高速鐵路并站路基設計方案探討

曾憲明

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京　100055)

1　概述

在高速鐵路網絡逐漸完善的今天，新建高速鐵路不可避免地接入既有高速鐵路，甚至會與既有高速鐵路部分并行。高速鐵路尤其是無砟軌道對路基工后沉降要求十分嚴格，鄰近既有高速鐵路進行的工程建設活動(如開挖、填筑及地基處理)會對既有高鐵產生附加沉降，造成無砟軌道不均勻變形，威脅到既有高速鐵路運營安全。

由于已運營無砟軌道高速鐵路對線路的平順性要求更高，其平順性是保證列車高速、平穩、舒適運營的關鍵，要求十分嚴格[1]。常用的軌道扣件在垂向和水平方向的可調量分別為15 mm和6 mm[2]。高鐵路基一旦變形超限將嚴重影響線路的安全運營，造成巨大的負面社會影響和經濟損失。因此，如何控制既有高鐵的變形，成為路基設計的關鍵。

目前，并行既有高鐵新建設線路基一般采用填筑輕質土+樁(筏)板復合地基處理等措施，以降低新建工程荷載對既有鐵路附加沉降變形的影響。如石濟客專引入京滬高鐵德州東站，兩相鄰線的最小線間距6.9 m，在兩線間搭接地段寬約20 m范圍路基填筑泡沫輕質土，地基采用預應力管樁加固[3]。正在設計的魯南高鐵，在曲阜市與京滬高鐵曲阜東站接軌，其接軌段及并場段路基工程采用的也是填輕質土+管樁樁筏結構方案[4-5]。

但由于新建線特別是并站段工程一般臨近既有線較近，大面積路基填土附加應力影響范圍廣、深度大，對既有線附加沉降變形不可避免；同時臨近既有線地基加固施工擾動的影響也不可小視。泡沫輕質土材料長期強度穩定性也存在不確定性[6]。從經濟性角度，輕質土、樁板(筏)復合地基的投資也較高，有必要進一步研究路基設計新措施。

2　工程概況

新建鄭濟客專正線速度目標值350 km/h，采用CRTSIII型板式無砟軌道。在河南新鄉引入京廣客專，并行京廣客專東側南北向引入，并于新鄉東站(京廣場)設鄭濟場[7](圖1)。

圖1　鄭濟場引入新鄉東站平面布置示意

新鄉東站地處黃河沖積平原，地勢平坦、開闊。地表覆蓋第四系Q4粉砂、粉質黏土，為厚8～12 m的松軟土(a0.1～0.2=0.35～0.4)，其下是第四系Q3中密至密實的細砂層。區內沉積了巨厚的松散堆積物，構造多呈隱伏狀態。沿線地震動峰值加速度為0.20g，地震烈度為Ⅷ度。地下水主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于透水性好的粉砂、細砂、中砂等砂層中，水位埋深4.8～8.7 m。

鄭濟客專與京廣客專相鄰到發線最小線間距10.5 m(京廣場7(5)股道與鄭濟場渡線股道)，車站新增3座站臺，5條到發線，2條正線，于京廣客專左側幫寬路基83 m，車站平均填高約7.5 m。鄭濟場按三臺八線，預留城際場按兩臺六線規模設計(圖1)。鄭濟場正線為無砟軌道，其余到發線均為有砟軌道。既有京廣場正線及與正線相鄰的到發線均采用無砟軌道，其余到發線、站線采用有砟軌道。正線基底采用CFG樁處理，樁間距1.5 m，正方形布置；站線及站臺基底采用水泥砂漿樁處理，樁間距1.5 m，正方形布置；CFG樁及砂漿樁樁長約17 m，樁頂設置碎石墊層及格柵。

3　設計方案

結合鄭濟高鐵與京廣客專并行，引入新鄉東站并站的線路方案，從減載、減沉、控制荷載的側向傳遞及減少施工擾動等角度出發，重點研究了路基方案及架空結構兩大方案。其中路基方案提出了填筑輕質高強的輕質土+CFG樁或管樁方案(圖2)；同時研究了對地基擾動小、結構剛度與整體剛度大的填筑輕質土+樁板(筏)結構方案(圖3)。架空結構方案主要有框架結構及剛架結構兩個方案(圖4、圖5)。

圖2　輕質土+CFG樁或管樁方案示意

圖3　輕質土+樁板(筏)方案示意

圖4　框架結構方案示意

圖5　剛架結構方案示意

泡沫輕質土為新材料，20世紀七八十年代日本開始將泡沫輕質土大規模應用于替代填土的工程領域。國內公路系統引進后經多年實際運用，2015年已正式納入泡沫輕質土技術[8]。但由于泡沫輕質土費用較高，為降低投資，補充研究了減少泡沫輕質土填筑范圍的加筋陡坡方案(圖6、圖7)。

圖6　加筋陡坡+CFG樁或管樁方案示意

圖7　加筋陡坡+樁板(筏)結構方案示意

4　有限元數值分析

為分析新建路基對既有高鐵沉降變形的影響，分別考慮不同性質的填料及填筑范圍、不同的路基設計方案，采用Plaxis有限元程序進行數值分析[9]。選擇內置摩爾-庫倫彈塑模型，邊界取足夠大范圍，兩側邊界限定其水平位移，底部限定其水平與豎向位移。采用二維簡化，平面應變的方式進行模擬計算[10]。

4.1　不同路基填料對既有高鐵路基附加沉降變形的影響

調整路基填料重度，r取6、8、12、16、20 kN/m3，從輕質土至普通填料，計算不同重度填料附加荷載下的應力影響范圍、沉降變形影響區域及沉降大小，分析不同填料對既有高鐵沉降變形的影響規律。有限元沉降云圖見圖8(為節省篇幅，僅列輕質土r=6 kN/m3及普通填料，其余略)，有限元計算結果見圖9。

圖8　有限元沉降云圖

圖9　不同路基填料荷載下既有高鐵路基附加沉降

根據上述計算結果分析，路堤填料為輕質土時，路基面產生的附加沉降明顯小于普通填料，沉降減小比例在30%～50%；且普通填料填筑時需分層壓實，對既有線擾動較大，而填輕質土不存在碾壓過程。因此，采用輕質土作為路堤填料在減沉及免擾方面優勢明顯。

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4.2　輕質土填筑范圍對既有高鐵附加沉降變形的影響

調整輕質土填筑范圍，以坡率1∶0.75斜線為分界線，從既有線坡腳開始，逐步向左側移動，逐漸增加填輕質土范圍，直至京廣線7(5)股道與鄭濟線11股道間全填輕質土。分別計算輕質土不同填筑范圍不同附加荷載下的應力影響范圍、沉降變形影響區域及沉降大小，分析輕質土不同填筑范圍對既有高鐵沉降附加變形的影響程度。有限元計算結果見圖10。

圖10　輕質土不同填筑范圍下既有高鐵路基附加沉降

根據圖10沉降曲線分析，全填輕質土時，對既有鐵路的沉降影響最小。隨著輕質土的填筑范圍增加，既有鐵路的位移不斷減小。填筑區范圍超過5.5 m后，對既有線路基面沉降的影響差別不大，存在減少輕質土填筑范圍，控制工程造價的可能。

4.3　不同的路基設計方案對既有高鐵沉降變形的影響

采用有限元軟件對各設計方案分別進行附加沉降計算，有限元沉降云圖見圖11(為節省篇幅，僅附輕質土+CFG樁及加筋陡坡+樁筏結構，其余略)，計算結果見圖12及表1。

圖11　有限元計算附加沉降云圖

圖12　各路基結構設計方案既有線路基面附加沉降曲線

序號路基結構設計方案京廣客專路基面附加沉降/mm7(5)道6(3)道渡線IV(II)道3(4)道有砟軌道無砟軌道1輕質土+CFG樁19.061.770.930.761.132輕質土+樁筏20.251.910.860.480.883輕質土+樁板18.692.591.451.050.694加筋陡坡+CFG樁243.392.061.742.115加筋陡坡+樁筏24.433.311.791.311.786加筋陡坡+樁板24.664.772.962.361.497框架結構13.71.10.30.30.68剛架結構18.43.72.72.41.8

根據工務維修一般要求，無砟軌道變形控制參數為通報、預警、報警值分別為3、4 mm和5 mm[11]。上述有限元計算結果中，除距新建線最近的7(5)股道(有砟軌道)附加沉降較大外，其余各方案對既有京廣客專無砟軌道正線6(3)、渡線股道的附加沉降基本均在預警值范圍內。但方案1及方案7對既有線無砟軌道附加沉降控制效果最好，對既有高鐵安全運營影響最小。

5　創新設計

5.1　架空結構

5.2　加筋陡坡

利用新型土工筋材與壓實填料間的摩阻力，構成土-筋復合體[15]，以平衡填料水平土壓力，形成加筋土陡坡，控制普通填土側向荷載傳遞，路堤穩定邊坡坡率可從1∶1.5調整至1∶0.5甚至更陡，可以有效減少輕質土填筑范圍，顯著提高其經濟性。研究提出的“加筋陡坡+樁筏結構”適用性強，較目前常用的并站路基結構形式投資省，具有明顯的社會經濟效益。

6　方案比選

表2　并行既有高鐵新建路基設計方案綜合比較

7　結論

根據新建鄭濟客專并行既有京廣客專新鄉東站的具體情況，結合有限元計算，對并行既有高鐵新建路基設計方案進行了研究，得出以下結論。

(1)“輕質土+CFG”、“加筋陡坡+樁筏結構”和“框架結構”方案技術可行，三者均是可供選擇的方案。

(2)“加筋陡坡+樁筏結構”方案采用加筋陡坡收坡，減少輕質土填筑范圍，大大降低了工程造價，雖附加沉降略大，但仍在可控范圍內，方案具有一定的創新性，值得進一步深化研究。

(3)目前高鐵并站情況日益普遍，大多數以填筑輕質混凝土方案為主，輕質混凝土投資較高，沉降控制也比較復雜。研究提出的“框架結構”等架空結構形式具有結構輕便，沉降易控制的特點，具有創新性，是以后深入研究的方向。

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