新建并行鐵路對鄰近既有高鐵路基變形影響分析

王 凱 曾憲明 孫東澤 崔俊杰

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 研究背景

目前,我國高速鐵路網建設已具相當規模,新建高速鐵路和城市軌道交通與既有高鐵并行、交叉、幫寬,或接入既有高鐵站情況越來越多。高鐵設計規范中,對路基工后沉降要求嚴格[1],但鄰近既有高鐵工程建設會引起既有高鐵路基附加沉降,甚至造成無砟軌道平順性急劇變差,影響列車安全、平穩運行[2-3]。因此,既有高速鐵路路基的變形控制,成為設計的關鍵[4]。處理方案主要有輕質土減載方案、復合地基加固方案和應力阻斷方案,附加沉降變形計算分析方法主要為理論分析方法、有限元數值計算方法,其中有限元法因其適用工于況復雜、精度高、效率高得到廣泛應用[5]。曾憲明等基于有限元方法對并行既有高鐵新建路基設計方案進行研究,提出新型路基方案[6-8];胡潤乾等結合新建客專引進既有高鐵站造成既有路基幫填的工程,通過數值計算方法分析樁筏結構加固地基結合輕質土填筑方案的變形特征[9-12];陳效星等對高鐵無砟軌道幫寬造成既有路基附加變形的控制措施進行分析,建議采用微型樁結合輕質土方案[13-15]。

依托新建德州至商河高速鐵路鄰近既有高鐵路建設工程,通過有限元數值仿真方法,研究新建并行線路對鄰近既有高鐵路基附加沉降變形的影響規律,進一步對比分析不同路基設計方案的差異,并針對有限元模型參數開展研究,探討樁長、樁徑和樁間距對既有路基附加沉降的影響規律。

2 工程概況

新建德商高速鐵路正線速度設計值為350 km/h,采用CRTSⅢ型無砟軌道板,該線于德州東站引出,最終接入濟濱高鐵商河南站,全長74.69 km。既有石濟客專德州東站南端咽喉區需要進行路基拓寬,其中,新建左線直接拓寬石濟高鐵路基,新建右線位于既有石濟高鐵與既有京滬高鐵之間,也需要對既有石濟高鐵路基拓寬。

研究區位于黃河沖積平原,地形平坦開闊,建筑物稀疏,耕地廣為分布。淺部地層主要為粉土、黏土以及粉質黏土,屬松軟土,基本承載力為100～120 kPa,厚約20 m;其下主要分布密實細砂和中砂,基本承載力為300～450 kPa。沿線地下水為第四系孔隙潛水,勘測期間地下水埋深5.30～12.50 m,地震動峰值加速度為0.05g(地震基本烈度為Ⅵ度)。

2.1 工程位置關系

新建高速鐵路從既有德州東車站引出后,在一定里程范圍內呈多線鄰近并行狀態,其平面相對位置關系見圖1。

圖1 多線并行段平面相對位置示意(單位:m)

新建高鐵左右線由既有高鐵幫寬設置,其中,左線左側繼續采用幫寬方案設置折線,右線右側分別為既有下行聯絡線、既有高鐵左右線與既有上行聯絡線,該多線并行橫斷面見圖2。新建高鐵左線與既有客運專線最小間距為6.54 m。新建高鐵左、右線為設計速度為350 km/h的無砟軌道(單線模式);新建立折線為設計速度160 km/h的有砟軌道(單線模式);既有高鐵各線設計速度為350 km/h的無砟軌道(雙線模式);既有石濟高鐵設計速度為250 km/h的有砟軌道(雙線模式)。既有左右線聯絡線均為有砟軌道。

圖2 多線并行段橫斷面布置(單位:cm)

既有高鐵路基填高5～7 m,地基采用CFG樁加固,樁長26～30 m,樁間距1.6 m,?0.5 m,邊坡采用拱形骨架加空心磚植草防護。

既有客專路基面寬度13.4 m,路堤高5～7 m,地基采用CFG樁加固,樁長10 m,樁間距1.8 m,?0.4 m,石濟高鐵在站場范圍(K207+059.00往小里程)采用拱形骨架加空心磚植草防護,站場范圍外采用拱形骨架護坡。

2.2 路基設計方案

基于新建與既有線位的相對關系,從強基、減載、應力阻斷以及減弱施工擾動的角度出發,提出并研究基于“樁板結構+扶壁式”擋土墻一體式及結合輕質混凝土填筑的新型并線路基設計方案。該方案采用樁板結構對地基進行加固處理,樁板結構板上部剛接扶壁式擋土墻以進行路基收坡處理,同時采用輕質高強的泡沫輕質混凝土對路基進行填筑,其余新線地基采用樁土復合地基進行加固處理,見圖3。

圖3 樁板結構結合扶壁式擋墻設計方案(單位:cm)

新型一體式結構中,扶壁式擋墻高6.5m,標準節長12.98m,扶壁厚0.6m,扶肋間距為4.2m。其中,墻身采用C40混凝土,所有鋼筋均為HRB400;該結構中下部樁基采用鉆孔灌注樁,?1.25m,樁長根據地層情況經計算而定。本次計算中,樁長設定為25m,橫斷面方向布設2排樁,樁間距為2.5m,縱向布設1排樁,樁間距為10.5m,采用現澆方式施工,須保證樁基嵌入上部承臺結構至少100mm,并保證樁頂受力主筋與上部承臺結構主筋連接牢固(見圖4)。

圖4 一體式結構示意(單位:m)

目前,類似工程中應用較為廣泛的方案多采用泡沫輕質土,以放坡形式對路基進行填筑,并采用樁土復合地基進行加固。其中,新建左部路基下方地基采用素混凝土鉆孔灌注樁,新建右部路基下方地基采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,樁基施工均采用全套管全回旋鉆孔灌注(見圖5)。

圖5 常規輕質土放坡設計方案(單位:cm)

上述兩種方案中均涉及泡沫輕質混凝土,該材料為一種新型材料,具有輕質性、強度密度可調性、高流動性、硬化后直立以及便捷施工等特點。采用該材料取代常規路基填料可減小填筑豎向荷載,以降低地基內附加應力,并減小路基沉降;減小側向壓力,以降低支擋結構內力;便利施工性能,實現施工設備小型化,降低施工場地要求,適用于空間受限的情況。

3 數值計算分析

3.1 有限元模型

采用有限元數值計算軟件Plaxis 3D對既有高鐵路基附加沉降變形影響進行計算,首先對比不同路基方案的敏感位置變形,然后針對不同的設計參數進行變形影響分析。

路基和地基變形分析通常采用基于摩爾庫倫強度準則的彈塑性本構模型,地基內不同地層土體亦采用基于摩爾庫倫強度準則的彈塑性本構模型,各地層的基本物理力學參數見表1。其中,樁體與各層樁間土之間的相互作用面采用基于莫爾庫侖準則的Goodman單元進行定義,在軟件中通過指定作用面的強度折減因子進行模擬。

表1 地基土體基本量物理力學參數匯總

工程實踐中,不同地基部位采用不同樁體類型,有限元計算模型中分別考慮抗(拉)彎能力很低的素混凝土樁和CFG樁,以及抗壓、抗剪、抗(拉)彎均較強的鋼筋混凝土樁。其中,新建左部路基下方的素混凝土樁,樁長為26.0m,樁間距為2.4m,?0.6m,正方形布置,樁體采用C30混凝土,泊松比為0.2,彈性模量為18GPa;新建有部路基下方采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,樁長為30.0m,?1.0m,每排設置2根,縱向樁間距為5m,矩形布置,采用C40混凝土,泊松比為0.2,彈性模量為30GPa;既有高速鐵路下方采用CFG樁,樁長為28.0m,?0.5m,樁間距為1.6m,正方形布置,采用C30混凝土;既有客專下方采用螺紋樁,樁長為10m,樁間距為1.8m,?0.4m,正方形布置,采用C30混凝土。樁體采用彈性本構進行模擬,泊松比為0.2,彈性模量為30GPa。此外,用于路堤填筑的泡沫輕質混凝土也采用彈性本構模型進行模擬,其基本參數見表1。

有限元計算模型橫向寬320m,地基深50m,該尺寸可將邊界效應降低至允許范圍內。模型側向邊界限制其兩個水平法向位移,底面邊界限制豎直法向及兩個水平切向的位移,模型的上表面自由。軌道結構及車輛荷載參照相關規范選取,以沿橫向分布的均布力形式施加在路基頂面。兩種路基設計方案條件下的有限元計算模型見圖6。

圖6 有限元數值計算模型

基于最不利工況,作用在基床表層的軌道及車輛荷載根據《鐵路路基設計規范》中相關規定采用標準的均布荷載形式,其數值為64.1kN/m2。

3.2 變形分析

首先,對采用常規填料進行放坡填筑的方案進行計算分析,既有路基關鍵位置的附加沉降變形見表2。

表2 常規填料放坡填筑引起附加沉降mm

對采用輕質土進行放坡填筑的路基設計方案進行數值計算,其附加沉降位移見圖7。

圖7 附加沉降位移

由圖7可知,最大變形發生于左部新線地基表面,即新建立折線與新建高鐵左線下方地基,且距離該部位越遠,附加沉降位移越小。既有路基關鍵部位的附加沉降,見表3。

表3 輕質土放坡填筑引起附加沉降 mm

對比表2、表3可知,采用泡沫輕質土進行放坡填筑,相較于采用常規填料放坡填筑,前者引起的既有路基附加沉降位移明顯小于后者,因為輕質土填筑可有效減輕路基荷載,使其對既有路基的拖拽效應顯著減小。此外,分析表3可發現,采用常規泡沫輕質土放坡填筑方案條件下,既有石濟高鐵左線和右線的路基附加沉降位移顯著大于其他既有路基,且同一線路中的兩股軌道之間的相對沉降位移差也最大。另外,需要注意的是,部分既有路基發生輕微的上拱變形,如既有高鐵右線和既有聯絡右線的路基,因其距離大面積填筑的新建區域距離最近,

針對采用樁板結構結合扶壁式擋墻的路基設計方案進行數值計算,其附加沉降位移見圖8。

圖8 附加沉降位移云圖

提取路基關鍵部位的附加沉降位移值,匯總于表4中。

表4 輕質土收坡填筑引起附加沉降 mm

分析圖8和表4可知,采用基于“樁板結構+扶壁式”擋土墻一體式結構及輕質土填筑方案條件下,既有路基各部位的附加沉降變形分布特征與常規泡沫輕質土放坡填筑方案差異甚微,幾乎可以忽略。雖然沉降差異不大,但是可有效減小占地面積,縮小施工空間,在多線并行條件下,尤其新建鐵路與既有高鐵路基之間空間受限條件下,該方法優勢明顯。

為便于更加直觀的分析兩中路基設計方案的差異,將對應位置的附加沉降位移進行差值運算,結果見表5。

表5 兩種填筑方式引起附加沉降差值 mm

由表5可知,既有右部路基,即既有聯絡線、高鐵右線、高鐵左線、聯絡右線路基的附加沉降位移較常規放坡填筑方案影響程度顯著大于既有左部路基,其中,既有高鐵右線路基附加沉降變化最為明顯,但其沉降位移絕對值僅為0.1mm級別,引起的沉降差異絕對值僅為0.01mm級別,可以忽略。產生該現象的原因為扶壁式擋土墻采用常規鋼筋混凝土進行澆筑,其自重大于所減小的放坡部位的輕質土自重,因此造成距離其較近的既有路基變形差異較大。

3.3 樁體參數影響規律

以既有客專左線和右線的附加沉降變形為觀察指標,進行新線路基下樁體參數影響規率分析。

(1)樁長影響

在樁徑及樁間距保持不變的情況下(?0.6m、樁間距2.4m),通過調整新線地基處理樁長(分別取10,20,26,30m)來分析新線地基處理樁長對既有線路基沉降的影響,數值計算結果見圖9。

圖9 不同樁長下的既有客專路基附加沉降變形分布

由圖9可知,隨著新線地基處理樁長的增加,新線對既有線路基沉降的影響減小,但當樁長繼續增大到某一值時(14m),繼續增加樁長對既有線路基沉降控制作用甚微,實際工程中宜合理確定樁長,以實現技術性與經濟性的協調;隨著樁長的增加,新線路基沉降值減小。由此推斷存在著某一臨界樁長,在臨界樁長以內時,隨著樁長的增加,新線路基對既有線路基的沉降影響減小;當超過臨界樁長后,新線路基對既有線路基的沉降影響不甚明顯。

(2)樁徑影響

樁長及樁間距保持不變的情況下(樁長26m、樁間距2.4m),通過調整樁徑(分別取0.4,0.6,0.8m)分析新線地基處理樁徑對既有線路基沉降的影響,數值計算結果見圖10。

由圖10可知,新線地基處理樁徑的影響規律與樁長相同,隨著樁徑的增加,新線對既有線路基沉降的影響減小;新線路基沉降值也隨樁徑增加而減小,且都存在衰減趨勢,實際工程中也宜合理確定某一臨界樁徑。樁長為26m時,因其已超過臨界樁長(14m),故沉降規律不明顯。

圖10 不同樁徑下的既有客專路基附加沉降變形分布

(3)樁間距影響

在樁長及樁徑保持不變的情況下(樁長26m、?0.6m),通過調整新線地基處理樁間距(分別取1.8,2.4,3.0m)分析新線地基處理樁間距對既有線路基沉降的影響,數值計算結果見圖11。

圖11 不同樁間距下的既有客專路基附加沉降變形分布

由圖11可知,隨著樁間距的增加,新線對既有線路基沉降的影響增大;其自身沉降值也增大,同樣表現出衰減趨勢。

4 結論

通過有限元數值計算,分析多線并行條件下新建路基對既有鄰近高鐵路基的附加沉降變形分布特征,對比研究兩種路基設計方案下既有路基的附加變形差異,進一步研究相關設計參數對附加沉降變形的影響規律。通過系列研究,得到以下主要結論。

(1)既有鐵路尤其高鐵路基兩側幫填新線路基會引起既有路基產生顯著附加沉降,采用輕質混凝土可有效減小附加沉降變形,單側進行新線建設同樣會引起既有路基產生附加沉降變形,且隨著距離的增加而逐漸減小,甚至產生微小上拱變形。

(2)提出基于新型“樁板結構+扶壁式”擋墻一體化結構及輕質混凝土的填筑方案,與常規輕質土填筑方案引起附加沉降變形近乎一致;該新型路基結構設計方案可有效收坡,減小占地面積,適用于多線并行且空間受限情況。

(3)隨著樁長、樁徑的增加,對既有路基沉降擾動降低,新建路基自身沉降減小;隨著樁間距的增大,對既有路基沉降擾動增大,新建路基沉降亦增大;對于新線路基,存在著某一臨界樁長,在設計中應引起重視。