運營鐵路增線幫寬路基變形和穩定性問題綜述

龐 軍 吳紅剛 張 輝 唐 寧 李德柱 隋成文

(1. 蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070; 2. 中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730099;3. 中鐵九局集團有限公司,沈陽 110013)

引言

強國富民,鐵路先行,隨著我國交通運輸總流通量的迅猛增加,多數未充分考慮到可持續發展和區域性平衡發展的運營鐵路存在運能不足等問題[1-3]。 為此從“十一五”開始,我國交通運輸體系發展規劃(以下簡稱規劃)明確提出要加大推進運營鐵路的擴能。 目前,增線方案是提高運營鐵路現期運輸能力、補足近遠期運輸能力的最有效辦法[4-6]。 但增線擴能方案中新建線引入既有線,分離式幫寬并行或交叉既有線,以及整體式幫寬都面臨路基幫寬產生的附加應力會導致新舊路基產生差異變形和穩定性降低,進而威脅著運營鐵路軌道的平順性和安全性[7-8]。 因此,幫寬引起的差異變形和穩定性問題是鐵路擴能改造中所面臨的重大難點問題和突出性矛盾。

目前,國內外關于運營鐵路幫寬變形及穩定性問題的研究還處于發展階段,并且在內容上多以影響因素和控制技術研究為主,研究范圍小、深度淺。 基于此,對運營鐵路幫寬變形和穩定性問題的研究歷程和研究內容進行總結歸納,并從影響因素及規律、幫寬下運營鐵路安全性評估方法、幫寬變形及穩定性控制技術3 個方面,對運營鐵路增線擴能的幫寬變形和穩定性問題進行綜述,以期為類似幫寬工程的建設及未來研究提供借鑒。

1 研究現狀

1.1 幫寬變形及穩定性問題研究歷程

關于運營鐵路增線擴能的幫寬變形和穩定性問題研究多從2003 年開始,以“鐵路幫寬、鐵路拓寬、緊鄰/鄰近既有線、緊鄰/鄰近運營鐵路、既有線增線”為關鍵詞,對知網文獻進行檢索;其次結合檢索文獻的參考文獻,較全面地整理歸納2003 ～2023 年的相關文獻,并基于歷年文獻數量對運營鐵路增線擴能的幫寬變形和穩定性問題研究劃定發展階段。 歷年文獻數量統計及發展階段劃分與占比如圖1 所示。

圖1 歷年文獻數量統計及發展階段劃分與占比

由圖1 可知,“十五”規劃施行至“十二五”規劃提出階段,只有零星相關文獻發表,數量少,僅占總文獻量10.8%,且呈現出間斷性,說明只有少部分學者注意到運營鐵路幫寬的差異沉降和穩定性問題,因此這十年是該問題研究的萌芽期;從“十二五”規劃施行至“十三五”規劃提出階段,連續有較多的相關文獻發表,占比為33.8%,說明運營鐵路幫寬的差異沉降和穩定性問題已經引起了較多學者的關注,因此這5 年是該問題研究的正式起步期;從“十三五”規劃實施至“十四五”規劃提出階段,連續有大量相關文獻發表,占比高達55.4%,說明運營鐵路幫寬的差異變形和穩定性問題已得到廣大學者的普遍關注,因此這5 年是該問題研究的快速發展期。

由圖1 可知,運營鐵路幫寬變形和穩定性相關理論研究在整體上呈現出上升的趨勢,已取得了一定的發展,但由于還沒有進入到成熟期,因此相關研究及相應規范標準還有待進一步深入完善。

1.2 運營鐵路幫寬變形及穩定性問題研究內容

為了認識運營鐵路幫寬變形和穩定性問題研究的主要內容,按照表1 的分類依據對歷年文獻進行細致分類,運營鐵路幫寬變形及穩定性研究內容數量及占比如圖2 所示。

表1 運營鐵路幫寬變形及穩定性問題研究內容劃分

圖2 運營鐵路幫寬變形及穩定性研究內容數量及占比

由圖2 可知,第一類和第四類的數量及占比最多,第五類次之,說明目前運營鐵路幫寬變形和穩定性問題研究主要集中在影響因素、控制技術及效果對比或評價2 個方面,研究范圍小且深度淺,多為幫寬過程中對施工技術的總結;第三類和第六類數量和占比較少,說明目前研究對運營鐵路幫寬變形下的既有路基安全性評估關注度不夠,并且在宏觀上對運營鐵路幫寬工程從地質勘察→控制技術施工的整體前后流程還認識不清,因此提出了運營鐵路幫寬變形和穩定性問題的整體研究思路,如圖3 所示;第二類的數量及占比為零,說明目前研究在幫寬變形對路基-軌道-車輛耦合系統的力學影響方面還處于空白狀態因此,研究其對路基-軌道-車輛耦合系統的力學影響很有必要。

圖3 運營鐵路幫寬變形和穩定性問題的整體研究思路

2 運營鐵路幫寬變形和穩定性影響因素

運營鐵路幫寬工程受施工、環境、地質、列車荷載、幫填尺寸、填料性質等因素的綜合影響,因此掌握影響因素的種類,了解各因素的影響規律,是進行運營鐵路安全性評估、控制技術優效選取的基礎,因此有必要對運營鐵路幫寬變形和穩定性問題的影響因素和影響規律進行歸納。

2.1 幫寬變形和穩定性影響因素的分類

整理目前影響運營鐵路幫寬變形和穩定性的各種因素,得到運營鐵路幫寬變形和穩定性的影響因素分類,如圖4 所示。

圖4 運營鐵路幫寬變形和穩定性的影響因素分類

2.2 各因素的影響規律

(1)基坑開挖深度

黃建凌等分別以滬寧高鐵并行京滬鐵路DK80+835～935 段、DK95+650 處、DK91 ～DK93 段幫寬工程為依托,通過現場測試和數值模擬方法探究基坑開挖深度對運營鐵路幫寬變形和穩定性的影響,影響規律如圖5～圖6 所示[9-11]。

圖5 基坑開挖深度對運營鐵路坡腳水平變形的影響

圖6 基坑開挖深度對運營鐵路穩定性的影響

由圖5 可知,隨著基坑開挖深度的增大,運營鐵路坡腳的水平位移增大,這與羅錕以滬寧城際鐵路交叉滬寧鐵路幫寬工程所得出的影響規律一致[12]。 但由于幫寬工程所在區域地層條件、環境因素等的不同,不同研究者得到的坡腳位移值均不相同。

由圖6 可知,隨著基坑開挖深度的增大,運營鐵路的穩定性降低,并且降低幅度十分顯著,因此基坑開挖施工是運營線幫寬施工過程中的最危險階段。

(2)樁基施工

呂陽采用數值模擬軟件ABAQUS 分析樁土摩擦系數、既有樁體模量和新建樁體模量對運營鐵路路基沉降的影響,影響規律如圖7、圖8 所示[13]。

圖7 樁土摩擦系數對運營路基沉降的影響

圖8 樁體模量對運營路基沉降的影響

由圖7 可知,隨著樁土摩擦系數的增大,運營鐵路路基的沉降值減小,呈現出非線性負相關關系,樁土摩擦系數小于0.25 時,影響敏感性較大;樁土摩擦系數超過0.25 時,影響敏感性較小。 整體上,樁土摩擦系數對運營鐵路路基沉降值的影響程度較小。

由圖8 可知,運營鐵路路基沉降隨著樁體模量的增加呈現出非線性減小,并且新建樁體模量的影響程度在整體上較小,而既有樁體模量的影響程度十分顯著。 當樁體模量小于2 000 MPa 時,樁體模量對運營鐵路路基沉降的影響敏感性很大,樁體模量大于2 000 MPa 以后,敏感性較小。

李帆等以新建魯南高速鐵路并行引入京滬鐵路曲阜東站幫寬工程為依托,采用數值模擬軟件ABAQUS分別研究隔離樁施工參數對運營鐵路附加沉降的影響,影響規律如圖9 所示[14]。

圖9 隔離樁施工參數對運營鐵路路基附加沉降的影響

由圖9 可知,隨著樁長、樁徑、樁排數量的增大,運營鐵路路基的附加沉降減小,呈現出非線性負相關關系;隨著樁間距的增大,運營鐵路路基的附加沉降增大,呈現出非線性正相關關系,在影響程度上,樁排數量＞樁間距和樁長＞樁徑。

楊生等利用FLAC3D數值模擬軟件研究隔離樁排數對路基頂面水平位移的影響,影響規律如圖10所示[15]。

圖10 樁排數量對運營鐵路路基頂面水平位移的影響

由圖10 可知,隨著隔離樁樁排數的增加,運營鐵路路基頂面的水平位移減小,且減小的幅度越來越大。

(3)路基填筑尺寸

張燕以棄土并行堆填滬昆南新環線幫寬工程為依托,采用GeoStudio 軟件和理正軟件分析堆載高度、堆載間距對運營鐵路軌頂變形和路基穩定性的影響,影響規律如圖11、圖12 所示[16]。

圖11 堆填高度對運營鐵路軌頂變形的影響

圖12 堆填高度對運營鐵路路基穩定性的影響

由圖11 可知,隨著堆填高度的增加,運營鐵路軌頂的水平位移和豎向位移均增大,呈現出線性正相關關系,且影響程度較大;隨著堆填荷載與運營鐵路路基間距的增大,運營鐵路軌頂的水平和豎向位移均減小,呈現出負相關關系。

由圖12 可知,隨著堆填高度的增大,運營鐵路路基最小穩定性系數減小,呈現出負相關關系,并且影響程度顯著。

周川濱以某新建高鐵引入既有高鐵站幫寬工程為依托,采用數值分析方法研究幫填寬高比對運營鐵路路基面附加沉降的影響,影響規律如圖13 所示[17]。

圖13 幫寬路基寬高比對運營鐵路路基附加沉降的影響

由圖13 可知,運營鐵路路基的附加變形與幫填路基寬高比近似呈線性正相關關系,隨著幫填路基寬高比的增大,運營鐵路路基附加沉降增大,且影響顯著。

綜合以上,說明幫填路基尺寸、與既有線間距對運營鐵路路基變形、穩定性以及軌道結構平順性影響較大。

(4)路基填料性質

張紅等以魯南高鐵曲阜東站聯絡線引入京滬高鐵幫寬工程為依托,采用數值模擬分析了幫填路基重度對運營鐵路中心頂面附加沉降的影響,影響規律如圖14 所示[18]。

圖14 幫填路基重度對運營鐵路中心頂面附加沉降的影響

由圖14 可知,隨著幫填路基填料重度的增加,運營鐵路路基中心頂面的附加沉降增大,呈現出正相關關系。

李克甲依托中蘭鐵路接入中川城際鐵路對稱幫寬工程,采用ABAQUS 數值模擬軟件研究路基幫填填料強度和剛度對運營鐵路路基變形的影響,發現越靠近幫填位置,強度和剛度對運營路基變形的影響越明顯,影響規律如圖15 所示[19]。

圖15 幫填路基填料剛度對運營路基頂面變形的影響

由圖15 可知,運營路基頂面的變形位移與幫填路基平均模量間呈現出負相關關系,隨著平均模量的增大而減小,影響程度較小,且越靠近幫填路基位置,幫填路基填料剛度對運營路基變形的影響越明顯。 幫填路基填料強度指標黏聚力和內摩擦角對運營鐵路路基頂面變形的影響規律和幫填路基填料剛度的影響規律類似,不過在影響程度大小上,強度＞內摩擦角＞黏聚力。

(5)臺階開挖尺寸

李克甲研究臺階開挖坡率為1 ∶1.5 時,臺階開挖寬度/高度對運營路基變形的影響規律如圖16 所示[19]。 劉源浩依托邯濟至膠濟段運營鐵路幫寬工程,采用數值模擬ABAQUS 分析出臺階開挖坡率在1 ∶1.25～1 ∶1.5 之間時,對運營鐵路路基頂面變形的影響較小,臺階開挖合理高度為0.8～1.0 m,合理寬度為1.0～1.5 m。

圖16 臺階開挖寬度對運營鐵路路基頂面變形的影響

由圖16 可知,在臺階開挖坡率一定的情況下,運營鐵路路基頂面的變形與臺階開挖寬度呈現出正相關關系,隨著臺階開挖寬度的增大而增大,但影響程度較小,并且臺階寬度為0.6～1.5 m 的增長幅度小于臺階寬度為1.5～2.1 m,說明最佳臺階開挖寬度為0.6 ～1.5 m,劉源浩得出的合理開挖尺寸就位于該區間[20]。

(6)加筋層鋪設參數

李克甲研究了土工格柵鋪設對運營鐵路路基頂面變形的影響,發現在加筋材料性質參數相同的條件下,加筋層鋪設位置對運營鐵路變形的控制效果從大到小為:基床表層＞基床底層以下＞基床底層。 運營鐵路路基的頂面變形與加筋層鋪設層數、模量和長度間呈負相關關系,即隨著加筋層鋪設層數、模量和長度的增加,運營鐵路路基頂面的水平位移和沉降值減小,變化規律類似于圖15。 運營鐵路路基的頂面變形與加筋層鋪設間距呈正相關關系,即隨著加筋層鋪設間距的增大,運營鐵路路基頂面的水平位移和沉降值增大,變化規律類似于圖16。 總體上,加筋層鋪設層數、模量、長度和間距對運營鐵路路基變形的影響程度均很小。

(7)環境因素

左珅研究了降雨對運營鐵路路基坡腳水平位移和穩定性的影響,影響規律如圖17 所示。

圖17 降雨對運營路基坡腳水平位移和穩定性的影響

由圖17 可知,降雨使運營鐵路路基坡腳的水平位移和穩定性急劇降低,影響非常顯著,因此運營鐵路幫寬工程施工之前,應建立完善健全的防排水系統;其次施工過程中要緊密關注天氣預報,避免在雨天進行幫寬施工;最后要做好降雨期間路基安全的防控措施和應急預案。

(8)列車荷載因素的影響

Georgy Lazorenko 等采用PLAXIS 2D 數值模擬軟件分析列車荷載對運營路基變形和穩定性的影響,影響規律如圖18、圖19 所示[21]。

圖18 列車荷載對運營路基穩定性的影響

圖19 列車荷載對運營路基路肩沉降的影響

由圖18、圖19 可知,隨著列車荷載的增加,運營路基的穩定性下降,呈現出負相關關系,運營路基路肩沉降值增大,呈現出正相關關系。 由此可見,運營鐵路幫寬施工時對列車的安全運行存在很大威脅。

3 幫寬下運營鐵路安全性評估方法

目前,運營鐵路的安全性評估方法復雜多樣,呈現出“百花齊放”的現狀,以評估對象、方法、指標的不同,組合出現了各種各樣的評估方法。 按照評估對象→評估方法→評估指標的順序,歸納幫寬下運營鐵路的安全性評估方法,如圖20 所示。

圖20 幫寬下運營鐵路安全性評估方法

(1)穩定系數法

穩定系數法是指通過某方法計算出運營路基在某狀態下的穩定系數,將其與規范閾值進行比較,以此來確定運營路基穩定狀態的方法。 該方法對運營路基穩定狀態的確定具有不確定性,如劉維正在幫寬工程中發現,穩定系數大于1 的運營路基發生了垮塌,而小于1 的卻未發生垮塌。 相關規范要求的運營路基穩定閾值是1.15,不穩定閾值是1.0,1.0 ～1.15 為欠穩定狀態。

(2)變形累計量法與速率法

變形累計量法是指將現場監測、理論計算或數值模擬等方法得出的運營路基累計變形量與設計閾值進行比較,以此來確定運營路基變形程度的方法。 該方法無法反映運營路基變形的快慢,且理論和數值計算結果有時與現場實測值出入較大,易造成評估結果的失真[22]。

速率法定義為單位時間內的累計變形量,可反映出運營路基變形速率的快慢。 速率法和變形累計量法的水平變形閾值及分級如圖21 所示[23]。

圖21 速率法和變形累積量法的水平變形閾值及分級

(3)差異變形量法

差異變形量法是指通過理論計算、數值計算或現場實測得到運營路基或運營軌道相鄰兩測點的差異變形量,將其與確定的預警值進行對比,以此對運營鐵路安全性進行預警評估的方法,該方法無法反映出運營鐵路的變形協調程度。 運營鐵路基于差異變形法的預警閾值和分級如圖22 所示[24-26]。

(4)評分法和標準差法

評分法是指將軌檢車測得的軌道高低、水平、軌向、軌距及三角坑等軌道平順性指標參數進行扣分,根據扣分值大小對軌道平順性進行評估的方法。 但只能評估軌道局部區域,無法反映軌道不平順的變化率、超限長度與周期性連續不平順。

標準差法(TQI值法)是對軌檢車測得的軌道平順性指標參數以200 m 為一個區段進行標準差計算,進而根據標準差對區段軌道質量進行評估的方法。

標準差法和評分法常常被結合使用來評估區段與局部軌道質量狀態。 幫寬時運營鐵路軌道質量指數標準值如表2 所示[27]。

表2 幫寬時運營鐵路軌道質量指數標準值

(5)強度法

強度法指將擬靜力法、數值計算法等得到的基床表層、基床底層、路基本體的動總應力減去40 kPa 后,按照線性內插的方法轉化成沿路基深度變化的K30標準,然后將其與路基不同深度處的實測K30值進行比較,以此來判定運營路基強度是否滿足列車通行條件的方法[28]。 該方法考慮了列車通行時的動力放大效應,可確定出運營鐵路幫寬時的列車通行條件。 強度法思路如圖23 所示。

圖23 運營鐵路服役狀態的強度評估法示意

(6)動力響應指標法

針對穩定系數法評估結果的不確定性,左珅提出動力響應指標法[29],是指以運營路基穩定性為評估對象,以反映路基穩定性能的振動位移、振動加速度等參數為評估指標,再將現場試驗獲得的動力響應指標大小與數值計算獲得的路基穩定狀態閾值進行比較,以此實現幫寬施工期間對運營路基穩定性評估的方法。該方法屬于綜合評估指標的動力法,可實現基坑開挖、樁基施工和路基填筑全過程的動力評估,具有一定的優越性。 幫寬時運營路基穩定評估的動力指標閾值如表3 所示。

表3 幫寬時運營路基穩定評估的動力指標閾值

(7)灰色聚類法

以上方法的評估對象都是單一的,針對運營路基變形小卻發生滑塌、變形大卻未發生滑塌的現象,以上方法不能很好進行評估,為此左珅提出灰色聚類法。該方法是將不同施工期間的現場實測和理論計算TQI值、振動水平位移、振動加速度、路基穩定系數值和振動垂向位移值換算為百分制評分值, 形成樣本矩陣,然后以評價標準等級劃分表為依據建立白化指標函數,求取各灰類權值,最后求取灰色聚類系數與灰色聚類矩陣,以灰聚類系數的最大值作為評判標準,進而對運營鐵路安全性作出評估。

(8)總體風險值法

灰色聚類法雖然綜合標準差法、動力響應指標法和穩定系數法的評估指標,對幫寬時運營路基的變形和穩定性進行了評估,但其無法反映運營鐵路幫寬工程的整體風險,為此廖進星將總體風險值法引入到運營路基安全性的評估中[30],該方法以地質環境條件、幫寬工程設計、組織、施工全過程及運營路基狀態等為評估指標,把幫寬路基風險劃分為5 個等級,將計算得到的總體風險值R與幫寬路基風險閾值進行比較,進而對幫寬路基的風險等級作出評估。 幫寬路基總體風險分級閾值如表4 所示。

表4 幫寬路基總體風險分級閾值

4 幫寬變形和穩定性控制技術的分類與比較

運營鐵路幫寬工程的核心是幫寬變形和穩定性控制技術的合理正確選用,直接影響著幫寬工程施工的經濟性、安全性、環保性和高效性,因此了解控制技術的種類及效果性,將為控制技術合理選用起到事半功倍的作用。

運營鐵路幫寬變形和穩定性控制技術的歸納與細分如圖24 所示。 各控制技術的效果性比較如表5所示。

表5 各控制技術的效果性比較

圖24 運營鐵路幫寬變形和穩定性控制技術的歸納與細分

由表8 可知,各控制措施的效果為:鋼管微型樁+輕質土＞高壓旋噴樁+輕質土＞CFG 樁+輕質土＞擋墻+輕質土＞輕質土＞鋼管微型樁＞高壓旋噴樁＞CFG 樁、鉆孔灌注樁＞預應力混凝土管樁。

5 結語

目前運營鐵路增線擴能的幫寬變形和穩定性問題研究還處于發展期,研究范圍窄且深度淺,通過整理歸納和總結概括已有相關文獻資料,得出以下結論。

(1)在影響因素方面,目前研究多基于單一因素,各影響因素間的影響程度大小還不明確,因此建議在影響因素提取的基礎上開展影響因素的敏感度分析,研究主要因素組合對運營鐵路幫寬變形和穩定性的影響,降低幫寬工程中多因子致災的風險性。

(2)在運營鐵路安全性評估方面,雖然評估方法多種多樣,各有優缺點,但目前還未形成統一簡便、綜合有效的評估方法及相應標準規范,隨著智能技術的發展,建議運營鐵路安全性的評估方法向自動化、智能化方向發展。

(3)在控制技術方面,建議多采用組合式樁基結構進行地基處理,采用生物礦化技術、生物酶固化技術、非水反應高聚物材料、高性能土工材料進行路基加固,促使路基加固及差異變形控制技術向新型、綠色、可持續發展的方向前進。

(4)運營鐵路幫寬變形和穩定性控制技術的選用,應遵循安全適用、經濟合理、技術先進、環境保護的原則,而目前選用主要以效果性對比為主,因此建議今后開展差異變形及穩定性控制技術綜合選用方法的研究。