架空結(jié)構(gòu)在新建高鐵引入既有高鐵車站的應(yīng)用

唐廣輝

(中國鐵路總公司工程管理中心,北京 100844)

1 問題的提出

根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》[1]，我國高速鐵路網(wǎng)將由現(xiàn)有的“四縱四橫”向“八縱八橫”躍進(jìn)，很多既有高鐵站需要接入新的線路，新線工程會給既有結(jié)構(gòu)增加新的荷載，引起新的變形，而高速鐵路鋪設(shè)的無砟軌道本身就是毫米級的沉降控制，對變形的承受能力較差，新線施工過程中各種不利因素(開挖基坑、抽排地下水、大量堆載、樁基施工發(fā)生塌孔等)也可能對高鐵的運營安全產(chǎn)生影響，因此合理選擇引入方式和工程措施，避免由于新線工程引發(fā)既有高鐵產(chǎn)生過量變形、確保運營安全是一個重大的課題。

2 常用工程措施

為了避免新線工程對既有工程的影響，可以采取加大線間距的方式，但這樣會占用更多的土地，也會增大旅客換乘走行距離，所以目前的新線引入仍以近距離接入為主。由于地質(zhì)條件、既有地基處理措施、軌道類型、車站引入方式的差異，各個工程采取的方法各異，已有的工程實踐可歸納起來分為二大類。

一類是使用常規(guī)填料，通過工程措施阻斷應(yīng)力傳遞、吸收傳遞的應(yīng)力，或者使應(yīng)力向深部傳遞，減少應(yīng)力沿橫向傳遞至既有線，達(dá)到控制既有線變形的目的。地基處理方式主要以應(yīng)力隔離法，應(yīng)力釋放法，應(yīng)力向深部傳遞法為主[2-3]。應(yīng)力隔離法是在新老線之間設(shè)置剛性隔離樁(如鉆孔灌注樁，預(yù)應(yīng)力管樁)，利用隔離樁“阻斷”新線地基應(yīng)力向既有線傳遞，適用于既有線曾有過較強(qiáng)地基加固措施的松軟土地基。應(yīng)力釋放法是在既有線和新線之間設(shè)置1～2排應(yīng)力釋放孔，通過孔的變形“吸收”新線地基應(yīng)力，減少對既有線的影響[4]，較多應(yīng)用于既有線要求不高，地層為黃土等不易塌孔的地層。應(yīng)力向深部傳遞法采用較強(qiáng)的剛性樁和樁頂結(jié)構(gòu)，通過樁基把上部填土附加應(yīng)力引入深部較好持力層，避免對側(cè)向既有線產(chǎn)生影響，在深厚軟土地段應(yīng)用案例較多。

另一類是使用質(zhì)量更小的輕質(zhì)填料，常用的泡沫混凝土呈多孔結(jié)構(gòu)，質(zhì)量約為常規(guī)A、B組填料的1/3，大大減少了對地基的附加應(yīng)力，進(jìn)而減少對既有線的影響。

上述方法配合高精度的自動變形觀測是目前引入高鐵站的常用方法。但也存在一些問題，如填土數(shù)量大，環(huán)保要求高，樁基施工可能對既有線運營安全產(chǎn)生影響。為保證運營安全，大部分工程需要在天窗時間施工，管理流程長，作業(yè)時間短，施工效率低。是否還有新的結(jié)構(gòu)或措施，既可以滿足工程需要又可以安全快速的施工呢？本文結(jié)合鄭州至濟(jì)南鐵路引入京廣高鐵新鄉(xiāng)東站的實踐，介紹一種新的結(jié)構(gòu)形式——架空結(jié)構(gòu)。

3 引入新鄉(xiāng)東站工程概況

既有新鄉(xiāng)東站為京廣高鐵中間站，2012年12月開通運營，車站規(guī)模為3臺7線(含正線2條)，路基填土高度約7 m，站臺上部設(shè)置了無柱雨棚，為單層框架結(jié)構(gòu)。正線及與正線相鄰的到發(fā)線均采用無砟軌道，其余到發(fā)線采用有砟軌道。

新鄉(xiāng)東站地處黃河沖積平原，地層主要為粉土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。為了控制沉降變形，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 樁及砂漿樁樁長均為 17 m，樁頂設(shè)置0.6 m厚碎石墊層及一層100 kN/m高強(qiáng)度土工格柵。

新建鄭濟(jì)鐵路并行京廣高鐵從圖1的左側(cè)引入，新建車場為3臺8線，路基面總寬度82 m，與既有站等高，填方高度約7 m，既有車站現(xiàn)狀見圖1，橫斷面見圖2、圖3。

圖1 新鄉(xiāng)東站現(xiàn)狀(股道為7-5股道，擬建鄭濟(jì)場位于左側(cè))

圖2 新鄉(xiāng)東站并站地段橫斷面示意(右側(cè)陰影部分為既有線)

圖3 與既有線相接處橫斷面放大示意 (單位：m)

由圖3可知，本次引入既有站工程的3個關(guān)鍵因素：一是7(5)道鋪設(shè)有砟軌道 (寬軌枕)，屬于站內(nèi)到發(fā)線，距離新建線路最近，與新建8道線間距10.5 m；二是6(3)道鋪設(shè)的無砟軌道，是最為敏感的結(jié)構(gòu)物，距離新建8道26.0 m；三是無柱雨棚基礎(chǔ)位于既有線路肩處，距離新建8道約6.0 m，對變形也比較敏感。

4 變形控制值的確定

對既有路基的變形控制，與新線路基自身沉降變形控制有較大的不同，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)新線路基控制工后沉降，而既有線變形控制總沉降：新線路基的總沉降分為施工期沉降和工后沉降兩部分，工后沉降控制在較小范圍是列車正常運營的保證[5]。而對于本工程來說，由于新線建設(shè)引起的所有沉降變形都會對既有線產(chǎn)生影響，因此需要考慮的是總沉降。

(2)控制沉降速率的階段不同:新建線路控制工后沉降速率，對本工程而言，因既有線在運營，所以需要控制全過程的沉降速率。

(3)工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)不同:當(dāng)既有線為新建路基時，按照對應(yīng)的鐵路等級確定工后沉降控制值，但本工程的既有路基，應(yīng)為原工后沉降加上本次影響帶來的附加沉降之和小于控制標(biāo)準(zhǔn)[6]。以無砟軌道為例，新線工后沉降控制值為15 mm[7]，如果既有線路基在其建設(shè)過程中已經(jīng)發(fā)生沉降10 mm，則本次引起的附加沉降不能大于5 mm。

(4)施工過程中一些因素可能導(dǎo)致既有線發(fā)生較大變形：新線施工中的一些偶然因素，如開挖基坑、抽排地下水、路基填土、樁基塌孔等突發(fā)情況，都可能導(dǎo)致既有線發(fā)生超出許可范圍的變形。

對運營線路來說，工務(wù)部門需要隨時掌握線路幾何尺寸狀態(tài)，以便及時發(fā)現(xiàn)突發(fā)情況并做出預(yù)案。目前我國鐵路工務(wù)部門對軌道靜態(tài)幾何尺寸實行“軌距、水平、三角坑、軌向、高低”共5項指標(biāo)管理，對軌道動態(tài)局部不平順檢查項目為“軌距、水平、高低、軌向、三角坑、車體垂向振動加速度和橫向振動加速度”共7項參數(shù)[8]。本工程既有車站的各種結(jié)構(gòu)中，無砟軌道最為敏感，除了每個點的絕對沉降，工務(wù)部門特別關(guān)注相鄰點沉降差對行車的影響。

結(jié)合石濟(jì)客專引入京滬高鐵德州樞紐的設(shè)計和施工經(jīng)驗，把6(3)道的無砟軌道變形作為主要監(jiān)控對象，沿線路方向每20 m布設(shè)1處自動觀測點，監(jiān)測各點的豎向變形，并把相鄰兩個監(jiān)測點的沉降差作為過程控制指標(biāo)，按黃色、橙色、紅色三級預(yù)警管理[9]；黃色預(yù)警值2 mm，橙色預(yù)警值3 mm，紅色預(yù)警值4 mm，其他軌道控制指標(biāo)以工務(wù)部門軌道監(jiān)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。雨棚結(jié)構(gòu)高低按照單層排架結(jié)構(gòu)柱基沉降(中低壓縮性土)120 mm，相鄰柱沉降差1/200跨度控制[10]。

5 新鄉(xiāng)東站并站路基方案研究

5.1 方案組成

A方案：架空結(jié)構(gòu)，通過鋼筋混凝土組成架空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部中空，減少結(jié)構(gòu)自重，從而減少對地基的附加應(yīng)力和對既有線的影響。考慮到靠近既有路基部分的填土對既有軌道影響較大，因此將靠近既有線的9、10兩個股道和兩個站臺采用架空結(jié)構(gòu)，架空結(jié)構(gòu)外側(cè)倒三角形范圍采用泡沫混凝土填筑，橫斷面設(shè)計如圖4所示。

圖4 架空結(jié)構(gòu)橫斷面

架空結(jié)構(gòu)設(shè)計主要內(nèi)容如下。

5.1.1 股道下架空結(jié)構(gòu)設(shè)計

9、10股道下架空結(jié)構(gòu)分為直線和曲線兩種，直線框架結(jié)構(gòu)采用2-4.3 m框架，凈高6 m，曲線框架結(jié)構(gòu)橫向采用2個單孔4.2 m×6 m(寬×高)獨立框架，兩單孔框架間距隨線間距變化而變化，框架頂部設(shè)2%人字形排水坡，框架兩側(cè)設(shè)0.4 m×0.4 m排水溝，框架沿線路方向每15 m為一個節(jié)段，采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆施工，框架基底采用預(yù)應(yīng)力管樁加固。

5.1.2 站臺-雨棚架空結(jié)構(gòu)設(shè)計

架空站臺及雨棚總長450 m，寬度12 m，結(jié)構(gòu)形式為雙柱雙挑，雨棚柱橫向柱跨6.3 m，縱向柱跨為12 m，每側(cè)挑出2.85 m；靠近填土側(cè)柱跨間設(shè)置擋土墻。柱下地基采用樁基(鉆孔灌注樁)獨立承臺+基礎(chǔ)梁，擋土墻下采用承臺梁。

5.1.3 泡沫混凝土填筑

A方案：架空結(jié)構(gòu)兩側(cè)擋土墻外倒三角形區(qū)域填筑泡沫混凝土。該區(qū)域路基本體采用Ⅱ型泡沫混凝土填筑，容重5.8～6.3 kN/m3，強(qiáng)度大于1.2 MPa，基床底層采用Ⅰ型泡沫混凝土填筑，容重6.5～7 kN/m3，強(qiáng)度大于1.5 MPa。

B方案：常規(guī)的填土方案，按照規(guī)范，基床表層填筑0.7 m厚級配碎石，基床底層填筑2.3 m厚A、B組填料，基床以下和站臺區(qū)域填筑A、B組及C組粗粒土，橫斷面見圖5。

圖5 常規(guī)填料填筑方案橫斷面

C方案：全部輕質(zhì)填料方案，基床表層采用Ⅱ型泡沫混凝土填筑，容重5.8～6.3 kN/m3，強(qiáng)度大于1.2 MPa，基床底層采用I型泡沫混凝土填筑，容重6.5～7 kN/m3，強(qiáng)度大于1.5 MPa，橫斷面見圖6。

5.2 各方案對既有線變形影響的數(shù)值分析

使用Plaxis AE 2D版有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，采用二維有限元計算，土體采用摩爾-庫倫應(yīng)力應(yīng)變準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)單元采用線彈性準(zhǔn)則[11-12]，計算參數(shù)見表1。

圖6 泡沫混凝土填筑方案橫斷面

名稱狀態(tài)天然容重/(kN·m-3)飽和容重/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)kxky泊松比模量/MPa模型路堤-19.8201830110.2548摩爾—庫倫墊層-2020235110.290摩爾—庫倫2-33粉黏土可塑19.119.629.718.61×10-41×10-40.34.61摩爾—庫倫2-52粉砂稍密1920220110.310摩爾—庫倫2-53粉砂中密1920220110.2820摩爾—庫倫2-63細(xì)砂中密1920125330.2830摩爾—庫倫2-64細(xì)砂密實1920130330.2560摩爾—庫倫輕質(zhì)混凝土本體-6-----0.2360線彈性模型輕質(zhì)混凝土底層-7-----0.2400線彈性模型水泥砂漿樁-202030025--0.25350摩爾—庫倫CFG樁-2424120045--0.1518000摩爾—庫倫

其中A方案網(wǎng)格剖分及計算云圖如圖7所示，B、C方案為簡單填土，云圖略。

圖7 A方案計算斷面網(wǎng)格剖分及變形云圖

計算結(jié)果見表2。

表2 不同方案既有鐵路特征部位位移 mm

注：ux表示水平方向的變形，數(shù)值為正表示向左側(cè)的位移，數(shù)值為負(fù)表示向右側(cè)的位移；uy表示豎直方向的變形，數(shù)值為正表示隆起，數(shù)值為負(fù)表示下沉。

計算結(jié)果分析如下。

(1)表2的變形值是最終結(jié)果，若一次性發(fā)生如此大的變形，難以滿足既有線運營要求，事實上變形是在施工過程中隨著新線施工進(jìn)展逐漸發(fā)生的，尤其在新線填土階段發(fā)展最快，因此需要控制填土速率，以滿足無砟軌道變形符合經(jīng)常保養(yǎng)高低不大于4 mm的變形限值要求[13]。

(2)方案B引起無砟軌道最終變形最大(5.21 mm)，根據(jù)收集的既有線變形監(jiān)測資料，本段既有線自身變形9.1 mm，合計14.31 mm，接近規(guī)范限值，由于有限元計算受制因素較多，只能大致模擬變形發(fā)展趨勢，仍有一定誤差，因此該方案風(fēng)險較高。

(3)三框架架空方案對變形控制最好(0.29 mm)，整體優(yōu)于C方案(2.34 mm)。

5.3 各方案經(jīng)濟(jì)估算

初步估算，三框架架空站臺結(jié)構(gòu)(即A方案)造價為16.9萬元/m，全填A(yù)、B組填料(即B方案)造價約為13.3萬元/m；全填輕質(zhì)土(即C方案)造價約為17.4萬元/m；初步確定架空方案為進(jìn)一步深化研究的方案。

6 架空結(jié)構(gòu)再優(yōu)化

6.1 優(yōu)化思路的提出

考慮A方案中的架空結(jié)構(gòu)逐漸遠(yuǎn)離敏感的無砟軌道結(jié)構(gòu)(A方案中9道距離無砟軌道41.6 m，10道距離無砟軌道47.6 m，左側(cè)架空站臺中心距離無砟軌道55.3 m)，架空結(jié)構(gòu)在控制變形方面的優(yōu)勢不明顯，因此提出逐步減少架空結(jié)構(gòu)以節(jié)約投資的思路。

6.2 優(yōu)化方案

A1方案：雙框架架空結(jié)構(gòu)，即取消左側(cè)站臺和雨棚架空結(jié)構(gòu)。10道外側(cè)填筑C組填料，與既有線邊坡相交的倒三角形處填筑泡沫混凝土，橫斷面如圖8所示。

A2方案：單框架架空方案，僅保留最靠近既有線的站臺和雨棚架空結(jié)構(gòu)，架空結(jié)構(gòu)外側(cè)倒三角范圍采用泡沫混凝土填筑，其橫斷面設(shè)計如圖9所示。

圖8 雙框架架空結(jié)構(gòu)局部橫斷面

圖9 單框架架空結(jié)構(gòu)橫斷面

6.3 各方案比較結(jié)果(表3)

6.4 各方案經(jīng)濟(jì)估算

初步估算，三框架架空站臺結(jié)構(gòu)(即A方案)造價為16.9萬元/m，兩框架架空站臺結(jié)構(gòu)(即A1方案)造價約為15.6萬元/m；單框架架空站臺結(jié)構(gòu)(即A2方案)造價約為14.4萬元/m；可見減少遠(yuǎn)離敏感建筑的架空結(jié)構(gòu)對沉降變形影響不大(由三框架變更為單框架，預(yù)測變形由0.29 mm變化為0.74 mm)，減少兩個框架能夠較好地控制工程投資。

表3 不同方案既有鐵路特征部位位移值 mm

注：ux表示水平方向的變形，數(shù)值為正表示向左側(cè)的位移，數(shù)值為負(fù)表示向右側(cè)的位移；uy表示豎直方向的變形，數(shù)值為正表示隆起，數(shù)值為負(fù)表示下沉。

6.5 各方案優(yōu)缺點分析和推薦方案

各方案優(yōu)缺點比較分析見表4。

表4 各方案優(yōu)缺點分析

推薦方案：鑒于架空方案具有結(jié)構(gòu)簡單，受力合理，施工便捷，對臨近結(jié)構(gòu)物不產(chǎn)生影響，下部空間有開發(fā)利用價值等特性，推薦采用架空方案。

7 結(jié)語

(1)目前高速鐵路對A、B組填料品質(zhì)要求比較高，絕大部分都是通過開山采石人工破碎獲得的，填料制備、運輸以及現(xiàn)場填筑過程中易污染環(huán)境，常常因大氣治理而停工，采石場也常因環(huán)保原因關(guān)停，平原地區(qū)合格填料缺乏，運輸距離較大，上述因素均導(dǎo)致填料的綜合造價較高。較大的自重引起自身沉降較大，對臨近結(jié)構(gòu)物也有較大影響。架空方案提出了一種新的解決方案，材料供應(yīng)穩(wěn)定，對環(huán)境更加友好，自身沉降變形以及對周邊結(jié)構(gòu)物影響小，在填料缺乏地段具有明顯的優(yōu)勢。

(2)架空結(jié)構(gòu)為目前國內(nèi)新建高鐵引入既有高鐵站并站路基結(jié)構(gòu)設(shè)計首次采用，與填筑普通填料方案或輕質(zhì)土方案比較，架空結(jié)構(gòu)自重大幅減少，對既有高鐵附加應(yīng)力小，受力明確，施工簡單，對既有線干擾較小，施工周期相對較短，在空間利用和減少既有線路基沉降變形方面具有顯著的優(yōu)勢，值得推廣應(yīng)用。

(3)大型客站歷來是繁華商業(yè)所在，土地資源稀缺，應(yīng)結(jié)合商業(yè)開發(fā)優(yōu)化架空結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置，促進(jìn)下部空間綜合開發(fā)利用。

(4)需進(jìn)一步優(yōu)化架空結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工工藝，嚴(yán)格控制幫填地段路基填筑速率及基坑降水，對既有高鐵路基及無砟軌道應(yīng)布設(shè)變形監(jiān)測點，嚴(yán)密監(jiān)測，防止變形超限威脅運營安全。