新建線施工時鄰近高鐵路基變形規律研究

朱興運

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

隨著我國高速鐵路的快速發展，截至2019年，中國高鐵運營總里程已經達35 000 km。近年來，國家大力推進京津冀一體化、長三角經濟區的建設，依托既有京滬高鐵、滬杭客專、京石客專、石濟客專等將建設大量高速鐵路，在此過程中，難以避免發生大量鄰近既有線施工[1]。研究如何降低新建鐵路對既有鐵路沉降變形的影響具有重要意義。

針對新建鐵路對既有鐵路路基沉降變形的影響，已有多位學者進行相關研究[2-5]。以下基于前人的研究成果，依托某項目，采用數值分析方法對比分析按比例放坡與設置擋墻提前收坡、正常填土與換填輕質土對既有線豎向沉降和水平變形的影響。

2 工程概況

某既有鐵路站臺規模為兩臺四線，無砟軌道，平均填高7.5 m，地基處理采用“CFG樁+樁網”結構形式，樁徑0.5 m，樁長19～23 m，正方形布置，樁間距1.6～2.0 m。新建線與既有線正線間距為39.5 m，其規模也為兩臺四線，無砟軌道，地基處理采用“螺桿樁+樁網”結構形式，樁徑0.4 m，正方形布置，樁間距2.2 m，樁長與既有站對應里程CFG樁長保持一致。

該地區地質鉆探結果揭示，該地區地層以粉質黏土和粉土為主，承載力范圍為140～180 kPa；中間夾雜多層粉砂、中粗砂，承載力為90～550 kPa，地下水埋深27～32.8 m。

2.1 斷面數據

選用DK247+687.92、DK247+830、DK248+453.64處3個橫斷面進行數值分析，這3個橫斷面分別處于咽喉區、站臺區以及正線并行段落(見圖1)。其中，DK247+687.92處新建路基與既有線路基坡腳發生搭接；DK247+830處新建線與既有線共路基面，為最不利斷面。

圖1 斷面位置示意

2.2 土層及材料參數

本次計算斷面的地層參數見表1。

表1 土層參數

樁基的側摩阻力系數按照公式tan(φ×0.65)取平均值，二維模型采用樁基的彈性模量按照等抗壓剛度進行折減。路堤填筑所需材料及樁基材料參數見表2。高鐵無砟軌道荷載分布寬度為3.1 m，軌道荷載13.7 kPa，列車普通荷載40.4 kPa，列車特種荷載50.4 kPa[6]。

表2 路基本體及樁基材料參數

3 數值模擬

李陽提出，在計算路基沉降時，采用二維模型精度較高[7]，故利用二維模型進行模擬。其中，彈性模量的取值將直接影響數值模擬的計算結果，通過對DK248+453.64斷面的理論計算結果與數值模擬結果進行對比，通過反分析方法獲得較準確的土體彈性模量參數[8]。

3.1 確定彈性模量

依據建筑樁基設計規范等，本工程樁中心距不大于6倍樁徑，采用等效作用分層總和法[9-12]，理論計算公式為

(1)

(2)

其中，nb為短邊布樁數；C0、C1、C2為群樁基礎計算等效沉降系數時對應的系數。

在相同斷面利用數值模擬方法，分別采用3倍壓縮模量及6倍壓縮模量模擬基底位置的豎向位移，位移云圖見圖2、圖3。

圖2 路基豎向位移場(3倍壓縮模量)

圖3 路基豎向位移場(6倍壓縮模量)

沉降對計算結果見表3，由表3可知，在進行數值模擬時，采用6倍于壓縮模量作為彈性模量參數，其計算結果偏差較小，僅為6.4%。故本次模擬地層彈性模量的最終取值為壓縮模量的6倍。

表3 沉降計算結果對比

采用理論計算的值與數值模擬的值進行對比的方法可以相對較好的對壓縮模量進行取值。當需要精確預測沉降量時，建議采用實際沉降量與數值計算結果對比的方法獲得模擬時使用的壓縮模量。

3.2 數值分析結果

本次選取具有代表性的3個橫斷面分析新建線對既有線的影響，為減少模型邊界效應，應保證模型橫向及豎向尺寸大于新建線基底寬2.0倍[13]。

(1)DK247+687.92橫斷面位移云圖見圖4～圖7。

圖4 DK247+687.92斷面豎向位移云圖(放坡)

圖5 DK247+687.92斷面水平位移云圖(放坡)

圖6 DK247+687.92斷面豎向位移云圖(設擋墻)

圖7 DK247+687.92斷面水平位移云圖(設擋墻)

路基變形計算結果見表4。

表4 DK247+687.92斷面路基變形計算結果匯總

由表4可知，輕質土填料能夠更好控制既有線的豎向沉降，距離新建線越近，豎向沉降越明顯，在遠離新建線的一側會發生輕微隆起現象。設置擋墻相較于常規放坡方法，能夠顯著控制既有線的水平位移。

(2)DK247+830橫斷面位移云圖見圖8～圖9。

圖8 DK247+830斷面豎向位移云圖

圖9 DK247+830斷面水平位移云圖

該斷面為共路基面路基，新建線需要搭接在既有線護坡上。目前，常見的辦法為換填輕質土，以減少既有線對既有線的影響[14]。數值計算得到的路基變形結果見表5，從分析結果可知，正常土填筑時，到發線范圍內均會發生沉降，且沉降值較大；輕質土填筑時，沉降拐點發生變化，僅在既有線路肩范圍內發生沉降，且明顯低于正常土填筑時的沉降量，在遠離新建線的一側，輕質土隆起更高。

表5 DK247+830斷面路基變形計算結果匯總

(3)DK248+453.64橫斷面位移云圖見圖10～圖13。

圖10 DK248+453.64斷面豎向位移云圖(設擋墻)

圖11 DK248+453.64斷面水平位移云圖(設擋墻)

圖12 DK248+453.64斷面豎向位移云圖(放坡)

圖13 DK248+453.64斷面水平位移云圖(放坡)

路基變形計算結果見表6，由于該位置新建線與既有線之間的距離較遠，故該處既有線發生的豎向位移和水平位移相對較小。擋墻方案相較于放坡方案，兩者既有線路基面豎向沉降都控制在1 mm以內，但兩者水平向變形控制效果差異巨大，兩者既有線路基面水平向變形分別為1 mm、9 mm，設置擋墻收坡明顯有助于既有線水平向變形的控制。

表6 DK248+453.64斷面路基變形計算結果匯總

為了進一步驗證既有線鄰近新建線一側發生沉降，而在遠離新建線的一側發生隆起的現象。模擬過程中補充增加了DK247+500、DK248+030兩個斷面進行分析。5個斷面的豎向位移結果見圖14。

圖14 不同位置豎向位移數值模擬數據

由圖14可知，既有線距離新建線越近，其發生的豎向變形越大，輕質土較正常填料能夠更好控制豎向位移。在遠離新建線的一側，均會發生相對隆起的現象。

3.3 相對隆起現象驗證

在新建線施工時，既有線遠離新建線的一側路基會發生相對隆起的現象。某客專并入某高鐵時，橫斷面自動化監測數據見圖15。由圖15可知，5-34測點為遠離新建線的一側，在施工前期，該測點沉降相較于6-03測點處于相對隆起狀態，與數值分析得出的規律一致；在施工后期，5-34測點發生的沉降大于6-03測點，可見在施工快結束、沉降即將穩定之前，該處由相對隆起急劇變為下沉。因此，新建線并入既有線時，應重視全周期監測既有線的沉降，依據監測結果指導施工決策[15]。當發生急劇沉降的現象時，應及時采取相應措施消除影響。

圖15 某橫斷面監測數據

4 結論

(1)設置擋墻可以有效控制既有線水平位移，但是無法顯著控制豎向位移的影響。

(2)采用輕質土時，既有線沉降影響范圍更小，可以有效控制既有線的豎向位移(<2 mm)，并滿足運營平順性要求；在遠離新建線的一側，會發生輕微隆起，在實際施工過程中應予以重視。

(3)施工過程中應采取措施對既有線進行保護，并做好全生命周期的監測。當發現既有線發生明顯沉降時，可采用抬高軌道板或注漿的方式抬升軌面高度，以保證既有鐵路的正常運營。