軌道交通樁板結構施工對臨近既有線影響的數值模擬*

王海峰

(中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司， 200071， 上海∥高級工程師)

隨著軌道交通線網規模不斷擴大，不可避免地會出現新建線路與既有線路接軌或并線的需求。接軌或并線工程中所涉及的一系列軌道結構改造、路基幫寬、地基處置和站場改造等相關施工項目，均對既有線路的結構變形控制及行車安全提出挑戰。如何有效防控接軌或并線工程施工對既有線路結構運營安全的影響已成為軌道交通建設中必須面對的新問題[1]。目前，國內外有較多學者從既有線路周邊加、卸載活動出發，研究路基幫寬施工引發的既有結構變形問題[2-5]，圍繞接軌或并線工程施工過程對臨近既有線路及周邊地層擾動的相關研究較少。文獻[6]以魯南鐵路引入京滬高鐵曲阜東站為背景，圍繞接軌段路基的臨界距離、路基填料、地基處理及施工安全等技術進行研究分析。文獻[7]基于魯南鐵路曲阜東站聯絡線接軌工程，采用有限元軟件ABAQUS建立模型，分析隔離樁樁長、樁徑、樁間距及排數對既有路基附加沉降的影響。

本文依托滬寧城際鐵路鎮江站接軌工程，利用有限元計算軟件Plaxis 3D建立三維模型，詳細研究接軌工程中新建聯絡線樁板結構施工及路基填筑施工對既有線路沉降及水平位移的影響。

1 接軌工程概述

1.1 新建線路設計

本接軌工程中新建線路為連鎮鐵路至滬寧城際鐵路的左、右聯絡線，聯絡線從滬寧城際鐵路鎮江站接入，其對應滬寧城際鐵路線路里程為HNK 236+837.46～HNK 237+142.29。新建線路設計速度為160 km/h，采用有砟軌道形式，其中里程HNK 236+837.46～HNK 237+082.46范圍采用樁板結構，而HNK 237+082.46～ HNK 237+142.29范圍則采用路基填筑形式。本接軌工程中涉及路基幫寬、接軌和線路站場改造等系列施工項目。

1.2 工程地質及水文條件

本接軌工程施工場地位于長江二級階地，為沖湖積微地貌，地勢平坦，填土分布廣泛，地面高程在7.7～16.5 m之間，主要土層物理力學參數如表1所示；地下水不發育，主要為第四系孔隙水及下伏基巖裂隙水。

表1 土層物理力學參數表Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layer

2 有限元模型建立

為明確新建聯絡線左、右線施工中各工序對周圍地層及臨近的滬寧城際鐵路既有線路結構的擾動情況，本文利用有限元軟件Plaxis 3D建立三維模型，計算并分析接軌工程中樁板結構及路基填筑施工等對既有滬寧城際鐵路正線與到發線的沉降及水平位移的影響。

2.1 模型建立

1) 計算域：接軌工程中既有城際鐵路線路里程HNK 237+117.46～HNK 237+142.29內路基開挖及填筑土方量較小，可忽略其對既有鐵路的影響，因此本模型僅選取HNK 236+837.46～HNK 237+117.46展開研究，如圖1所示。考慮模型邊界尺寸效應影響，模型總長度設為280 m、總寬度設為100 m，深度設為60 m。其有限元模型如圖2所示。圖2中x軸正方向為沿滬寧城際鐵路正線，縱向自大里程指向小里程方向;y軸正向為聯絡線左線指向聯絡線右線方向;z軸為既有城際線路的豎向方向。

2) 邊界條件：模型底部施加完全固定約束，側向施加豎直滑動約束，模型表面為自由邊界。

3) 結構單元及材料設置：土體及既有線路下方

圖1 模型計算范圍示意圖Fig.1 Diagram of model calculation range

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

CFG(水泥粉煤灰碎石)樁復合地基均采用實體單元模擬，材料設置采用硬土模型；土體參數結合表1及相關工程經驗進行取值，復合地基參數可依據設計參數等效計算獲得；樁板結構(樁基礎、混凝土板)采用實體單元模擬，材料設置采用線彈性模型；軌道結構采用梁單元模擬并采用線彈性材料。

2.2 施工步設置

在有限元軟件Plaxis 3D中，可按照實際施工順序激活及凍結相關單元開展分步計算，以實現施工全過程模擬。本接軌工程首先對聯絡線左線側幫寬位置的樁板結構進行施工，然后完成該側幫寬路基的填筑；最后對聯絡線右側幫寬位置的樁板結構進行施工，并完成該側幫寬路基的填筑。考慮本工程關鍵施工節點，模型施工步設置如下：

施工步1：聯絡線左線側樁基鉆孔+成樁；

施工步2：聯絡線左線側輕質土回填路基；

施工步3：聯絡線左線側開挖成槽；

施工步4：聯絡線左線側樁板的結構板澆筑；

施工步5：聯絡線左線側板上路基填筑；

施工步6：聯絡線右線側樁基鉆孔+成樁；

施工步7：聯絡線右線側輕質土回填路基；

施工步8：聯絡線右線側開挖成槽；

施工步9：聯絡線右線側樁板的結構板澆筑；

施工步10：聯絡線右線側板上路基填筑。

3 計算結果分析

本文主要通過分析施工過程中既有線路的豎向(模型z方向)及橫向水平位移(模型y方向)，評估該接軌工程對既有城際鐵路線路的影響。計算結果中，橫向水平位移正值表示自聯絡線左線偏向聯絡線右線方向，反之為負值；豎向位移負值表示為沉降，反之為隆起。

3.1 聯絡線左線施工對既有城際鐵路的影響

1) 施工步1(聯絡線左線側樁基鉆孔+成樁)：本施工步通過凍結鉆孔內土體單元，同時在孔壁施加向外的面荷載模擬泥漿護壁，以實現完整的樁基鉆孔過程模擬；隨后凍結孔壁面荷載，激活鉆孔內實體單元并替換為混凝土材料來模擬成樁過程。該施工步對既有城際鐵路正線Ⅰ、Ⅱ股道以及3#、4#到發線線路位移分布的影響如圖3所示。由圖3可知，該工況對既有城際鐵路線路影響較大，卸荷會引起軌道線路產生偏向施工側水平位移并發生沉降。

圖3 施工步1的既有城際鐵路線路位移分布Fig.3 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 1

2) 施工步2(聯絡線左線側輕質土回填路基)：本施工步可通過激活相應土體單元實現輕質土回填模擬。該過程對既有城際鐵路正線I、Ⅱ股道的影響如圖4所示。從圖4可知，聯絡線左線側輕質土回填路基施工，會引起既有城際鐵路線路股道產生遠離施工側的橫向水平位移及豎向沉降。由于該部分路基填筑施工位置距離3#、4#到發線較遠，因此省略該工況對到發線的擾動分析。

3) 施工步3(聯絡線左線側開挖成槽)：本施工步通過凍結相應土體單元模擬開挖成槽過程。該過程對既有城際鐵路正線I、Ⅱ股道以及3#、4#到發線的影響如圖5所示。聯絡線左線側開挖成槽施工會造成土體應力損失，使得既有城際鐵路線路股道均向施工側偏移并隆起。

圖4 施工步2的既有城際鐵路線路位移分布Fig.4 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 2

圖5 施工步3的既有城際鐵路線路位移分布Fig.5 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 3

4) 施工步4(聯絡線左線側樁板結構板澆筑)：本施工步通過在路基上施加面荷載模擬板澆筑，見圖6。如圖6所示，聯絡線左線側樁板結構的板澆筑施工對既有城際鐵路線路存在擠壓作用，使其股道均產生遠離施工側的橫向水平位移，且同時發生沉降。

圖6 施工步4的既有城際鐵路線路位移分布Fig.6 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 4

5) 施工步5(聯絡線左線側板上路基填筑)：本施工步通過激活相應土體單元模擬板上路基填筑過程，見圖7。如圖7所示，聯絡線左線側板上路基填筑施工對既有城際鐵路線路擾動較小，最大沉降位于4#到發線，其值為0.083 mm。

圖7 施工步5的既有城際鐵路線路位移分布Fig.7 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 5

3.2 聯絡線右線施工對既有城際鐵路線路的影響

1) 施工步6(聯絡線右線側樁基鉆孔+成樁)：本施工步模擬方法與施工步1所述相同，見圖8。由圖8可知，聯絡線右線側樁基鉆孔+成樁施工會對既有城際鐵路線路產生較大影響，鉆孔引起的土體應力損失會使既有城際鐵路線路股道產生偏向施工側的橫向水平位移，并發生沉降。

圖8 施工步6的既有城際鐵路線路位移分布Fig.8 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 6

2) 施工步7(聯絡線右線側輕質土回填路基)：路基回填模擬方法與施工步2相同，見圖9。由圖9可知，輕質土回填路基對既有線影響較小，既有城際正線鐵路I股道最大沉降值僅為0.174 mm。

3) 施工步8(聯絡線右線側開挖成槽)：開挖成槽模擬方法與施工步3相同，見圖10。由圖10可知，聯絡線右線側開挖造成的土體應力損失會導致既有城際鐵路線路股道產生偏向施工側的橫向水平位移，并引起隆起。

4) 施工步9(聯絡線右線側樁板結構板澆筑)：混凝土板澆筑模擬方法與施工步4相同，見圖11。

圖9 施工步7的既有城際線路位移分布Fig.9 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 7

圖10 施工步8的既有城際線路位移分布Fig.10 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 8

如圖11所示，聯絡線右線側樁板結構的板澆筑施工會對既有城際鐵路造成擠壓，使其線路均產生偏離施工側的橫向水平位移并發生沉降。

圖11 施工步9的既有城際線路位移分布Fig.11 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 9

5) 施工步10(聯絡線右線側板上路基填筑)：路基填筑模擬方法與施工步5相同，見圖12。由圖12可知，聯絡線右線側板上路基填筑施工會引起既有線路產生偏向聯絡線右線的橫向水平位移并出現沉降現象。該施工步的既有城際鐵路線路位移分布顯示，在線路縱向125 m處隨著聯絡左、右線與既有城際鐵路線路水平距離增大，新建線路路基填筑施工對既有城際鐵路線路影響顯著減弱。

圖12 施工步10的既有城際線路位移分布Fig.12 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 10

3.3 模擬試驗結果匯總分析

各施工步引起的既有城際鐵路正線I、Ⅱ股道以及3#、4#到發線的最大橫向水平位移和豎向位移如表2所示。由表2可知，該接軌工程施工過程中，既有城際鐵路正線I股道的最大橫向水平位移和最大沉降均發生于聯絡線右線側樁基鉆孔+成樁期間，分別為0.702 mm和-0.603 mm；城際正線Ⅱ股道最大橫向水平位移和沉降則發生于聯絡線左線側樁基鉆孔+成樁期間，分別為-0.691 mm和-0.572 mm；3#到發線及4#到發線的最大橫向水平位移和最大沉降也同樣出現在各自臨近的聯絡線樁基鉆孔+成樁工況中。綜上可知，本接軌工程施工全過程中，樁基鉆孔+成樁施工步對既有線路的位移影響最為顯著，因此在類似工程施工時，需要合理選擇開挖機械設備及鉆孔保護措施以減少對臨近地層的施工擾動。本工程建議采用護筒跟進方式穿越淤泥層，同時采取加大護壁泥漿比重等措施以有效避免成孔過程中塌孔的發生，防止對既有城際鐵路線路造成更大的影響。

表2 各施工步的既有城際鐵路位移最大值 單位:mm

3.4 典型斷面的沉降曲線分析

為研究接軌工程中幫寬施工引發的既有線沉降問題，選取里程HNK 236+916.77的典型橫斷面。提取該斷面既有線路路基底部及幫寬位置地表在相應施工步的沉降值，如圖13所示。

由圖13可知，樁板結構施工會導致該典型斷面兩側幫寬處出現沉降槽，槽底最大沉降出現在聯絡線右線側樁板結構板澆筑階段中(施工步9)，此時聯絡線右線側路基幫寬位置最大沉降達到22.7 mm。由于復合地基CFG樁的存在，既有線路路基底部位置沉降較小；但為了滿足高鐵線路變形控制的嚴苛要求及保障列車運營安全，在聯絡線的左右線施工期間，也應重點加強既有線的安全防護，如對路基水平變形、地基分層沉降和樁板結構內力進行全過程動態監測和預警，以保障新建線路施工中既有線路的安全運營。

4 結論

1) 有限元模型對接軌工程施工模擬計算的結果顯示，各施工步的既有線路結構變形控制符合規范要求，該接軌工程設計方案原則可行。

2) 接軌工程施工過程引起的既有城際鐵路正線I股道和3#到發線的最大橫向水平位移和最大沉降均發生于聯絡線右線側樁基鉆孔+成樁期間，分別為0.702 mm、0.603 mm和0.801 mm、0.836 mm；既有城際正線Ⅱ股道和4#到發線的最大

圖13 路基幫寬施工時線路典型橫斷面沉降值分布

橫向水平位移和最大沉降則發生在聯絡線左線側樁基鉆孔+成樁期間，分別為0.691 mm、0.572 mm和0.861 mm和0.721 mm。對于樁基施工所造成的周圍地層及結構的擾動影響，建議采用跳樁方式進行樁基施工，同時可采用護筒跟進穿越淤泥層鉆孔工藝及加大護壁泥漿比重等措施，以有效防止塌孔現象出現。

3) 接軌工程施工中，既有線路兩側幫寬處會出現明顯沉降槽，其中最大沉降為22.700 mm，位于聯絡線右線側路基幫寬位置。

4) 臨近既有線路并行幫寬施工過程中，樁基施工、土體開挖、板澆筑及路基填筑等施工步驟均應重視既有線路的安全防護，可通過對路基橫向水平變形、地基分層沉降和樁板結構內力全過程動態監測和及時預警，以保障新建線路施工中既有城際鐵路線路的安全運營。