部荷載共同作用的受力體系[16]。 為保證全線的連續(xù)一致性,發(fā)揮箱梁結(jié)構(gòu)抗彎抗扭穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢,腹板處應(yīng)設(shè)置側(cè)向?qū)к壷ё?以滿足常導(dǎo)型中低速磁懸浮列車所需的運(yùn)行構(gòu)造要求。

根據(jù)既有研究結(jié)果,中低速磁浮交通路基低置結(jié)構(gòu)仍處于初步研究階段,對于新型路基低置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案及線下路基結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為規(guī)律尚無明確研究結(jié)果。 從磁浮交通新型路基低置結(jié)構(gòu)建造技術(shù)著手,提出在路塹雙線地段采用U 形槽結(jié)構(gòu)形式,路塹三線地段采用懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)形式,低路堤地段采用U 形槽組合頂板結(jié)構(gòu)形式,以此作為線路分節(jié)式承軌梁基礎(chǔ),構(gòu)成新型路基低置結(jié)構(gòu),并在施工階段設(shè)計(jì)靜力試驗(yàn)方案,采集靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析測判定設(shè)計(jì)是否合理,建立磁浮列車荷載、承軌梁臺、低置結(jié)構(gòu)、地基耦合系統(tǒng)的三維有限元靜力模型,獲得中低速磁浮交通新型路基低置結(jié)構(gòu)及承軌梁的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律,以期為類似工程及后續(xù)中低速磁浮路基相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范提供科學(xué)參考與有益借鑒。

2 新型路基低置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 承軌梁臺設(shè)計(jì)

北京市S1 線示范線車輛段特殊路基段位于半徑100 m、縱坡4.5%的曲線上, 全長334.242 m。 在該路段中,在特殊路基擋墻結(jié)構(gòu)底板上設(shè)置小型分節(jié)承軌梁,承軌梁呈倒U 形結(jié)構(gòu),共計(jì)361 節(jié)。 承軌梁頂寬1.5 m,底寬1.3 m,高度隨底板高程和軌面高程變化(0.93～1.562 m),單節(jié)長度根據(jù)軌排型式變化(1.3～2.9 m),按結(jié)構(gòu)類型可分為2.5 m 標(biāo)準(zhǔn)承軌梁、2.5 m接頭型承軌梁、非標(biāo)準(zhǔn)承軌梁3 種結(jié)構(gòu)形式,見圖1。

圖1 承軌梁臺示意

承軌梁的長度以公稱里程長度計(jì)量,在縱坡地段線路實(shí)際長度與公稱長度(投影長)存在幾何差,故在設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮坡度、路基分段長度的影響,在坡度小、分段的地段忽略幾何差的影響,其他地段計(jì)算時考慮投影效應(yīng)。 同時,因磁懸浮列車為“抱軌”運(yùn)行,為提高列車曲線通過速度及乘坐舒適性,曲線梁采用梁體繞軌面中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定角度形成(圓曲線傾角4°,緩和曲線地段線性變化),承軌梁節(jié)間間距為0.3 m/0.7 m。

2.2 復(fù)合地基設(shè)計(jì)

選用傳統(tǒng)軟土應(yīng)用技術(shù)相對成熟的高壓旋噴樁、素混凝土樁等分區(qū)對地基予以處理。 對于試車線,SDK0+000.00～SDK0+251.00 段基坑開挖后坑底采用旋噴樁加固,樁徑0.6 m,矩形布置,橫向、縱向樁間距均為1.5 m;SDK0+251.00～SDK0+329.51 段U 形槽基底采用C35 素混凝土鉆孔灌注樁加固處理,樁徑0.6 m,橫向間距1.8 m,縱向間距2.0 m。

對于出入段線,RDK0+172.4～RDK0+506.4 段基坑開挖后基坑底以下采用旋噴樁加固,樁徑0.6 m,矩形布置,橫向和縱向樁間距均為1.5 m。 另外,在基坑底設(shè)置0.5 m 厚碎石墊層,碎石頂部設(shè)置0.1 m 厚C20 混凝土墊層。

2.3 特殊路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

特殊路基場地位于低山丘陵前的坡洪積地帶,場地內(nèi)主要分布填土及漂石土。 填土層普遍分布,一般厚3.4～5.8 m。 主要成分為松散-稍密狀粉土,孔隙比大,壓縮性高,抗剪強(qiáng)度低,力學(xué)性質(zhì)較差;漂石土層中漂石粒徑最大為1.5 m 左右,且分布隨機(jī),不易破碎,對施工影響較大。

綜合考慮線路設(shè)計(jì)高程、建設(shè)用地、施工可行性、工程造價等因素,考慮設(shè)計(jì)懸臂式擋土墻、U 形槽、U形槽+頂板等3 種不同的特殊路基結(jié)構(gòu)[17]。 懸臂式擋墻通常用做擋土墻,主要用于抵抗側(cè)向土壓力,在路基中,其鋼筋混凝土底板可作為承軌梁工作平臺,與承軌梁、承軌臺共同分擔(dān)列車荷載;對于U 形槽路基,能夠減小占地,便于在相對狹小有限的空間中進(jìn)行施工;對于線路高程較高區(qū)域,在U 形槽內(nèi)部回填時,結(jié)構(gòu)為回填土提供有效的側(cè)向約束力。

根據(jù)線路高程,先確定路基斷面形式(路塹或低路堤);然后根據(jù)區(qū)間路基所分布線路的股數(shù)(即路基寬度)確定合理的特殊路基結(jié)構(gòu)。

(1)針對出入段線RDK0+172.4～RDK0+300 段,因線路為雙線并行,故采用U 形槽的路塹結(jié)構(gòu)。

(2)針對出入段線RDK0+300～RDK0+506.64 段與試車線SDK0+000～SDK0+221,線路為三線,且試車線與出入段線間距較遠(yuǎn),故采用懸臂式擋土墻的路塹結(jié)構(gòu)。

(3)針對試車線SDK0+221～SDK0+329.509 段,線路高程較高,考慮采用低路堤結(jié)構(gòu),同時考慮節(jié)約用地,故采用“U 形槽+頂板”的低路堤結(jié)構(gòu)。

3 種特殊路基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意見圖2。

圖2 特殊路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

3 中低速磁浮新型路基沉降試驗(yàn)及靜力試驗(yàn)

為更好地了解中低速磁浮交通新型路基及承軌梁臺結(jié)構(gòu)的實(shí)施效果,開展路基沉降、路基及承軌梁臺結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)響應(yīng)現(xiàn)場試驗(yàn)研究。 通過現(xiàn)場試驗(yàn),驗(yàn)證該新型路基結(jié)構(gòu)及承軌梁臺結(jié)構(gòu)的實(shí)施效果,以期為后續(xù)類似工程積累豐富的數(shù)據(jù)成果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及流程

路基段元器件布置見圖3。

圖3 路基元器件布置示意(單位:m)

(1)單點(diǎn)沉降計(jì)

在試車線、出入段線路基SDK0+170 處以及RDK0+450 處分別新鉆3 個φ10 cm 的孔洞,孔深分別為10 m、5 m、3 m,縱向間距1 m,成孔后在樁底放置單點(diǎn)沉降計(jì),并使用水泥砂漿將孔內(nèi)泥漿擠出。

(2) 沉降觀測標(biāo)

在試車線SDK0 + 170、SDK0 + 182,出入段線RDK0+438、RDK0+450 路基結(jié)構(gòu)擋墻墻踵、墻趾及墻頂分別預(yù)埋沉降觀測標(biāo),每處3 個,左右斷面對稱布置,共計(jì)6 處。

(3)土壓力計(jì)

安裝在試車線路基結(jié)構(gòu)底板與樁基礎(chǔ)接觸面位置處,其中,樁頂、樁間各1 個,左右斷面對稱布置,共4 處。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)沉降試驗(yàn)結(jié)果分析

沉降觀測標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。 由表1 可知,施工完成后至2017 年12 月中旬,沉降值增長幅度明顯變緩,并趨于穩(wěn)定;路基結(jié)構(gòu)的總沉降值為2～5 mm,工后沉降、不均勻沉降等滿足要求;出入段線的不均勻沉降情況較試車線好,主要是由于出入線段的地基條件較好。

表1 沉降觀測標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

(2)靜力試驗(yàn)結(jié)果分析

試車線土壓力計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2,土壓力計(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明:樁間土壓力隨著沉降的發(fā)展而減小;樁頂土壓力隨著沉降的發(fā)展也減小。

表2 土壓力計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析kPa

4 中低速磁浮新型路基數(shù)值分析

4.1 模型建立

根據(jù)試驗(yàn)測試方案分析施工過程中結(jié)構(gòu)受力和變形特征,采用COMSOL 有限元軟件建立數(shù)值計(jì)算模型,并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,模型計(jì)算模型見圖4。 其中,設(shè)順線路長度方向?yàn)閥軸,橫斷面方向?yàn)閤軸,豎直方向?yàn)閦軸。 模型的計(jì)算區(qū)域尺寸為:45 m(長)×5.7 m(寬)×32 m(高)。 計(jì)算模型劃分網(wǎng)格時,巖土單元采用“摩爾-庫倫” (Mohr-Coulomb)本構(gòu);加固樁采用彈性梁結(jié)構(gòu)單元,并和周圍土體共節(jié)點(diǎn)模擬協(xié)調(diào)變形;其他結(jié)構(gòu)部件采用3D 實(shí)體單元,以六面體單元為主,金字塔單元過渡。 在整體計(jì)算模型中,地基土體模型的兩側(cè)邊界設(shè)為側(cè)向約束,底邊邊界設(shè)為固定約束。 靜力荷載將換算后的列車荷載以均布荷載形式施加于軌道梁表面。 各部件及土層的計(jì)算參數(shù)見表3、表4[18-19]。

表3 模型各部件計(jì)算參數(shù)

表4 模型土層計(jì)算參數(shù)

圖4 數(shù)值計(jì)算模型示意

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖5 為SDK0+170 斷面從開始施工到靜力荷載施加的左右兩側(cè)沉降變化曲線,根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及實(shí)測結(jié)果 (沉降值取3 個位置沉降觀測標(biāo)平均值),數(shù)值模型計(jì)算的沉降觀測標(biāo)位置固結(jié)沉降變化規(guī)律與實(shí)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本吻合。 由圖5 可知,SDK0+170 斷面施工期間固結(jié)沉降變化速率較快,在上部路基結(jié)構(gòu)施工期間SDK0+170 固結(jié)沉降約為4.1 mm,靜置期間基本無明顯變化,上部軌道梁施工后沉降隨時間繼續(xù)增大,增加至5.4 mm 左右基本穩(wěn)定。 由此可知,靜置后的工后沉降甚小,遠(yuǎn)低于CJJT262—2017《中低速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范》中工后沉降限值(30 mm)。

圖5 SDK0+170 斷面沉降曲線

圖6(a)、圖6(b)分別為斷面RDK0+450 和RDK0+438 沉降觀測標(biāo)位置固結(jié)沉降變化曲線,與實(shí)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本吻合。 由圖6 可知,施工期間固結(jié)沉降變化速率較快,在上部路基結(jié)構(gòu)施工期間RDK0+450 固結(jié)沉降分別為2.8 mm、3.0 mm,靜置期間基本無明顯變化,上部軌道梁施工后沉降隨時間繼續(xù)增大,增加至3.1 mm、3.4 mm 左右基本穩(wěn)定,由此可知,靜置后工后沉降較小,滿足規(guī)范要求。 對于RDK0+438 斷面,上部路基結(jié)構(gòu)施工期間其左右沉降分別為3.7 mm、3.9 mm,同樣,在靜置期間基本變化較小,上部軌道梁施工后沉降分別增至4.2 mm 和4.4 mm,沉降變化幅度較小,說明該地基加固措施合理,且施工工藝能夠滿足沉降控制要求。

圖6 出入段線沉降曲線

圖7(a)為SDK0+170 斷面單點(diǎn)沉降計(jì)位置不同沉降變化規(guī)律,單點(diǎn)沉降計(jì)埋設(shè)深度分別為3.0 m、5 m、10 m,上部路基結(jié)構(gòu)施工期間,施工期間測試最大值分別為3.24 mm、3.70 mm、3.77 mm。 由此可知,路基壓縮主要發(fā)生在復(fù)合地基加固區(qū),上部軌道梁施工后沉降分別增至4.26 mm、5.12 mm、5.16 mm,變化幅度有限,滿足工后沉降要求。

圖7(b)為RDK0+450 斷面單點(diǎn)沉降計(jì)位置不同深度沉降變化規(guī)律,施工期間測試最大值分別為1.89 mm、2.51 mm、2.52 mm,上部軌道梁施工后沉降分別增至2.2 mm、2.9 mm、2.92 mm。

圖7 不同深度單點(diǎn)沉降曲線

單點(diǎn)沉降計(jì)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)見表5。 由表5 可知,承軌梁施工完成后,監(jiān)測期間各深度處沉降無明顯變化。 沿深度方向,深度10 m 處沉降最小,深度3 m 和5 m 處沉降相近,表明路基壓縮主要發(fā)生在復(fù)合地基加固區(qū),與數(shù)值模擬趨勢相同。

表5 單點(diǎn)沉降計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析mm

圖8 為SDK0+170 斷面土壓力變化曲線,上部路基結(jié)構(gòu)施工期間和靜置期樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力變化不明顯,樁頂計(jì)算值為11 kPa,樁間土壓力為2 kPa,上部軌道梁施工后樁頂應(yīng)力增加明顯,樁土應(yīng)力比有所增加,樁頂壓力逐漸增至21.5 kPa,樁間土應(yīng)力逐漸增至3.5 kPa。

圖8 SDK0+170 斷面土壓力變化曲線

5 結(jié)論

對中低速磁浮新型路基低置結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)方案及適用條件進(jìn)行介紹,并根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模型對新型路基沉降及靜力加載時的力學(xué)行為進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論。

(1)根據(jù)區(qū)間路基所分布線路的股數(shù)及路基斷面形式確定采用特殊路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如為三線并列(路基較寬),宜選用懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu);如為兩線并列(路基較窄),宜選用U 形槽結(jié)構(gòu);如線路高程較高,宜采用低路堤結(jié)構(gòu);同時考慮節(jié)約用地,也可以采用U形槽組合頂板的低路堤結(jié)構(gòu)。

(2)路基結(jié)構(gòu)的總沉降值為2～5 mm,遠(yuǎn)低于CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范》要求工后沉降(≤30 mm),沉降主要發(fā)生在施工期間以及施加靜力荷載后。 施工完成后,路基結(jié)構(gòu)在自重作用下基本不發(fā)生沉降。

(3)路基壓縮主要發(fā)生在復(fù)合地基加固區(qū),樁頂和樁間土壓力隨自重引起沉降的增大而減小;施加靜力荷載后,旋噴樁能充分發(fā)揮作用,并承擔(dān)較大荷載,此時樁土應(yīng)力比增大。