高速鐵路橋梁并行地段的線間距研究

劉 佳

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

高速鐵路以高速度、高舒適度、高安全性和高密度連續運營等特點，要求軌道具有持久穩定的高平順性。這對高速鐵路橋梁基礎工后沉降及不均勻沉降提出了非常嚴格的控制要求［1-2］。新建高速鐵路位于華北平原中部，連接兩個省會級的重要城市，是我國“四縱四橫”客運專線網中的重要組成部分。其中某段線路與既有高速鐵路共通路，并行段橋梁長度68 km。在并行路段設計中，一方面要求保證新建高鐵的建設不對既有高速鐵路產生影響或影響較小，保證既有高速鐵路的運營安全;另一方面要盡量壓縮兩條鐵路之間距離，以節省占地。本文以此為研究對象，得出兩線的合理線間距。

1 沉降量有限元計算

本文使用巖土有限元程序Plaxis.8.x，其中土體是服從Mohr-Coulomb準則及非關聯流動法則的理想彈塑性模型，土體的固結、滲流和蠕變等基本特性能被很好的模擬。將既有高鐵結構物作為基本初始狀態，計算土層的初始應力狀態。然后在這種狀態下建立新建高鐵的結構物模型，計算土層的應力及沉降變化情況，進而考查土層變形對既有高鐵結構物的影響。

1.1 計算模型

首先在有限元模型中建立橋梁樁基礎和承臺的模型，將上部結構的恒載轉換為承臺的自重施加到模型上。模型左邊為新建高鐵的下部結構，右邊為既有高鐵的下部結構，整個模型的原點設置在新建高鐵的線路中線上。承臺底距離地表2.2 m，樁長48 m，橫向建立4根樁，樁間距根據《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》［3］要求按照2.5倍成孔樁徑設計，即2.8 m。承臺的范圍只考慮到兩邊樁的最外側，寬度為2.8×3=8.4 m。模型總寬度140 m，土層總深度70 m。模型邊界按照不發生滲流考慮。按照相鄰線線間距為15，20，25和30 m 4種間距建模，有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

為了使計算更加具有代表性，對本段地質資料進行了統計分析，形成概化的地質資料參數。將土層分為14層，地下水位深度2.2 m，具體土層參數見表1。

在確定土的有效范圍時，按照等效作用分層總和法，將樁基視作實體基礎，采用從群樁樁頂外圍按φ/4向下擴散［3-4］，土體土層的加權平均得到的6°擴散角，從承臺以下樁的外側邊緣擴散至樁尖深度，最終形成一個高48.0 m、寬15.9 m的土柱，如圖2所示。為了簡化為二維平面應變模型，將樁的剛度和重量平均分布到15.9 m的寬度上，然后取單延米進行計算。

根據土體受壓過程，將計算分為3個施工階段，見表2。

表1 土層參數

表2 施工階段說明

圖2 計算示意(單位:m)

1.2 計算結果

通過計算，線間距為15，20，25和30 m 4種情況下，新建高鐵的橋梁施工造成既有高鐵橋梁樁尖以下最大沉降量如表3所示，可以看出，隨著線間距的增大，沉降量基本呈線性減小的趨勢。圖3為15 m線間距時既有高鐵的沉降量分布。圖中x坐標原點為既有線邊樁中心。

從沉降角度來看，兩線的線間距應≥25 m。

表3 既有高鐵沉降計算結果

圖3 15 m線間距時既有高鐵橋梁樁尖以下沉降量

2 施工安全研究

與既有高鐵并行地段新建高速鐵路的橋梁長度約68 km，考慮既有高鐵已經運營通車，列車時速高，沉降要求嚴格，并行范圍長，施工期間鉆機、吊機作業等勢必對既有高鐵運營產生影響，根據相關文件規定［5］，此類施工按照對既有高鐵行車安全的影響，為A類施工。按照鉆機、吊機施工機械傾覆、旋轉等可能侵入既有高鐵箱梁梁體或影響接觸網安全進行分析，以確定合理的線間距。

根據統計，并行段既有高鐵和新建高鐵平均橋高為11 m，其中梁頂至地面平均高度為10 m。

2.1 鉆機作業

鉆機作業時，鉆機大臂長17 m，鉆頭高1.5 m，鉆頭距離地面1.5 m，鉆機作業時總高度為20 m，旋轉半徑為4 m。如圖4所示，鉆桿傾覆時，若考慮2 m安全值，則相鄰線最小線間距需要25 m。

2.2 吊車作業

吊機作業時，鋼筋籠長16.5 m，吊索長5 m，鋼筋籠距離地面1 m，終起吊高度為23 m。

施工時可能有以下情況發生:

1)吊索斷裂，鋼筋籠從吊機掉落下來向既有高鐵傾覆;

2)吊機失穩，吊桿向既有高鐵傾覆。

如圖5所示，鋼筋籠傾覆和吊機失穩吊桿傾覆兩種情況的傾覆曲線，以鋼筋籠傾覆最為不利，考慮起吊高度、鋼筋籠吊裝位置等變化因素，鋼筋籠傾覆時增加2 m安全距離，既有高鐵與新建高鐵相鄰線的線間距取25 m，可以確保并行段基礎施工時高鐵的運營安全。

圖4 鉆機作業

圖5 吊機作業

3 結論與建議

綜合以上沉降分析及安全施工影響分析，與既有高鐵橋梁并行地段，新建高鐵修建橋梁時，相鄰線的線間距宜采用25 m。同時還應注意以下幾點:

1)上述線間距的結論是在本段概化地質資料基礎上取值計算所得，考慮最不利的地質情況，實際采用時宜適當考慮富余量。

2)新建高鐵施工期間嚴禁抽水作業，可采取隔水措施，防止水位降低引起地層沉降對既有高鐵運營產生影響。

3)新建高鐵橋梁施工期間應采用鋼板樁等防護措施，減少基坑開挖面積，同時坑底位于地下水位以下的，應采用封底混凝土進行止水。

4)加強現場監測，提前做好相關預案。

［1］冷伍明，楊奇，聶如松，等.高速鐵路橋梁樁基工后沉降組合預測研究［J］.巖土力學，2011(11):3341-3348.

［2］姚連凱.客運專線橋梁基礎沉降計算和分析［J］.鐵道建筑，2007(12):13-15.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］張忠苗.樁基工程［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［5］北京鐵路局.京鐵師函［2009］700號 新建鐵路鄰近營業線施工分類管理規定［Z］.北京:北京鐵路局，2009.