新建鐵路聯絡線對既有鐵路路基擾動變形影響研究

張 紅 秦文達

(中鐵十局集團有限公司,濟南 250001)

隨著我國“八縱八橫”高速鐵路網的不斷完善,新建線與既有線交叉、并行或合并引入的情況會越來越多[1-3]。然而,當施工工藝或施工組織不當時,新建線地基加固或填筑引發的擾動荷載可能劣化既有線工作性能與軌道幾何形態,給既有線的運營品質帶來不利影響[4-7]。針對新建線施工對既有線路基變形影響問題,諸多學者結合具體工程案例展開大量研究。黃建陵等結合滬寧城際鐵路某工點監測數據,研究新建線地基開挖對既有京滬線路基邊坡穩定性影響,發現既有線路基開挖邊坡坡腳出現明顯應力集中,容易失穩[8];劉維正等對既有線路基的變形與應力進行原位監測,監測表明地基加固過程中既有線路基受到樁體的擠土影響而出現較小側向變形[9];左珅等結合滬寧城際鐵路項的現場試驗,采用數值方法分別研究新建路基在開挖、成樁及路基填筑3個階段對既有路基的影響10-12]。

然而,以上研究工況多針對新建線與既有線平行且相離的情況,而新建聯絡線引入既有線將直接增加既有線路基附加荷載,引發既有線路基產生附加水平、沉降變形[13-15]。隨著新建線引入既有線工程的逐漸增多,新建線對既有線影響問題將愈加凸顯,亟需對該問題展開進一步的研究。

依托魯南高鐵引入京滬高鐵曲阜東站接軌段工程,開展不同樁型群樁擠土變形的試樁試驗,研究采用不同樁型地基加固對鄰近場地的擠土變形影響,進而為新建聯絡線地基加固設計提供依據。

1 工程背景

新建魯南高鐵在曲阜東站引入既有京滬高鐵,分別通過高鐵上、下聯絡線與既有京滬高鐵兩側股道進行接軌(見圖1)。既有京滬線兩側采用幫填拓寬方式以滿足接軌要求。然而,幫填拓寬區域地基加固引發的擠土效應以及路基填筑所增加的附加荷載都將對既有京滬路基及地基帶來不利影響,可能導致既有京滬運營線路基軌道幾何形態突變,危及行車安全。因此,在既有京滬線正常運營條件下新建聯絡線,選擇合理的地基加固方式以及路基填筑材料,對控制聯絡線施工對既有路基影響至關重要。

圖1 接軌段既有路基附加荷載示意

2 聯絡線地基加固對既有路基變形影響

為充分掌握聯絡線地基加固引發的擠土效應對既有路基的擾動影響,依托該工程展開大面積群樁試樁試驗,研究不同樁型群樁成樁對鄰近土體的擾動變形影響,進而為聯絡線地基加固方案提供技術參考。

2.1 群樁成樁的擠土變形試驗

(1)試驗設計

采用預應力管樁(以下簡稱管樁)、微型注漿鋼管樁(以下簡稱微型樁)和全套管全回轉灌注樁(以下簡稱灌注樁)進行試驗,對比3種樁型群樁成樁對鄰近土體的擠土效應。管樁樁徑為400mm,壁厚95mm;微型樁樁徑為150mm,鋼管直徑為108mm;灌注樁樁徑為1200mm。管樁采用靜壓方式成樁,分別按無預鉆孔、預鉆孔深度15m及預鉆孔深度20m的方式成樁,以對比預鉆孔深度對擠土效應的控制效果。

圖2為試驗區總體劃分。其中Ⅲ、Ⅴ區前排布置微型樁,后排布置無預鉆孔管樁;Ⅳ區布置預鉆孔15m管樁;Ⅵ區前排布置預鉆孔20m管樁,后排布置無預鉆孔管樁;Ⅰ區布置灌注樁1排,Ⅱ區布置微型樁5排。成樁以“S”形順序進行。

圖2 試驗區規劃(單位:m)

圖3為監測測點布置,共設置5個監測斷面。在離試驗區邊界1.0m、5.0m、8.0m、11.3m、16.3m、20.0m、35.5m及60.0m處設置地表棱鏡測點(測點編號為h1～h8),以監測地表橫向及豎向位移;在離試驗區邊界1m、5m埋設深層測斜管(測孔編號D-1和D-2),以監測深層橫向土體位移,測孔深30m。表1給出了試驗區基本地質條件概況,試驗區土層主要由粉質黏土及粗砂層組成。

圖3 監測與數據采集

表1 試驗區地質條件

(2)試驗結果與分析

①深層土體橫向水平位移發展規律

圖4分別給出了Ⅵ區、Ⅴ區及灌注樁成樁過程引起D-1測孔的橫向水平位移,其他區分布規律類似,不再贅述。從圖4(a)、圖4(b)可知,隨著管樁成樁排數的增多,測孔橫向水平位移量逐漸增大,當達到一定排數時,位移增幅逐漸減小。如Ⅵ區壓樁11排以后,位移基本穩定;Ⅴ區壓樁10排以后,位移增幅很小。壓樁完成時,最大位移都發生在地表,這是因為相較于深層土體,淺層土體的結構性和抵抗變形能力較弱,受擠土效應影響更加突出,Ⅵ區地表橫向最大位移量為17.2mm,Ⅴ區為12.5mm。

圖4 D-1測點橫向位移分布

隨著土層深度的增大,橫向水平位移整體呈減小趨勢,但在不同土層位置,位移分布有所差異。結合表1可以推斷,由于在埋深約12～19m位置分布有壓縮性較低的粗砂層,導致側向擠土位移量相對較大,出現位移“凸出”現象。對比Ⅵ區和Ⅴ區位移分布,Ⅵ區壓樁引起D-1測孔的橫向位移整體要大于Ⅴ區,主要原因為:Ⅵ區全區為管樁,而Ⅴ區前8排為微型樁,后12排為管樁,一方面Ⅴ區管樁壓樁數量少于Ⅵ區,另一方面,Ⅴ區先成樁的微型樁對后壓入管樁有隔離效應,造成兩區成樁對鄰近土體擾動影響存在差別,微型樁的隔離效應也使得Ⅴ區橫向位移沿深度分布相較于Ⅵ區來說更加平緩。

從圖4(b)中還可看出,微型樁成樁對鄰近土體擾動影響較小。微型樁施工對土體的影響主要來源于鉆孔擾動和注漿壓力[16]。在Ⅴ區的8排微型樁成樁過程中,引起D-1測孔的擠土位移量最大值僅為1.2 mm(發生在地表處),并且隨著土體深度的增加,橫向位移呈線性減小。

從圖4(c)可以看出,3根灌注樁成樁過程中,引起D-1測孔的擠土位移發展與管樁、微型樁不同。隨著灌注樁成樁數量的增加,測孔淺層土體的橫向水平位移向x軸的負方向(見圖3)發展。發生此種現象的原因可能為:鉆孔施工后,并未及時灌注混凝土,淺層粉質黏土向孔內偏移,導致發生縮孔現象,進而引起D-1測孔向x軸的負方向發生偏移。整體上,3根灌注樁引起D-1測孔的橫向水平位移很小,最大位移發生在地下1m處,位移量為1.7mm。

(2)地表土體豎向位移發展規律

圖5分別給出了Ⅵ區、Ⅴ區及灌注樁成樁過程地表豎向位移和測點離試驗區邊界距離的歸一化(將地表豎向位移量Sz與水平距離r分別除以樁徑d)關系曲線。

從圖5(a)和圖5(b)可以看出,隨著成樁排數的增多,Ⅴ區和Ⅵ區地表隆起位移逐漸增大。當成樁排數達到一定數量時,之后壓入的管樁對測點幾乎沒有影響,例如在Ⅵ區中,當成樁排數達到9排以后,地表隆起位移區域穩定。隨著測點與試驗區邊界距離的逐漸增大,地表隆起位移呈指數型衰減,與羅戰友等[17]的數值結果相吻合。考慮到監測儀器的精度,以1.5mm為豎向位移識別值,從位移分布可以確定Ⅵ區和Ⅴ區成樁引起的地表豎向位移橫向影響范圍約為30d,最大隆起位移量約為0.5%d(d為管樁樁徑)。由圖5(c)可知,3根灌注樁成樁完成后,最大隆起位移量為0.07%d(d為灌注樁樁徑)。

圖5 地表各測點豎向位移分布

2.2聯絡線地基加固對既有路基的變形影響

試樁試驗成果表明,聯絡線幫填路基地基加固時,微型樁或灌注樁要優于管樁。考慮到鄰近既有線施工作業面及成樁質量等問題,最終采用灌注樁進行地基加固。圖6給出了接軌段路基灌注樁樁位布置及既有京滬路基橫向水平位移測孔布置。橫向水平位移測孔沿線路縱向分布于既有京滬路基坡腳位置,共計7個,編號H1～H7。

圖6 樁位分布及測點布置(單位:m)

圖7給出了灌注樁施工完后既有京滬路基坡腳典型測孔的橫向水平位移分布,其他測孔變形規律類似,且位移量更小,不再贅述(位移正值代表位移朝向邊坡坡外,負值代表朝向邊坡坡內)。

圖7 既有路基坡腳H2和H7測孔橫向水平位移

由圖7可知,聯絡線幫填路基地基加固施工過程中,既有路基坡腳位移主要朝向坡外,集中分布在埋深0～8.0m范圍內,發生此種現象的主要原因在于:灌注樁施工過程中,受既有路基側向壓力的影響,鉆孔完畢后坡腳土體發生了向孔內偏移的變形,導致測孔土體位移朝向坡外。整體上,位移量都較小,H2測孔最大位移量為2.38mm,H7測孔最大位移量為2.01mm,表明聯絡線幫填路基采用灌注樁進行地基加固對既有線路基擾動影響很小。

3 聯絡線路基填筑對既有路基變形影響

為分析聯絡線路基填筑對既有路基的附加變形影響,建立曲阜東站接軌段路基工程三維數值模型,并基于現場變形監測數據進行驗證,并在此基礎上,進一步研究不同填料對既有路基變形的敏感性影響。

3.1 數值模型

取既有京滬路基K536+712～K537+050作為試驗段,沿線路橫向取289.0m,土體深度方向取105.0m,數值模型見圖8。

圖8 數值模型(單位:m)

在既有京滬正線和安全線兩側,分別為幫填路基,包括安全線幫填路基、上行聯絡線幫填路基和下行聯絡線幫填路基。沿線路的大里程方向,上、下行聯絡線幫填路基逐漸變寬,從上行聯絡線K536+762處開始幫填,在K536+945處與既有線逐漸分離;下行聯絡線幫填路基隨著里程的增大路基厚度也逐漸增加。路基以下鋪設0.5m厚鋼筋混凝土筏板,筏板以下為地基土,主要包含粉砂、粉質黏土及粗砂。采用實體單元對網格進行劃分,單元總數162423個,節點總數170077個。模型底部為位移固定邊界,四周邊界采用法向位移約束邊界,天然地表為自由邊界。

既有京滬路基(包含安全線路基)采用A、B組填料填筑,安全線幫填路基及上、下聯絡線幫填路基采用輕質混凝土填料。各材料均采用服從摩爾-庫倫屈服準則的彈塑性本構模型,計算參數見表2。考慮到本節重點是考察地基上部結構路基填筑對既有路基的變形影響,為簡化計算,既有路基及幫填路基地基加固區域采用復合模量,復合模量的計算方法依據JGJ79—2012《建筑地基處理技術規范》中基于面積置換率的計算方法進行取值[18]。

表2 填筑材料及地基土層參數

3.2 模型驗證

為實時掌握現場聯絡線填筑施工對既有京滬線的擾動變形影響,建立既有京滬線路基沉降變形實時觀測與預警系統。在接軌段內的既有京滬正線Ⅰ股道和Ⅱ股道,沿縱向每隔約20m布設1個監測點(見圖9(a)),監測點固定在無砟軌道底座板外側(見圖9(b)),采用物位計結合水平基準點監測沉降變形。圖10給出了接軌段路基各測點沉降變形計算值與實測值的對比情況。由圖10可知,聯絡線幫填引發既有京滬線路基發生明顯的附加沉降,且沉降實測值沿線路縱向分布起伏變化較大,Ⅰ股道和Ⅱ股道底座板邊側測點沿線實測最大值分別為3.2mm和4.7 mm,滿足TG/GW115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)》中規定的經常保養時軌道靜態高低容許偏差管理值(4.0mm)[19],研究表明,曲阜東站接軌段聯絡線路基采用輕質混凝土材料填筑對既有京滬路基影響較小,對既有京滬線的正常運營擾動可忽略。

圖9 接軌段既有路基沉降變形測點布置示意

圖10 既有路基沉降變形計算值與實測值對比

從圖10還可看出,從上行聯絡線幫填路基里程K536+762開始,Ⅰ股道和Ⅱ股道沉降實測值與計算值增大都很明顯,之后隨著上行聯絡線幫填路基逐漸遠離既有路基,Ⅱ股道的沉降值逐漸減小。同時,由于下行聯絡線幫填路基厚度逐漸增大,Ⅰ股道的沉降值逐漸超越Ⅱ股道沉降值,在此規律上,數值計算值與實測值保持了較好的一致性,但數值上仍存在較明顯的差異,兩者存在差異的主要原因在于:現場各種施工設備都對既有路基存在一定的擾動影響,不可避免地增加既有路基的附加沉降,而數值模型無法體現這種擾動作用,因而計算值偏小。整體上,附加沉降計算值與實測值沿線路縱向分布較為一致,盡管該數值模型無法體現現場施工器械等外部因素的擾動作用,但在一定程度上較真實反映了接軌段幫填路基填筑對既有路基的擾動變形影響。

3.3 不同填料填筑對既有路基變形的影響

為考察聯絡線幫填路基不同填料對既有路基的變形影響。考慮到既有路基附加沉降的主要誘導因素為幫填路基填料的重力荷載,因而選定填料重度進行單變量敏感性分析,計算方案見表3。

表3 不同填料計算方案

表4給出了不同計算方案下既有路基Ⅰ股道和Ⅱ股道中心線在里程K536+762(位置①)、K536+837(位置②)及K536+945(位置③)斷面內的附加沉降分布。由表4可知,采用輕質混凝土引起的既有路基附加沉降明顯小于采用A、B組填料引起的附加沉降。以基準方案為例,相較于A、B組填料,采用輕質混凝土引發的既有路基沉降可減小60%～70%。除此以外,當采用A、B組填料時,需碾壓分層填筑施工,碾壓設備荷載勢必增大對既有路基的擾動影響,而輕質混凝土無需碾壓,擾動影響更小。可見,選用輕質混凝土用作聯絡線幫填路基填料要明顯優于A、B組填料。

表4 不同計算方案下既有路基的附加沉降 mm

從表4還可看出,隨著幫填路基填料輕質混凝土重度的逐漸增大,既有路基附加沉降呈線性增加。當重度在5.0～9.0kN/m3,各股道沉降值均較小;而當重度達13.0kN/m3時,Ⅱ股道中心線在里程K536+837處沉降值達到5.32mm,考慮到實際施工荷載,附加沉降有可能超過規范中規定的經常保養時軌道靜態高低容許偏差管理值[19]。

4 結論

針對新建聯絡線對既有線路基擾動變形問題,開展不同樁型群樁施工對鄰近擠土變形影響的現場試驗,并結合接軌段現場監測數據,探討聯絡線地基加固對既有線路基的影響;然后建立接軌段三維數值模型,研究了新建線不同路基填料填筑對既有路基的附加變形影響,得到以下結論。

(1)聯絡線地基加固試樁試驗表明:隨著管樁壓樁排數的增多,鄰近土體橫向水平位移逐漸增大并趨于定值,橫向水平位移沿土體深度的分布與土體性質密切相關,地表豎向隆起位移隨與試驗區邊界距離的逐漸增大呈指數型衰減。聯絡線幫填路基地基加固時,選用灌注樁和微型樁要優于管樁。

(2)魯南高鐵曲阜東站聯絡線地基采用灌注樁進行加固對既有路基擾動影響微弱,既有路基坡腳最大位移量為2.38mm。然而,受鄰近既有路基荷載的附加側向壓力作用,灌注樁成樁過程中路基坡腳位移朝向坡外發展,鉆孔完成后應及時進行混凝土灌注以防止位移持續發展。

(3)聯絡線幫填路基采用輕質混凝土填料填筑時,隨著輕質混凝土重度的逐漸增大,既有路基附加沉降呈線性增加。魯南曲阜東站聯絡線路基采用輕質混凝土進行填筑,既有京滬線附加沉降較小,相較于A、B組填料,采用輕質混凝土引發的沉降可減小60%～70%。