新建鐵路對既有高鐵路基的影響研究

摘要：以池黃鐵路為背景，介紹了新建鐵路鄰近運(yùn)營寧安客專路基的工程背景和設(shè)計(jì)方案。利用有限元軟件，模擬采用樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不同施工工況對既有線寧安客專的變形情況。結(jié)果表明，既有線路基結(jié)構(gòu)的變形與新建鐵路施工過程密切相關(guān)，不同工況對既有線路基的變形均產(chǎn)生影響;隨著施工的進(jìn)行，變形量逐漸增加，最終趨于穩(wěn)定，數(shù)值計(jì)算結(jié)果滿足變形控制值要求。

關(guān)鍵詞：運(yùn)營高鐵;路基;樁板結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

0" "引言

隨著鐵路線網(wǎng)越來越完善，為了進(jìn)一步優(yōu)化土地資源，減少與既有線協(xié)調(diào)分配，人們更傾向于將新建鐵路接入既有鐵路的方案，不可避免會(huì)出現(xiàn)大量鄰近既有線施工的情況，新建鐵路難免對既有鐵路路基產(chǎn)生不良影響。新線工程增大了既有線的變形，為此需對高速鐵路的沉降嚴(yán)格控制，尤其對于無砟軌道，變形沉降控制要達(dá)到毫米級。新建工程在施工過程中，對既有高鐵的運(yùn)營安全也有很大影響，因此選擇合理的設(shè)計(jì)方案和施工方案，減少既有高鐵的變形，是引入工程的重中之重 [1]。本文結(jié)合新建池黃鐵路引進(jìn)池州站場改造工程，詳細(xì)探討鄰近運(yùn)營高鐵的設(shè)計(jì)思路和施工方法，為其他工程提供借鑒。

1" "常用工程措施

在以往的研究成果中，為減少對既有線的影響，主要采用以下幾種措施：

一是增大線間距的方案。該方案簡單方便，但占用土地資源較多，并且造成旅換乘距離增大，增加換乘時(shí)間，旅客舒適性不足。

二是采用非擠土樁對新建鐵路進(jìn)行加固，使新增應(yīng)力向地基深處傳遞，減少沿線路橫向傳遞至既有鐵路，從而減少既有線沉降。該方案技術(shù)成熟，可選擇性多，降低既有線沉降的效果較好，但投資較大。

三是采用剛性隔離樁，即在既有線和新建鐵之間設(shè)置1～2排鉆孔灌注樁或管樁，阻斷新線荷載向既有鐵路傳遞。該方案投資較少，但局限性較大，適用于已采用較強(qiáng)地基處理的既有鐵路[2-4]。

四是采用輕質(zhì)填料。鐵路工程中最常用的是泡沫混凝土，泡沫混凝土質(zhì)量較輕，減少了新建鐵路的附加荷載，進(jìn)而減輕了新建鐵路對既有線的影響。該措施雖然施工方便，但局限性及耐久性較差。

2" "工程設(shè)計(jì)概況

2.1" "工程概況

池州站為寧安客運(yùn)專線的中間站，寧安場東端咽喉設(shè)綜合維修工區(qū)，池黃上行正線利用綜合工區(qū)岔線引出，與既有3道貫通，下行正線利用7道引入，改建銅陵端到發(fā)線軌道道岔接通6道，7道為池黃下行正線兼到發(fā)線，如圖1所示。池州站正線為無砟軌道，站場里程中心路基面寬度約70.5m，既有站場路基多為挖方路基，并行段地基未進(jìn)行處理。

擬建場地主要地貌為山坡，剝蝕殘丘山前崗地，緩坡地帶，地形略有起伏，表層分布第四系全新統(tǒng)素填土，下伏燕山期花崗巖，地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

花崗巖殘積土及全風(fēng)化帶主要為含砂粉質(zhì)黏土，土質(zhì)的均勻性差，在天然狀態(tài)下具有較好的力學(xué)性質(zhì)，但遇水會(huì)軟化、崩解，強(qiáng)度急劇降低?；◢弾r殘積土既具有砂土的特征，亦具黏性土特征，同時(shí)也為小顆粒從大顆粒孔隙中涌出提供可能性，容易產(chǎn)生管涌、流土等滲透變形現(xiàn)象。另外，由于花崗巖的不均勻風(fēng)化，常在殘積土帶中發(fā)育孤石，導(dǎo)致其埋藏分布及大小是隨機(jī)的。典型的路基橫斷面如圖2所示。

2.2" "方案比選

2.2.1" "填筑普通填料方案

在填筑荷載及列車荷載作用下，既有路基土體產(chǎn)生了較大的附加應(yīng)力，在附加應(yīng)力作用下既有線路基產(chǎn)生沉降。根據(jù)《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》（鐵運(yùn)[2012]83號），我國高速鐵路（200～250km/h）線路軌道水平及沉降值需控制在2mm以內(nèi)。經(jīng)過檢算，軌面最大沉降為7～15mm，不滿足要求。且由于現(xiàn)場全風(fēng)化花崗巖分化不均勻，場地軟硬不均，差異沉降現(xiàn)象明顯。

2.2.2" "泡沫輕質(zhì)土方案

新建路基大部分填高小于1.5m，考慮到基床表層不能采用泡沫輕質(zhì)土，實(shí)際泡沫輕質(zhì)土填筑高度不到0.8m。經(jīng)過檢算，填筑輕質(zhì)泡沫土對減少新建鐵路對既有線路基變形沉降的影響較少[5-7]。

2.2.3" "地基處理方案

在對新建鐵路地基進(jìn)行處理后，附加應(yīng)力經(jīng)過樁基傳遞至地基深處，到樁端置于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖時(shí)，樁長變化對既有線沉降控制的效果影響不大。鑒于現(xiàn)場施工場地條件受限，從保證既有線運(yùn)營安全要求考慮，CFG樁、螺桿樁等施工機(jī)械較為高大，不能滿足鄰近既有線施工的要求[8]。

2.2.4" "比選結(jié)果

根據(jù)以上的方案分析，采用低凈空機(jī)械施工的鉆孔灌注樁，可以很好地解決鄰營施工的重難點(diǎn)問題，故該路基采用樁長10～18m的樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行地基處理。經(jīng)過驗(yàn)算，既有線無砟軌道的沉降需控制在2mm以內(nèi)。

2.3" "設(shè)計(jì)概況

樁板結(jié)構(gòu)的板采用C35鋼筋混凝土，筏板寬7.0m，板厚0.8m，樁基礎(chǔ)與筏板采用剛性相接，樁基采用C30水下混凝土結(jié)構(gòu)，樁徑0.8m，樁長10～18m。樁基礎(chǔ)縱向間距6m，橫向間距3m，跨度17m為一聯(lián)。

3" "有限元分析

采用有限元軟件Midas GTX NX，對路基施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算分析。綜合考慮不同斷面的地層情況，新建池黃鐵路與既有寧安客專的地基加固方式，路基填土高度與寬度，以及新建池黃鐵路路基與既有寧安客專的路基間距等因素，選取DK0+606、DK0+586.025、DK0+410.03、DK0+161.03和DYK0+529.43等5個(gè)典型斷面進(jìn)行有限元分析。DK0+586.025斷面有限元計(jì)算模型如圖3所示。

3.1" "設(shè)計(jì)參數(shù)

計(jì)算模型的土體采用修正Mohr-Coulumb本構(gòu)模型模擬，樁板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件用彈性本構(gòu)模型模擬。土體計(jì)算參數(shù)，結(jié)合本工程地質(zhì)勘察資料、工程地質(zhì)手冊以及安徽當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)經(jīng)驗(yàn)取值選取。

土體剛度和破壞相關(guān)參數(shù)，依據(jù)Midas GTS NX用戶手冊中的相關(guān)公式計(jì)算，具體如表2所示。

3.2" "計(jì)算結(jié)果和分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，在DK0+586.025處，由于花崗巖的不均勻風(fēng)化，該段全風(fēng)化巖層達(dá)到22.3m，且性質(zhì)較差，路基在開展施工時(shí)引起的既有線路基變形和沉降最大，各工況引起既有線路基最大累計(jì)水平位移為1.06mm，最大累計(jì)沉降為1.89mm，具體如表3所示。

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），樁板結(jié)構(gòu)施工及列車荷載引起既有寧安客運(yùn)專線路基產(chǎn)生的最大累計(jì)水平位移和沉降，均小于規(guī)范規(guī)定限值的2mm，滿足要求。

4" "結(jié)語

樁板結(jié)構(gòu)為目前國內(nèi)新建高鐵引入既有高鐵站并站路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用措施，與填筑普通填料方案或泡沫輕質(zhì)土方案相比較，其受力較為明確，施工周期可控，施工方便，并且對既有線干擾較小，在減少既有線路基沉降變形方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。進(jìn)一步優(yōu)化樁板結(jié)構(gòu)施工工藝，嚴(yán)格控制幫填地段路基填筑速率及降水，加強(qiáng)對既有高鐵路基及無砟軌道的變形監(jiān)測，可防止變形超限威脅運(yùn)營安全。

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