淤泥地層鐵路U型槽設計方案研究

霍思遜

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

0 引言

鐵路U 型槽一般應用于地表環境條件復雜的城市深挖路塹中。在某高鐵工程中，U 型槽設置于城市隧道出口，地表為深厚淤泥質土，地下水位高，工程場地條件較差，為滿足工程實施需求，結構受力性能及使用功能需要，通過模型計算等方式，確定結構方案。

1 工程概況

該高速鐵路工程位于廣東省湛江市，設計速度250km/h，U 型槽為隧道出口與路基間的接線工程，結構段落總長380m。為保證鐵路出地面段與周邊環境協調，U 型槽段基坑開挖最大深度10.3m。結構縱向每20m 為一板，由深至淺依次為B1、B2、B3……B19，共19 板。U 型槽臨近道路及城市排洪渠，地下水位接近地表。地表向下依次為淤泥（5-1）、松軟土（5-3），可塑～硬塑狀粉質黏土（5-4）等地層，地震基本裂度為Ⅶ度。

2 結構設計

2.1 U 型槽結構設計

埋深較淺的U 型槽段落采用常規的兩邊側墻與底板組成的靜定結構。該工程中U 型槽結構最大埋深達10m，且由于所在地層為淤泥質地層，土體的側壓力較大，懸壁高度高，為控制結構變形，側向土壓力按靜止土壓力計算。結合鐵路接觸懸掛高度要求，側墻背后回填土高度超過8m（即實際側墻懸壁高度h），采用側墻頂部帶橫撐的U 型槽，由于結構為超靜定結構，可優化結構受力。兩種U 型槽結構見圖1、圖2。

圖1 一般U 型槽結構圖（單位：cm）

圖2 帶橫撐U 型槽結構圖（單位：cm）

由于邊墻為靜定懸壁梁，其墻底彎矩與實際側墻懸壁高度h 的三次方成正比；在側墻厚度隨高度線性變化的情況下，側墻承載力及計算受拉區裂縫寬度所需要的鋼筋應力與實際側墻懸壁高度（h）的平方成正比，因此側墻采用單斜率的U 型槽，在側墻受拉區通常配筋的情況下，僅計算側墻底的配筋即可滿足側墻全高的承載要求。為優化結構尺寸，便于結構兩側回填施工，U 型槽側墻斜率設計為1∶0.125，墻頂寬度設計為0.5m。U 型槽側墻頂應平順過渡，保證側墻外側連續過渡，沒有錯臺。U 型槽底板兩側設有腳趾，可起到抗浮作用，同時可減小側墻底的彎矩，改善受力。

2.2 U 型槽結構豎向變形控制

在U 型槽結構底部設置樁基礎，在U 型槽埋深較淺段落，其基底附加應力可起到控制沉降的作用；當U 型槽埋深逐漸加深，地下水位較高時，樁基礎可起到抗浮作用。考慮到該工程場地地表范圍為深厚的淤泥，厚度達12m，在長期附加荷載或列車振動的作用下，淤泥土有發生蠕變或觸變的可能，因此通過對比分析，U 型槽底部采用樁基礎，樁基上部荷載取高水位與低水位兩種工況的基底附加荷載的最大值。經計算，U 型槽底部樁基采用直徑1m 的灌注樁，樁基橫向間距5m，每個斷面布置3 根，縱向間距4m，樁長見表1。可見，為控制U 型槽的沉降，淤泥質地層中底板樁基礎長度較長，工程實施難度大。

表1 U 型槽樁基統計表

板號B1～B6 B7～B13 B14～B16 B17～B19段落長度/m 120 140 60 60樁長/m 33 39 36 41

2.3 U 型槽結構計算

2.3.1 圍護結構

（1）圍護結構參數

U 型槽放坡段基坑最大深度為8.7m，提前降水后采用放坡開挖方式進行施工，邊坡坡率1∶1.5。邊坡坡面為網噴錨防護，錨桿長度4m，噴射混凝土厚度0.1m。由于邊坡土層為淤泥及松軟土，地層條件較差，在邊坡設置水泥土攪拌樁，加固范圍為坡腳至坡頂外側5m，加固至基底以下1m，水泥土攪拌樁直徑0.5m，間距1m，正三角形布置，攪拌樁28 天無側限抗壓強度應不小于1MPa。圍護結構見圖3。

圖3 U 型槽圍護結構斷面圖

加固后邊坡土樁復合地基的抗剪強度按現行《鐵路特殊路基設計規范》（TB 10035—2018）中的方法計算，土樁復合地基的等效強度指標計算，見公式（1）、公式（2）。

式（1）中：

c

為復合地基的黏聚力（kPa）；

m

為復合地基置換率；

c

為樁體的抗剪強度（kPa），可取室內無側限抗壓強度的0.2～0.3 倍；

c

為樁間土天然抗剪內摩擦角（）。

式（2）中：

φ

為復合地基的內摩擦角（）；

φ

為樁間土天然抗剪內摩擦角（）。

（2）有限元分析

采用MIDAS GTS 有限元軟件進行模擬，基坑邊坡穩定性分析采用強度折減法計算邊坡穩定安全系數。土體按直剪固結快剪強度指標進行計算。對邊坡攪拌樁加固區的每層土進行劃分，加固后強度指標按上節提供公式計算，土體結構采用摩爾·庫倫模型。材料具體參數見表2。

表2 材料參數表

材料5-1：淤泥5-3：松軟土5-1：淤泥5-3：松軟土5-4：粉質黏土網噴混凝土錨桿土層厚度/m 3.5 3.5內摩擦角/°4 5 9 6 9 6 9 1 8黏聚力/kPa 11 14 11 14 26復合地基摩擦角/°46.4 48.8 46.4 48.8 58.6 0.1重度/（kN/m3）18 18 18 18 19 25 78.5彈性模量/kPa 5850 9510 5850 9510 15000 28000000 200000000泊松比0.42 0.41 0.42 0.41 0.3 0.2 0.25

按工程實際施工順序，先進行邊坡加固、基坑開挖，再進行有限元靜力分析、基于強度折減法分析邊坡安全系數。

對于不進行邊坡加固的工況，基坑開挖的有限元計算不能收斂，說明該工況下邊坡變形過大，計算難于收斂，所以采取邊坡加固是必要的。采取邊坡加固措施后，基坑開挖完成后的位移情況見圖4。

圖4 基坑邊坡位移矢量圖

通過邊坡加固及坡面防護措施，坡面加固范圍可形成抵抗變形的整體，擴大邊坡發生相對滑動的抵抗范圍，提高邊坡穩定安全系數。其中坡腳有明顯的應力集中，變形最大，實際施工時應注意坡腳的穩定性，若出現變形過大的情況，可對坡腳進行加固處理。

2.3.2 兩種U 型槽結構計算

（1）一般U 型槽

一般U 型槽考慮將側墻及底板作為整體進行有限元計算，采用SAP84 有限元軟件，將之簡化為平面應變桿系，按荷載—結構模型計算。結構計算需選取合適的結構計算模型，同時分析有無列車荷載、地下水位高低、樁基礎的組合影響，并計算抗震等特殊工況。

以深埋U 型槽為例，有限元模型考慮樁基礎的約束作用后，底板彎矩有顯著減小的趨勢。因此，計算底板配筋時，結構計算模型中不需要考慮樁基礎的約束作用。

另外，由于U 型槽側墻相當于靜定懸壁梁結構，受兩側水土壓力作用，沿側墻高度方向所受彎矩的大小只與側墻后土體壓力有關，與U 型槽截面等其他因素無關。

鐵路列車荷載施加與否及地下水位高低需結合計算斷面的實際受力形式取最不利工況，而深埋、淺埋對U 型槽的實際受力形式有較大影響。

通過計算，列車荷載單獨作用時，底板結構下側受拉。側墻背后水位越高，底板下部受拉越明顯。比較側墻高度為2.5m 的淺埋U 型槽及側墻高度為10m的深埋U 型槽可知，淺埋U 型槽結構主要受兩側側墻的自重壓力，底板上側受拉，該工況下列車荷載及水壓力為有利荷載。而深埋U 型槽結構，底板下側受拉，列車荷載及水壓力為不利荷載。因此，在計算U型槽結構底板彎矩時，應對有無列車荷載及高、低水位的工況分別驗算，并取最不利組合。

（2）帶橫撐U 型槽

該工程中帶橫撐U 型槽主要用于實際側墻懸壁高度（h）大于8m 的段落，橫撐縱向間距4m，每板U型槽縱向長度20m，均勻布置5 根鋼筋混凝土橫撐。U 型槽的受力計算，采用MIDAS-GEN 建立三維模型，將側墻及底板簡化為板單元，橫撐簡化為梁單元。有限元模型如圖5 所示。

圖5 帶橫撐U 型槽有限元模型圖

通過計算，對深埋U 型槽設置橫撐后，變為超靜定結構，結構的安全性有所提高，且側墻底部彎矩大幅度減小，最大為1282kN·m，僅為同樣懸壁高度U型槽側墻最大彎矩的一半。因此，在滿足接觸網等使用功能的條件下，應盡量對深埋U 型槽設置橫撐，改善結構受力狀況。

2.4 U 型槽防、排水設計

2.4.1 防水設計

U 型槽防水等級按一級設計，結構外包帶自粘層的1mm 厚反粘式防水板，側墻防水板外側設置磚砌保護層，防止回填土時破壞防水板（見圖6）。

圖6 U 型槽防水斷面圖

2.4.2 排水設計

U 型槽槽頂應高出百年洪水位及內澇水位，綜合考慮水位及未來城市發展，該工程U 型槽槽頂比現狀地面高出約1.5m，同時保證與U 型槽銜接的路基填高不低于U 型槽側墻高度，并在U 型槽與路基分界處設置擋水坎，防止地表水從路基段倒灌入U 型槽。

3 結論

經上述分析，得出如下結論：第一，設置于淤泥等地層較差段落的U 型槽，如果埋深較深，則側墻所受側壓力較大，在滿足接觸網等使用功能的條件下，可以考慮設置橫撐，改善結構受力情況。第二，深厚淤泥地層下，在U 型槽結構底部設置樁基礎較為合理，在埋深較淺段落，樁基礎可起控制沉降作用；當U 型槽埋深逐漸加深，地下水位較高時，樁基礎可起抗浮作用，設計時應分情況進行驗算。第三，深厚淤泥地層基坑采用放坡開挖方式時，邊坡可采用混凝土樁加固，形成復合地基，提高邊坡的黏聚力，有利于邊坡穩定。第四，U 型槽結構的受力驗算工況較多，需合理選取結構計算模型，分析有無列車荷載、地下水位高低、樁基礎的組合影響，取最不利荷載組合進行結構受力驗算。