新建連鎮鐵路施工對鄰近滬寧城際鐵路的影響

范劍雄王海峰陜耀

1.中國鐵路上海局集團有限公司南京鐵路樞紐工程建設指揮部，南京 210042；2.中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司，上海 200071；3.同濟大學上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室，上海200092

隨著高速鐵路線網規模不斷擴大，不可避免出現大量新建線路與既有高速鐵路線路的并軌、并線需求，涉及一系列軌道結構改造、既有高速鐵路路基幫寬、地基處置和站場改造工程，同時要滿足高速鐵路嚴苛的變形控制要求，如何有效控制接軌工程施工對既有高速鐵路線路結構及行車安全的影響已成為高速鐵路建設中必須面對的新問題［1-5］。接軌工程面臨兩大關鍵技術難點：施工期變形控制和運營期路基長期變形控制，后者關系到新舊線路長期服役性能，具有重要意義。

針對線路周邊加載、卸載引發既有高速鐵路線下基礎變形問題以及路基幫寬工程的研究較多［6-10］。孫明超［6］依托工程實際，運用有限元仿真技術和簡化復合模量法對既有無砟鐵路路基處理方案進行研究。胡潤乾［7］利用有限元軟件MIDAS GTS-NX模擬路基填筑普通填料和輕質混凝土情況下旋噴樁、鋼管微型樁的加固效果，提出了高速鐵路無砟軌道幫寬后既有路基的沉降控制方案。國內外關于接軌工程施工對既有高速鐵路影響的研究較少。廖進星［11］對張吉懷鐵路引入滬昆場方案（簡單接入方案、無砟軌道方案、增加一條到發線方案）及對滬昆高速鐵路既有路基的影響進行了研究。李井元等［12］以魯南高速鐵路引入京滬高速鐵路曲阜東站為背景，針對接軌段路基的臨界距離、路基填料、地基處理、施工安全等技術進行了分析。李帆等［13］基于魯南高速鐵路曲阜東站聯絡線接軌工程，采用ABAQUS軟件建立有限元模型對既有路基附加沉降隔離效果的影響進行了研究。左坤［14］采用靜壓預應力管樁加固滬寧鐵路軟土地基并進行路基穩定性監測，減少了新建滬寧城際鐵路對鄰近既有京滬普速鐵路路基的影響。

本文依托連鎮鐵路鎮江站接軌滬寧城際鐵路工程，針對現場監測布置及主要施工步驟流程進行了介紹，利用自動光纖監測系統對地層分層沉降以及樁板結構內力進行監測分析，以期為類似接軌工程施工對既有高速鐵路線路結構的變形控制提供參考。

1 工程概述

新建連鎮鐵路地處我國東部沿海軟土地區，位于江蘇省南北縱向中軸線上，正線全長304.537 km，設計區段列車速度為250 km/h。鎮江站是鎮江市的主要高速鐵路車站，車站自南向北依次為滬寧城際客專場、京滬鐵路普速場。本工程涉及的連鎮鐵路鎮江聯絡線位于鎮江站接軌滬寧城際客專場。鎮江聯絡線正線線間距4.2 m，設計時速160 km，采用有砟軌道。接軌工程現場如圖1所示。

圖1 接軌工程實景

接軌段既有滬寧城際鐵路地基主體區域采用水泥粉煤灰碎石樁（Cement Fly-ash Gravel，CFG）加固，樁徑0.5 m，樁間距1.6～1.8 m，樁長5～28 m（樁長嵌入粉質黏土③層內不小于1 m），按正方形布置。新建連鎮鐵路地基主體區域采用樁板結構加固，樁徑1.0 m，樁長16～35 m，按矩形布置，橫向樁間距3～4 m，縱向樁間距5 m，筏板厚度1.0 m，縱向長度每節14.98 m。現場主要地層參數見表1。

表1 相關土層物理力學參數

2 監測方案

由于新舊路基強度差異、列車動荷載、降雨、地下水等原因，接軌工程在長期運營中容易產生新舊路基差異性沉降、路基結構穩定性破壞等問題，危及線路運行安全，因此需進行長期變形及內力監測。本工程監測內容包括地層沉降及樁板結構內力。

2.1 地層沉降監測

地層沉降測點位于新建樁板結構筏板中央，用于測量新建線路路基長期沉降變形，測點布置如圖2所示。

圖2 地層水平位移及沉降監測測點布置示意（單位：m）

監測依托自動光纖監測系統進行，該系統由光纖沉降管、解調儀、無線傳輸模塊、云端平臺和在線軟件模塊組成。光纖沉降管由長標距光纖光柵位移計首尾相連串聯組成，每支傳感器標距3 m，即可實現鉆孔中每3 m布置1個測點。光纖光柵位移計采用光纖光柵作為位移敏感元件，測量精度不受光纖傳輸距離及電磁干擾的影響，滿足長期監測要求。在傳感器內部安裝了1個光纖光柵溫度傳感器，用以補償溫度對測量的影響。

在選定位置鉆孔埋設光纖光柵沉降管，測量不同深度的地層水平位移，所測數據通過現場的光纖解調儀采集后經無線網絡傳輸至云端平臺。在線軟件模塊為用戶提供項目的監測內容信息、整體布設信息以及報警統計信息、各監測內容的傳感器布設點位信息、實時更新監測數據并顯示傳感器的測量狀態。監測數據采集頻率可自由設定，運營期長期監測時可設定為每天一次。

地層沉降監測方案的現場實施主要包括管線整理、鉆孔、下放管線、回填密實、測點保護等。所有的光纖傳感器件布設完畢后，通過線路引入就近建立的監測站內，最終實現整體監測單元的網絡化控制。配合相關軟件系統開發，進行自動化測量、儲存和分析，通過無線傳輸網絡及客戶端軟件可以實時在線監測、查看監測結果，最終達到自動化監測的目的。

2.2 樁板結構內力監測

樁板結構內力監測采集的數據包括筏板溫度、筏板軸力、樁端軸力，用于監控新建樁板結構基礎的長期結構安全。

測量傳感器采用光纖光柵鋼筋傳感器及溫度計，如圖3所示。在承載板上下表面布置鋼筋應力計及溫度計，鋼筋應力計沿承載板寬度方向間隔為1.5 m，鋼筋應力計方向平行于承載板走向。每層合計需要4支鋼筋應力計和2支溫度計。在樁頂和樁底測量其樁端應力，鋼筋應力計方向平行于樁基方向，布置如圖4所示。每根樁需要8支鋼筋計2支溫度計。

圖3 樁板結構內力監測傳感器布置（單位：m）

圖4 光纖光柵鋼筋傳感器安裝過程

在樁基鋼筋籠綁扎過程中，用電焊機將一段主筋端切割下來，將光纖光柵鋼筋應力計放在原主筋切割段的位置，用焊接的方式將鋼筋應力計取代原鋼筋籠的一段主筋，隨鋼筋籠一同澆筑在混凝土梁中。安裝時注意用濕毛巾將鋼筋應力計包裹住，且在焊接過程中應頻繁更換濕毛巾，防止因溫度過高而損壞傳感器。

3 監測結果及分析

3.1 地層沉降監測

地層沉降監測結果見圖5。可知：在監測系統調試期，路基上部無列車荷載，沉降很小；進入聯調聯試期后，受測試列車荷載作用，沉降逐漸增大；進入正式運營期后，地層總沉降進一步發展，在正式運營9個月后約達7 mm，結果表明在軟土地區樁板結構路基長期沉降主要受列車運行荷載影響，沉降在較長時間內持續發展。

圖5 沉降測點地層總沉降變化情況

根據測點所處地層自然分層為分界點提取了不同深度處的沉降，各項數值表示該深度區間內的總地層沉降，見圖6。可知：各地層沉降總體呈現上部大下部小的規律，這是由于地層沉降主要受列車荷載產生的附加應力影響，而附加應力隨深度不斷衰減；較為特殊的9～13 m區間地層沉降較大，這是因為該深度范圍為淤泥質粉質黏土層②1（參見表1），該類土的壓縮模量及抗剪強度參數顯著小于區域內的其他土體，因而產生了相對較大的沉降變形；0～6 m區間地層沉降較小，這是因為該地層為人工填土，經過壓密壓實處理，其工后變形較小。

圖6 沉降測點不同深度處的分層沉降變化情況

3.2 樁板結構內力監測

3.2.1 筏板溫度

樁板結構路基中筏板內力與溫度關系密切，因此對筏板溫度進行分析。筏板溫度隨當地氣溫變化情況，見圖7。可知：筏板溫度與當地氣溫總體成正相關，且筏板溫度的變化相對于當地氣溫變化有1~2 d滯后。總體而言，筏板溫度略高于當地平均氣溫，這是因為位于筏板下部的路基土比熱容較大，其在一天中氣溫較高時吸收環境熱輻射存儲熱量，在氣溫較低時通過熱傳導將熱量傳遞給筏板，使得筏板溫度高于環境的平均氣溫。筏板底板溫度比頂板溫度高2~3℃，同樣是由于路基土對環境熱輻射進行吸收存儲后傳導至筏板，使得直接與路基土接觸的底板的溫度略高于頂板。

圖7 筏板溫度隨當地氣溫變化情況

3.2.2 筏板軸力

筏板斷面頂板處軸力見圖8。可知：筏板作為承壓結構，與梁結構類似，頂板處總體是受壓的，在監測系統調試和聯調聯試期，筏板軸力基本穩定，而進入正式運營期后，筏板頂板壓力先減小后增大。這是因為筏板軸力受上部荷載和結構溫度共同影響。當結構溫度降低時，根據熱脹冷縮原理，筏板產生收縮趨勢，但由于外部結構約束，筏板無法自由收縮變形，故在外部結構的約束下產生拉伸，從而使得板內的壓應力減小。反之，當結構溫度升高時板內壓應力增大。另一方面，在上部荷載作用下筏板受壓向下彎曲，筏板頂板受壓、底板受拉，上部荷載越大則應力越大。聯調聯試期與監測系統調試期相比，筏板上部荷載增加，但受當地氣溫影響，筏板結構溫度降低，筏板軸力總體變化不大；進入正式運營期后，上部荷載基本不變但筏板溫度進一步降低，筏板受壓軸力顯著降低，在當地氣溫最低日附近達到最小值；此后，隨著氣溫回暖，筏板溫度升高，筏板受壓軸力相應增大。

圖8 筏板斷面頂板處軸力變化情況

3.2.3 樁端軸力

現場樁頂和樁底軸力的變化情況見圖9。可知：從監測系統調試期開始，樁底軸力逐漸增大，進入正式運營期后達到穩定，約為85 kN；樁頂軸力先是逐漸增大，在正式運營一段時間后達到峰值533 kN，然后逐漸降低。樁端軸力主要受樁板結構體系、上部荷載、樁板結構樁土分擔比、樁側摩阻力等因素影響。初期樁板結構尚未完全成型，樁的承載能力不足，上部荷載主要由土承擔，故此時樁端軸力較小。隨著樁板結構逐漸成型，原先由板下土體承擔的荷載轉移到了樁上，由樁承擔的荷載比例逐漸增大，樁端軸力隨之增大，同時樁頂軸力增大但樁底軸力不變，說明樁側摩阻力在發揮作用，承擔了更多的豎向荷載；正式運營一段時間后，隨著樁板結構進一步下沉，板下土體被壓密，其承載能力進一步提高，土承擔了更多上部荷載，樁土分擔比逐漸減小，樁端軸力隨之逐漸減小。

圖9 樁頂、樁底軸力變化情況

4 結論

1）軟土地區樁板結構路基長期沉降主要受列車運行荷載影響，沉降在較長時間內持續發展，在正式運營9個月后約達7 mm。各地層分層沉降大小主要受土體物理力學參數和列車荷載產生的附加應力影響。

2）樁板結構筏板溫度受當地氣溫影響顯著，二者成正相關。總體而言，筏板結構溫度比當地氣溫高2~5℃，筏板底板溫度比頂板溫度高2~3℃。筏板軸力受上部荷載及結構溫度共同影響。在上部荷載穩定之后，筏板軸力仍將隨當地氣溫變化而發生顯著變化。以本工程結構為例，筏板受壓軸力隨溫度變化幅度超過600 kN。

3）軟土地區樁板結構樁底軸力先逐漸增大后保持穩定，樁頂軸力先增大后減小。樁端軸力主要受樁板結構體系、上部荷載、樁板結構樁土分擔比、樁側摩阻力等因素影響。以本工程結構為例，樁底軸力穩定值約為85 kN；樁頂軸力在正式通車運營3個月后到達峰值533 kN，之后逐漸減低。