雨棚荷載下臨近營業(yè)線變形分析

冀少峰

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,上海 200070）

0 引言

十多年來，我國保持著大規(guī)模建設(shè)高速鐵路的熱潮。隨著高鐵運(yùn)行速度的提高，必然對鐵路的變形要求越來越高[1-2]。當(dāng)新建高速鐵路臨近既有高速鐵路時(shí)，必須保證既有高速鐵路的變形在允許范圍內(nèi)，新建鐵路路基通過采用樁板結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)混凝土的形式可有效控制既有高速鐵路的變形。該文以六慶高鐵并行既有安九高鐵為研究對象，分析在站臺(tái)雨棚荷載下六慶高鐵的路基施工對既有安九高鐵無砟軌道路基的影響。

1 工程概況

六慶鐵路北起安徽省六安市，南至安徽省安慶市，全長167 km，按時(shí)速250 km/h客運(yùn)專線建設(shè)。安九鐵路北起安徽省安慶市，南至江西省九江市，全長176 km，按時(shí)速350 km/h客運(yùn)專線建設(shè)，且已通車運(yùn)營。六慶鐵路與安九鐵路共站建設(shè)（六慶鐵路稱之潛山南站）。安九鐵路采用無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，且已開通運(yùn)營，根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182—2017）、《臨近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（TB 10314—2021）及《中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司營業(yè)線施工工務(wù)安全監(jiān)督管理辦法》（上鐵工[2020]345號）中的相關(guān)要求，既有無砟軌道高鐵路基的軌道、路基的水平和豎向位移限值均為2 mm[3-4]。

潛山南站范圍內(nèi)安九高鐵采用螺紋樁對地基進(jìn)行加固處理，六慶高鐵采用側(cè)墻式樁板結(jié)構(gòu)對地基進(jìn)行加固處理。DK141+225安九鐵路路基填高5.2 m，螺紋樁長8.5 m，樁間距2.2 m。六慶鐵路站臺(tái)填高8.2 m，鉆孔樁長23 m，縱向間距5 m，橫向間距3.4 m，板厚1 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 本構(gòu)關(guān)系及沉降計(jì)算理論

材料本構(gòu)關(guān)系的選取關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的精度，為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，該文采用線彈性模型（Linear elastic）和摩爾—庫侖模型（Mohr—Coulomb）兩種本構(gòu)關(guān)系。其中，鉆孔灌注樁、筏板采用線彈性模型，基床表層、基床底層、路基本體和地基采用摩爾—庫侖模型[5-6]。

2.2 材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)地質(zhì)勘察資料和相關(guān)文獻(xiàn)，材料采用的參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

2.3 荷載及雨棚引起的附加應(yīng)力

根據(jù)鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范，以及對該次模型進(jìn)行保守計(jì)算，安九高鐵和六慶高鐵均采用雙線雙荷的荷載形式，且六慶高鐵的荷載分別施加在無樁板結(jié)構(gòu)支撐的最左側(cè)股道和距離雨棚荷載最近的最右側(cè)股道。折算成均布荷載見表2。

表2 軌道列車總荷載及雨棚荷載

雨棚立柱間距9 m，且單個(gè)雨棚立柱荷載在1 204～1 394 kN之間，模型選取的里程范圍為DK141+210～DK141+245，該范圍包含3個(gè)雨棚立柱，雨棚基礎(chǔ)在站臺(tái)上埋深2.0 m，且中間雨棚立柱位于筏板的伸縮縫位置，附近應(yīng)力引起的筏板邊緣彎矩為最不利情況。

2.4 有限元模型建立

利用有限元分析軟件Midas—GTS對模型進(jìn)行建立求解。其中，鉆孔樁采用植入式梁單元來模擬樁的受力；其余結(jié)構(gòu)均采用3D單元[7]。

2.5 變形分析

六慶鐵路路基施工會(huì)造成既有安九鐵路無砟軌道發(fā)生位移，該文對有無雨棚荷載進(jìn)行對比分析，位移云圖如圖1～4所示。

對安九高鐵軌道和路肩的變形進(jìn)行列表分析，詳見表3。

通過圖1～4和表3可知，DK141+210～DK141+245范圍內(nèi)，當(dāng)六慶鐵路路基采用樁板結(jié)構(gòu)加固地基時(shí)，無論站臺(tái)上有無雨棚荷載，安九高鐵軌道結(jié)構(gòu)的水平位移、豎向位移和路肩的豎向位移均能滿足限值要求，且雨棚荷載對安九高鐵無砟軌道的變形幾乎無影響。

表3 安九高鐵軌道和路肩變形量

圖1 無雨棚荷載時(shí)水平位移云圖

圖2 有雨棚荷載時(shí)水平位移云圖

圖3 無雨棚荷載時(shí)豎向位移云圖

圖4 有雨棚荷載時(shí)豎向位移云圖

2.6 筏板應(yīng)力分析

單獨(dú)提取筏板模型，顯示雨棚荷載施加前后的縱橫向應(yīng)力云圖，對比分析有無雨棚荷載時(shí)筏板的拉壓應(yīng)力，應(yīng)力云圖如圖5～8所示。

圖5 無雨棚荷載時(shí)縱向應(yīng)力云圖

圖6 有雨棚荷載時(shí)縱向應(yīng)力云圖

圖7 無雨棚荷載時(shí)橫向應(yīng)力云圖

圖8 有雨棚荷載時(shí)橫向應(yīng)力云圖

對筏板的應(yīng)力進(jìn)行列表分析，詳見表4。

表4 筏板的應(yīng)力

通過圖5～8和表4可知，DK141+210～DK141+245范圍內(nèi)，第二塊筏板緊挨伸縮縫位置懸臂最大，縱向懸臂2.5 m，筏板該處的頂面和底面分別出現(xiàn)最大縱向拉應(yīng)力和最大縱向壓應(yīng)力。受站臺(tái)填料側(cè)向壓力的影響，最外側(cè)樁基對應(yīng)筏板位置的頂面和底面分別出現(xiàn)最大橫向拉應(yīng)力和最大橫向壓應(yīng)力。雨棚荷載對筏板應(yīng)力影響很小。

3 結(jié)論

通過對工程模型的數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）新建高鐵路基距離既有高鐵路基較近時(shí)新建路基宜采用樁板結(jié)構(gòu)形式通過，可滿足高鐵無砟軌道和路基的變形限值要求。

（2）填方較高時(shí)，填料本身荷載遠(yuǎn)大于雨棚荷載，雨棚荷載對既有無砟軌道的變形及筏板的應(yīng)力影響很小。