某高鐵無(wú)砟軌道路基幫寬設(shè)計(jì)方案數(shù)值研究

梁 偉

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

隨著我國(guó)高速鐵路骨干網(wǎng)的基本形成和城市化進(jìn)程的不斷加快，高速鐵路網(wǎng)和城際鐵路網(wǎng)不斷加密，各種城際鐵路、軌道交通、高速鐵路共用通道，形成了各種并行或者幫寬的路基。如何減小路基幫寬引起既有線的沉降變形，是一個(gè)重要的技術(shù)與學(xué)術(shù)難題[1，2]。

以往研究成果中，王興榮建議既有線坡腳附近采用非排土樁施工，對(duì)既有地基產(chǎn)生的擠密作用不會(huì)產(chǎn)生路基附加沉降[3]。徐林榮和左珅針對(duì)新建高鐵給既有路基造成的安全隱患，建議在緊鄰區(qū)段采用振動(dòng)擠土效應(yīng)較小、施工機(jī)械更輕便的漿固碎石樁，以及靜壓預(yù)應(yīng)力管樁施工技術(shù)[4]。楊泉等在京滬高鐵曲阜東站接軌方案研究中綜合對(duì)比了微型鋼管樁加固、CFG樁加固、高壓旋噴樁加固、基底換填輕質(zhì)混凝土四種地基處理方案，認(rèn)為微型樁加輕質(zhì)混凝土填筑可以大幅降低路基填筑及施工干擾風(fēng)險(xiǎn)[5]，胡潤(rùn)乾在某南方鐵路工程的微型鋼管樁與高壓旋噴樁研究中也得到類(lèi)似規(guī)律[6]。

隔離樁技術(shù)在減小基坑、隧道等地下工程施工對(duì)周邊建構(gòu)筑物的沉降中被廣泛應(yīng)用[7]，也被應(yīng)用于隔離大面積堆載下的應(yīng)力傳播，從而減小對(duì)周邊環(huán)境的影響[8]。以往臨近無(wú)砟軌道高速鐵路上跨橋多采用隔離樁減少對(duì)運(yùn)營(yíng)線的沉降影響[9]，而在鐵路路基幫寬工程中則鮮見(jiàn)報(bào)道。

綜合以上分析，在本項(xiàng)目中，擬采用的方案為：地基處理采用非排土的預(yù)應(yīng)力管樁，隔離樁采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，路基填料采用泡沫輕質(zhì)土，并進(jìn)一步利用ABAQUS有限元軟件對(duì)不同方案下既有線地基沉降變形的影響進(jìn)行分析，以優(yōu)化相關(guān)工程措施與設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 項(xiàng)目工程概況

既有線站場(chǎng)為兩臺(tái)六線，正線為無(wú)砟軌道，站場(chǎng)里程中心路基面寬約57.66m，路基填高8.14 m，1∶1.75放坡，并行段地基處理采用CFG樁加固，正方形布置，樁徑為0.5 m，間距為1.8 m。在站場(chǎng)兩側(cè)雙線地段，地基加固深度為25 m，其余地段地基加固深度為30 m。CFG樁樁頂設(shè)0.5 m厚碎石墊層，碎石墊層頂部設(shè)0.1 m 厚C20素混凝土墊層(如圖1)。

圖1 既有線并行段平面示意

新建站為三臺(tái)六線，站場(chǎng)里程中心處路基面寬67.74 m，1∶1.5放坡，填高約為8 m，路基橫斷面形式如圖2，路堤基底擬采用預(yù)應(yīng)力管樁處理。在臨近既有線側(cè)8 m范圍內(nèi)擬澆筑倒梯形泡沫輕質(zhì)混凝土。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁外徑為500 mm，壁厚為100 mm。靠近既有線坡腳處設(shè)置一排隔離樁(采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為1 m)。

圖2 既有線并行段典型斷面(單位：m)

典型斷面的土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 典型斷面的地層參數(shù)

2 數(shù)值模擬

對(duì)于路基幫寬這類(lèi)平面應(yīng)變問(wèn)題，一般采用二維平面模型進(jìn)行模擬，可以得到較好的效果[10]，若采用三維模型模擬，由于模型尺寸較小，難以反映實(shí)際情況，易造成模擬失真，故本次數(shù)值模擬采用ABAQUS建立多斷面二維模型。

首先將既有鐵路路基及新建城際鐵路的樁基施工完成狀態(tài)作為基本初始狀態(tài)(初始位移為零)。在這種狀態(tài)下建立模型，計(jì)算路堤荷載和列車(chē)荷載下既有鐵路軌道處沉降與變形情況。

模型左右側(cè)約束水平向位移，底部約束水平向和豎向位移，采用四結(jié)點(diǎn)四邊形縮減單元，典型斷面網(wǎng)格劃分為21 182個(gè)單元。

混凝土類(lèi)材料均采用線彈性本構(gòu)模型，其余材料選用摩爾庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，路基及地基處理材料參數(shù)見(jiàn)表2。

為保證計(jì)算模型的收斂性和準(zhǔn)確性，選取模型尺寸時(shí)，應(yīng)使兩線坡腳外延40 m，地基厚度取50 m。

接軌模型需選擇最不利斷面進(jìn)行數(shù)值模擬。最不利斷面的選擇一般有兩個(gè)原則：①選取幫填荷載最大且最近的斷面，即兩線坡腳搭接的地方。②選取線間距最近且荷載較大，即新舊路肩將要合并的斷面?？紤]既有線的路基面寬度以及地基處理情況，現(xiàn)選取4個(gè)斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，如表3所示。

表2 路基及地基處理材料參數(shù)

說(shuō)明：(1)依據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)理論研究[11]，土體的彈性模量一般是壓縮模量的2～5倍，本次研究擬取壓縮模量的3倍為其彈性模量。(2)在二維模型中，對(duì)樁基的彈性模量按照抗壓剛度等效進(jìn)行折減。(3)樁基的側(cè)摩阻力系數(shù)按照公式tan(φ·0.45)取值，約為0.2。(4)列車(chē)荷載：分布寬度3.1 m，荷載強(qiáng)度54.1 kPa；線間荷載：荷載強(qiáng)度14.1 kPa[12]。

表3 斷面選取

3 方案比選分析

(1)填普通土方案

圖3 YDK133+900路基幫寬下豎向位移場(chǎng)

圖3～圖6為地基沉降云圖，圖7為既有路基面沉降曲線，在路基幫寬填土與列車(chē)荷載下，既有路基土體中產(chǎn)生附加應(yīng)力，進(jìn)而引發(fā)既有線地基的沉降。同一個(gè)橫斷面中，距新建線越遠(yuǎn)，既有線路基面的沉降變形趨勢(shì)逐漸減弱。YDK133+900、YDK134+500兩個(gè)斷面的軌面最大沉降在4 mm以內(nèi)，其中正線無(wú)砟軌道的沉降控制在2 mm以內(nèi)，目前的技術(shù)措施可以保證上述段落既有線軌道的平順性；但YDK134+600、YDK134+951兩個(gè)斷面的整體沉降較大，軌面最大沉降為9～35 mm，其中正線無(wú)砟軌道的沉降為5～7 mm，需進(jìn)一步研究泡沫輕質(zhì)土技術(shù)與隔離樁技術(shù)對(duì)既有線的整體沉降控制能力。

圖4 YDK134+500路基幫寬下豎向位移場(chǎng)

圖5 YDK134+600路基幫寬下豎向位移場(chǎng)

圖6 YDK134+951路基幫寬下豎向位移場(chǎng)

圖7 不同斷面下既有路基面沉降曲線

(2)泡沫輕質(zhì)土方案

既有線路基沉降計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表4。采用泡沫輕質(zhì)混凝土?xí)r，與填普通土情況相比，YDK134+600、YDK134+951兩個(gè)斷面的整體沉降量減小了30%～50%，說(shuō)明(靠近既有線側(cè)部分)采用泡沫輕質(zhì)混凝土，可有效減少幫寬路基對(duì)既有線路基沉降變形的影響。以斷面YDK134+600(地基處理樁長(zhǎng)20 m)為例，正常填土條件下坡腳、最外側(cè)軌道、Ⅰ道及Ⅱ道的沉降分別為47.22 mm，9.03 mm，4.48 mm，3.60 mm，泡沫輕質(zhì)混凝土條件下則為22.96 mm，5.74 mm，3.01 mm，2.53 mm，分別減少了49.3%，36.4%，32.8%，29.7%，表明同一橫斷面內(nèi)，隨著逐漸遠(yuǎn)離新建線，泡沫輕質(zhì)混凝土對(duì)既有線路基面的沉降控制能力逐漸減弱。

(3)不同地基處理樁長(zhǎng)方案

其他條件相同的情況下，新建路基地基處理的樁長(zhǎng)越大，其控制既有線整體沉降效果越好。以斷面YDK134+600最外側(cè)軌道中心沉降量為例，10 m、20 m、30 m樁長(zhǎng)下的沉降量分別為11.90 mm，9.03 mm，5.34 mm，樁基由10 m增長(zhǎng)一倍至20 m時(shí)，沉降量減小24.1%，而繼續(xù)增長(zhǎng)至30 m時(shí)，沉降量減小40.9%。

(4)隔離樁方案

當(dāng)幫寬路堤坡腳與既有線坡腳搭接時(shí)，設(shè)置隔離樁能夠減小既有線沉降的1/3左右。以斷面YDK134+600的35 m隔離樁為例，填普通土且地基處理均為20 m管樁時(shí)，未設(shè)置隔離樁時(shí)最外側(cè)軌道中心沉降量為9.03 mm；設(shè)置隔離樁后，最外側(cè)軌道中心沉降量為6.02 mm，沉降量減小33.3%。使用泡沫輕質(zhì)混凝土情況下，未設(shè)置隔離樁時(shí)最外側(cè)軌道中心沉降量為5.74 mm，設(shè)置隔離樁后，最外側(cè)軌道中心沉降量為4.04 mm，沉降量減小29.6%。

當(dāng)幫寬路基面與既有路基面搭接時(shí)，在既有線坡腳附近設(shè)置隔離樁，對(duì)既有線的沉降變形控制能力有限。以斷面YDK134+951為例，填普通土且地基處理均為20 m管樁時(shí)，未設(shè)置隔離樁時(shí)最外側(cè)軌道中心沉降量為34.56 mm；設(shè)置隔離樁后，最外側(cè)軌道中心沉降量為28.02 mm，沉降量減小18.9%，減小幅度有限。

以下分別研究地基處理為20 m管樁時(shí)，采用30 m、35 m、40 m隔離樁對(duì)既有路基沉降控制的效果。隔離樁樁長(zhǎng)越大，其控制既有線路基整體沉降量的能力越強(qiáng)。以YDK134+600斷面的坡腳最大沉降量為例，30 m、35 m、40 m隔離樁下的沉降量分別為40.28 mm，33.24 mm，24.53 mm，隔離樁由30 m增長(zhǎng)至35 m時(shí)，沉降量減小17.5%，而繼續(xù)增長(zhǎng)至40 m時(shí)，沉降量減小26.2%。

表4 既有線路基沉降計(jì)算結(jié)果匯總 mm

綜上分析，為了保證施工期間既有線的正常運(yùn)營(yíng)，在新舊路堤坡腳搭接前，采用正常填土與地基處理樁長(zhǎng)20 m的方案。兩坡腳搭接后，考慮到單純?cè)龃蟮鼗幚順堕L(zhǎng)，既有路基仍然會(huì)產(chǎn)生明顯的整體沉降，且站場(chǎng)大面積地基處理將顯著提高工程建設(shè)成本，故建議優(yōu)先采用靠既有線側(cè)部分采用泡沫輕質(zhì)混凝土和增設(shè)35 m隔離樁方案，以保證上述段落既有線軌道的平順性，此時(shí)既有線軌面的最大沉降在11 mm以內(nèi)，其中正線無(wú)砟軌道的沉降控制在2 mm以內(nèi)。

[1] 翟婉明，趙春發(fā)，夏禾，等.高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能演變及服役安全的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題[J].中國(guó)科學(xué)(技術(shù)科學(xué))，2014(44):645-660

[2] 宮全美.鐵路路基工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007

[3] 王興榮.客運(yùn)專(zhuān)線路基幫寬工程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(58):38-41

[4] 左珅，徐林榮.高速鐵路建設(shè)對(duì)緊臨既有線路基服役狀態(tài)影響的動(dòng)力測(cè)試分析與對(duì)策[J].鐵道學(xué)報(bào)，2013(35):82-90

[5] 楊泉，高柏松，李井元，等.新建線臨近既有無(wú)砟高速鐵路路基施工方案研究[J].高速鐵路技術(shù)，2016(2):15-19

[6] 胡潤(rùn)乾.某高速鐵路路基幫寬段沉降控制方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2017(61):58-61

[7] 鄭剛，朱合華，劉新榮，等.基坑工程與地下工程安全及環(huán)境影響控制[J].土木工程學(xué)報(bào)，2016(6):1-24

[8] 劉毓氚，陳福全，左廣洲.大面積堆載下軟土地基的應(yīng)力隔離與加固實(shí)例分析[J].巖土力學(xué)，2006(27):846-848

[9] 趙建軍，郝棟，吳保來(lái)，等.中國(guó)高速鐵路的創(chuàng)新機(jī)制及啟示[J].工程研究-跨學(xué)科視野中的工程，2012，4(1):57-69

[10] 陳磊，劉漢龍，陳永輝.高速公路拓寬工程地基處理效果的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2006(11):2066-2070

[11] 胡一峰，李怒放.高速鐵路無(wú)砟軌道路基設(shè)計(jì)原理[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2010

[12] 中華人民共和國(guó)鐵道部.高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2014