周?chē)?guó)鋒 譚生永

(中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南 250001)

隨著互聯(lián)互通需求的急劇增加，道路交通建設(shè)突飛猛進(jìn)，公路、城市道路與鐵路交叉越來(lái)越頻繁。在條件允許的情況下，采用道路下穿鐵路的立交方式是解決道路與鐵路交叉問(wèn)題的首選。由于下穿鐵路立交橋具有與既有道路順接方便、滿(mǎn)足規(guī)劃要求、后期運(yùn)營(yíng)對(duì)鐵路運(yùn)輸安全影響小等優(yōu)勢(shì)，因此在既有鐵路線(xiàn)下方頂進(jìn)框架立交橋施工的形式越來(lái)越普遍。然而，由于設(shè)計(jì)、施工對(duì)頂進(jìn)框架橋兩側(cè)路基過(guò)渡段重視程度不足，再加上運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)該處過(guò)渡段的養(yǎng)護(hù)工作暫無(wú)具體要求，導(dǎo)致過(guò)渡段在運(yùn)營(yíng)期間病害較多。特別是進(jìn)入汛期，經(jīng)常發(fā)生頂進(jìn)框架橋兩側(cè)路基過(guò)渡段下沉，影響行車(chē)，嚴(yán)重的甚至發(fā)生列車(chē)脫軌，造成車(chē)毀人亡的重大安全事故。而且，路基與框架橋相比，二者剛性差別較大，組成材料的性能、受力結(jié)構(gòu)等方面均不相同，所以很容易會(huì)造成路基和橋臺(tái)連接處的不均勻沉降，產(chǎn)生較大的位移差，形成臺(tái)階，發(fā)生“橋頭跳車(chē)”，從而威脅鐵路列車(chē)的安全行駛。

梁江澤[1]分析了朔黃鐵路路橋過(guò)渡段的病害原因，其病害形成原因主要是因?yàn)樵谔钪┕み^(guò)程中，由于壓實(shí)工藝不完善造成過(guò)渡段回填筑料壓實(shí)強(qiáng)度不均勻，未能達(dá)到規(guī)范的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。并提出了道床清篩施工、旋噴樁施工、橋梁錐體整修施工等病害整治方法。當(dāng)路橋過(guò)渡段回填筑料采用級(jí)配碎石時(shí)，付德利[2]通過(guò)過(guò)渡段路基填筑試驗(yàn)確定了路基過(guò)渡段填筑材料虛鋪厚度、碾壓遍數(shù)、碾壓速度等各項(xiàng)施工參數(shù)。萬(wàn)迪偉[3]通過(guò)采用提升路基段剛度的方法、即使用粗顆粒材料填筑過(guò)渡段。海濤[4]根據(jù)酒泉電廠鐵路專(zhuān)用線(xiàn)下穿鐵路蘭新線(xiàn)鐵路立交工程提出分層回填并分層壓實(shí)及過(guò)渡段區(qū)域進(jìn)行注漿來(lái)提高路基的承載力及穩(wěn)定性。代微微[5]梳理了路橋過(guò)渡段病害形成機(jī)理及技術(shù)處理，其中對(duì)路橋過(guò)渡段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和邊坡處理提出想法。劉滿(mǎn)林等[6]采用傾斜樁和水平樁的加固處理方式來(lái)解決過(guò)渡段因?yàn)槁坊盍线x用要求低、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)低、檢測(cè)頻率小造成的病害問(wèn)題。然而，大部分解決過(guò)渡段差異沉降的方式方法都是從施工工藝、加固方式的角度上研究和處理。故對(duì)于不同過(guò)渡段的回填筑料對(duì)過(guò)渡段差異沉降的影響分析是極為必要的。

徐榮娟[7]提到使用EPS、氣泡混合混凝土等輕型材料填筑可以減少填料對(duì)地基變形的影響。胡汶晗[8]研究了密度大于700 kg/m3的加筋泡沫輕質(zhì)混凝土作為過(guò)渡段的回填筑料能有效減少結(jié)構(gòu)的震動(dòng)，并且隨著加筋泡沫混凝土填料密度的提高，過(guò)渡段震動(dòng)響應(yīng)逐漸減小。王于等[9-10]依據(jù)翟婉明的“車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)”理論確定了過(guò)渡段的長(zhǎng)度主要是受列車(chē)運(yùn)行速度的控制，速度越快，過(guò)渡段長(zhǎng)度應(yīng)越長(zhǎng)。羅強(qiáng)等[11]以車(chē)輛與線(xiàn)路的相互作用的動(dòng)力學(xué)關(guān)系為基礎(chǔ)提出了過(guò)渡段的填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，其中就包括選取素混凝土、級(jí)配碎石及路基土分別作為過(guò)渡段回填筑料的情況。但仍未分析由于過(guò)渡段回填筑料的不同，而產(chǎn)生的相應(yīng)靜力學(xué)作用，尤其是鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)頂進(jìn)框架橋的情況。

綜上所述，回填筑料引起過(guò)渡段差異沉降的因素為回填材料的重度、剛度及施工過(guò)程中壓實(shí)程度等。本文利用有限元分析軟件midas GTS NX，建立了包含鐵路路基、鋼軌、枕木等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)頂進(jìn)框架橋三維有限元模型，在假設(shè)施工過(guò)程中壓實(shí)程度良好的情況下研究素混凝土、級(jí)配碎石、泡沫輕質(zhì)混凝土3種不同的材料作為過(guò)渡段回填筑料產(chǎn)生的靜力學(xué)作用，并分析3種不同回填筑料造成的過(guò)渡段差異沉降。

1 有限元模型及參數(shù)

1.1 定義模型

采用midas GTS NX有限元分析軟件建立鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)頂進(jìn)框架橋三維模型，首先定義模型的方向和分析范圍。

模型中X軸為順既有鐵路方向，Y軸為頂進(jìn)框架橋方向即垂直既有鐵路方向，Z軸為重力方向。模型分析范圍參考城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范中的可能影響范圍，即2～3倍的開(kāi)挖深度[12-13]。為了涵蓋可能影響的范圍，模型尺寸設(shè)計(jì)為X軸方向取70 m，Y軸方向取70 m，Z軸方向取25 m。鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)頂進(jìn)框架橋的模型見(jiàn)圖1。

圖1 鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)頂進(jìn)框架橋計(jì)算模型分析范圍

1.2 模型條件假定

本文利用有限元軟件midas GTS NX進(jìn)行模擬，在計(jì)算模型中假定如下。

1) 計(jì)算模型中的土體為連續(xù)均質(zhì)、各向同性。

2) 鋼軌、枕木、頂進(jìn)框架橋、過(guò)渡段回填筑料等選用基于胡克定律的彈性本構(gòu)，土體選用修正摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系。

3) 鋼軌、枕木與道砟之間設(shè)置界面單元分析。

4) 模型計(jì)算過(guò)程中不考慮地下水影響。

5) 模型計(jì)算過(guò)程中不考慮抗震作用影響。

1.3 計(jì)算模型

圖2為本項(xiàng)目的三維計(jì)算模型，根據(jù)相關(guān)巖土資料確定土層參數(shù)見(jiàn)表1，鋼軌、枕木、框架橋、過(guò)渡段回填筑料等參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)頂進(jìn)框架橋計(jì)算模型

表1 土層參數(shù)(修正摩爾-庫(kù)侖本構(gòu))

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)(彈性本構(gòu))

模型建模順序：首先建立既有鐵路線(xiàn)軌道及枕木等一維單元構(gòu)件，然后按構(gòu)件從小到大的順序建立三維實(shí)體單元，接著設(shè)置模型邊界條件并添加荷載，最后通過(guò)施工工況對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，比較分析數(shù)據(jù)結(jié)果。模型組成部分如下。

1) 一維梁?jiǎn)卧?。鋼軌和枕木選用軟件中的一維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，需要注意的是在建模過(guò)程中一維梁?jiǎn)卧c三維實(shí)體單元的耦合問(wèn)題，兩者之間必須建立接觸關(guān)系。

2) 三維實(shí)體單元。除鋼軌與枕木之外的結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，例如，土體、道砟、路基、框架橋及過(guò)渡段等。本模型選用六節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的四面體單元，此建模方法產(chǎn)生的位移和應(yīng)力結(jié)果與實(shí)際情況較為接近。結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型

3) 靜力邊界條件。靜力邊界條件又稱(chēng)為應(yīng)力分析邊界，通常為靜力分析時(shí)所使用的人工邊界條件，用于模擬周?chē)貙訉?duì)模型選取的分析區(qū)域的各個(gè)方向的約束作用。

4) 添加荷載。對(duì)整個(gè)模型設(shè)置重力荷載，在鋼軌上設(shè)置鐵路列車(chē)荷載、在框架橋底板上添加公路汽車(chē)荷載，其中鐵軌上動(dòng)載沖擊憑借軟件自帶的計(jì)算模塊，通過(guò)定義火車(chē)的速度、車(chē)廂數(shù)量、車(chē)輪距離等系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

5) 設(shè)置施工工況。由于本模型重點(diǎn)分析鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)頂進(jìn)框架橋過(guò)渡段受不同過(guò)渡段回填筑料的靜力作用影響，所以并不對(duì)整個(gè)頂進(jìn)框架橋的過(guò)程進(jìn)行工況分析，只對(duì)原既有狀態(tài)與頂進(jìn)框架后的狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)。

2 工況設(shè)定

由于本項(xiàng)目是在既有鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)下頂進(jìn)框架橋，所以主要考慮頂進(jìn)框架橋?qū)扔需F路營(yíng)業(yè)線(xiàn)造成的附加沉降的分析。并且考慮模型中土的固結(jié)的性質(zhì)，故將分析工況分為土層初始應(yīng)力狀態(tài)、既有鐵路現(xiàn)狀、位移清零及頂進(jìn)框架橋4個(gè)階段。其中，土層初始應(yīng)力狀態(tài)表示土層上原始的狀態(tài)即沒(méi)有任何工程的階段；既有鐵路線(xiàn)現(xiàn)狀階段表示當(dāng)鐵路線(xiàn)施工完成時(shí)產(chǎn)生的工后沉降；位移清零是將之前工程造成的影響清零，有助于得到后續(xù)工程造成的附加影響；頂進(jìn)框架橋階段就是新建道路對(duì)既有鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)造成的附加沉降，具體分析工況劃分情況見(jiàn)表3。

表3 有限元分析工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同過(guò)渡段回填筑料造成的附加沉降分析

圖4為頂進(jìn)框架橋時(shí)依次選用級(jí)配碎石、C25素混凝土、泡沫輕質(zhì)混凝土作為過(guò)渡段回填筑料產(chǎn)生的過(guò)渡段區(qū)域附加沉降。

圖4 不同回填筑料下過(guò)渡段附加沉降云圖(單位：mm)

由圖4可見(jiàn)，過(guò)渡段回填筑料采用泡沫混凝土?xí)r造成的過(guò)渡段區(qū)域附加沉降最小，在靠近頂進(jìn)框架橋一側(cè)的過(guò)渡段附加沉降分別為-1.504 1 mm和-1.485 3 mm，在靠近既有路基一側(cè)的過(guò)渡段附加沉降分別為-0.523 7 mm和-0.524 6 mm。

當(dāng)回填筑料采用C25混凝土和級(jí)配碎石時(shí)，靠近頂進(jìn)框架橋一側(cè)過(guò)渡段產(chǎn)生的附加沉降基本一致，回填筑料為C25混凝土過(guò)渡段產(chǎn)生的附加沉降分別為-3.055 4 mm和-3.062 1 mm，回填筑料為級(jí)配碎石過(guò)渡段產(chǎn)生的附加沉降分別為-3.032 9 mm和-3.041 0 mm。然而，這2種回填筑料在靠近既有路基一側(cè)的過(guò)渡段造成的附加沉降有明顯差別，采用C25混凝土比選用級(jí)配碎石在靠近既有路基側(cè)產(chǎn)生的附加沉降小約64%。其中，回填筑料為C25混凝土過(guò)渡段產(chǎn)生的附加沉降分別為-1.242 3 mm和-1.244 3 mm，回填筑料為級(jí)配碎石過(guò)渡段產(chǎn)生的附加沉降分別為-1.947 2 mm和-1.942 0 mm。

通過(guò)對(duì)上述附加沉降的對(duì)比分析，可以看出不只是過(guò)渡段回填筑料的重度影響附加沉降的大小，回填筑料的彈性模量也是影響過(guò)渡段附加沉降值的重要因素。所以重度較輕且彈性模量較高的泡沫輕質(zhì)混凝土就成為了過(guò)渡段回填筑料的最佳選擇。

3.2 數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)

為了驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果的有效參考性，將數(shù)值分析結(jié)果與山東某地的頂進(jìn)框架橋下穿既有鐵路路基的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)豎向變形結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目的過(guò)渡段回填材料為C25混凝土，所以本文只對(duì)鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)頂進(jìn)框架橋兩側(cè)過(guò)渡段回填筑料為混凝土的情況進(jìn)行比對(duì)。圖5中只選取了4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，分別是兩側(cè)過(guò)渡段靠近框架橋的2個(gè)點(diǎn)及靠近既有路基的2個(gè)點(diǎn)。

圖5 數(shù)值分析附加沉降與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)附加沉降對(duì)比圖(單位：mm)

由圖5可見(jiàn)，在靠近既有路基的2個(gè)節(jié)點(diǎn)處附加沉降基本吻合?？拷扔新坊?個(gè)節(jié)點(diǎn)處數(shù)值分析的附加沉降為-1.242 3 mm和-1.244 3 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)附加沉降結(jié)果為-1.18 mm和-1.31 mm。但是在過(guò)渡段靠近框架橋2個(gè)節(jié)點(diǎn)處數(shù)值模擬分析的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)附加沉降結(jié)果存在約1倍的差距。靠近框架橋的2個(gè)節(jié)點(diǎn)處數(shù)值分析的附加沉降為-3.032 9 mm和-3.041 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)附加沉降結(jié)果為-1.83 mm和-1.94 mm。

由圖5可知，盡管兩者從結(jié)果上看差距將近1倍，但不過(guò)是1.2 mm的差距。通常在實(shí)際施工過(guò)程中，施工單位會(huì)對(duì)頂進(jìn)框架橋處進(jìn)行地基處理及防護(hù)措施，從而造成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果小于數(shù)值分析結(jié)果。而且距離施工位置越遠(yuǎn)實(shí)際影響越小，這體現(xiàn)在靠近既有路基的2個(gè)節(jié)點(diǎn)處附加沉降基本吻合，靠近框架橋的2個(gè)節(jié)點(diǎn)略有差距。監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值分析的計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)和范圍能較好吻合，驗(yàn)證了本文數(shù)值計(jì)算模型的可靠性?；跀?shù)值解與真實(shí)解的準(zhǔn)確性驗(yàn)證，有理由認(rèn)為，過(guò)度段回填筑料為級(jí)配碎石和泡沫輕質(zhì)混凝土的模型計(jì)算結(jié)果同樣具有較好的可信度。

綜上所述，鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)頂進(jìn)框架橋過(guò)程中，由于基坑開(kāi)挖、土體卸荷、路橋結(jié)構(gòu)剛度不同，會(huì)產(chǎn)生附加沉降。過(guò)渡段的設(shè)置降低了附加沉降的影響。

針對(duì)頂進(jìn)框架橋施工提出以下建議：①頂進(jìn)框架橋前應(yīng)加強(qiáng)基坑防護(hù)并在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)基坑及周?chē)馏w位移實(shí)施嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，若有異常變形及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。②在頂進(jìn)框架橋過(guò)程中做好架空、挖土、清底、測(cè)量、頂進(jìn)、測(cè)量頂進(jìn)、重復(fù)頂進(jìn)施工的施工步驟。面對(duì)常見(jiàn)的頂進(jìn)施工問(wèn)題，例如：預(yù)定不動(dòng)、后背破壞、頂進(jìn)偏向或者低、抬頭的問(wèn)題，根據(jù)產(chǎn)生的原因進(jìn)行快速處理，避免更大的危險(xiǎn)發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

基于有限元方法對(duì)某鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)頂進(jìn)框架橋過(guò)渡段進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性，并得到了以下結(jié)論。

1) 重度較輕且彈性模量較高的泡沫輕質(zhì)混凝土是過(guò)渡段回填筑料的最佳選擇。當(dāng)選擇泡沫輕質(zhì)混凝土為過(guò)渡段回填筑料時(shí)，產(chǎn)生的附加沉降明顯小于C25混凝土和級(jí)配碎石。其中，泡沫輕質(zhì)混凝土為過(guò)渡段回填筑料時(shí)，在靠近框架橋處附加沉降比填料為C25混凝土和級(jí)配碎石的附加沉降分別減小51%和48.7%；泡沫輕質(zhì)混凝土為過(guò)渡段回填筑料在靠近既有路基處附加沉降比填料為C25混凝土和級(jí)配碎石的附加沉降分別減小約57.8%和73%。從而證明材料重度與材料的彈性模量均為影響附加沉降的重要因素。

2) 通過(guò)數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果過(guò)對(duì)比可知，靠近既有路基的2個(gè)節(jié)點(diǎn)處附加沉降基本吻合，而過(guò)渡段靠近框架橋2個(gè)節(jié)點(diǎn)處數(shù)值模擬分析的附加沉降與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的附加沉降分別增加約68%和57%。原因是在實(shí)際施工過(guò)程中，施工單位對(duì)頂進(jìn)框架橋處進(jìn)行地基處理及相應(yīng)防護(hù)措施，從而造成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果小于數(shù)值分析結(jié)果。因此有理由認(rèn)為，過(guò)渡段回填筑料為級(jí)配碎石和泡沫輕質(zhì)混凝土的模型計(jì)算結(jié)果同樣具有較好的可信度。不過(guò)仍需開(kāi)展后續(xù)相關(guān)實(shí)際的工程進(jìn)行比對(duì)分析，尤其是過(guò)渡段采用泡沫輕質(zhì)混凝土土?xí)r產(chǎn)生的附加沉降的監(jiān)測(cè)值。

3) 為了確保鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)頂進(jìn)框架橋在實(shí)際施工過(guò)程中的安全實(shí)施，需嚴(yán)格遵守施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。避免由于施工水平及施工疏忽造成鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)頂進(jìn)框架橋過(guò)渡段嚴(yán)重事故發(fā)生。