軌道交通樁板結(jié)構(gòu)施工對(duì)臨近既有線影響的數(shù)值模擬*

王海峰

(中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司， 200071， 上?！胃呒?jí)工程師)

隨著軌道交通線網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，不可避免地會(huì)出現(xiàn)新建線路與既有線路接軌或并線的需求。接軌或并線工程中所涉及的一系列軌道結(jié)構(gòu)改造、路基幫寬、地基處置和站場(chǎng)改造等相關(guān)施工項(xiàng)目，均對(duì)既有線路的結(jié)構(gòu)變形控制及行車安全提出挑戰(zhàn)。如何有效防控接軌或并線工程施工對(duì)既有線路結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全的影響已成為軌道交通建設(shè)中必須面對(duì)的新問(wèn)題[1]。目前，國(guó)內(nèi)外有較多學(xué)者從既有線路周邊加、卸載活動(dòng)出發(fā)，研究路基幫寬施工引發(fā)的既有結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題[2-5]，圍繞接軌或并線工程施工過(guò)程對(duì)臨近既有線路及周邊地層擾動(dòng)的相關(guān)研究較少。文獻(xiàn)[6]以魯南鐵路引入京滬高鐵曲阜東站為背景，圍繞接軌段路基的臨界距離、路基填料、地基處理及施工安全等技術(shù)進(jìn)行研究分析。文獻(xiàn)[7]基于魯南鐵路曲阜東站聯(lián)絡(luò)線接軌工程，采用有限元軟件ABAQUS建立模型，分析隔離樁樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距及排數(shù)對(duì)既有路基附加沉降的影響。

本文依托滬寧城際鐵路鎮(zhèn)江站接軌工程，利用有限元計(jì)算軟件Plaxis 3D建立三維模型，詳細(xì)研究接軌工程中新建聯(lián)絡(luò)線樁板結(jié)構(gòu)施工及路基填筑施工對(duì)既有線路沉降及水平位移的影響。

1 接軌工程概述

1.1 新建線路設(shè)計(jì)

本接軌工程中新建線路為連鎮(zhèn)鐵路至滬寧城際鐵路的左、右聯(lián)絡(luò)線，聯(lián)絡(luò)線從滬寧城際鐵路鎮(zhèn)江站接入，其對(duì)應(yīng)滬寧城際鐵路線路里程為HNK 236+837.46～HNK 237+142.29。新建線路設(shè)計(jì)速度為160 km/h，采用有砟軌道形式，其中里程HNK 236+837.46～HNK 237+082.46范圍采用樁板結(jié)構(gòu)，而HNK 237+082.46～ HNK 237+142.29范圍則采用路基填筑形式。本接軌工程中涉及路基幫寬、接軌和線路站場(chǎng)改造等系列施工項(xiàng)目。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

本接軌工程施工場(chǎng)地位于長(zhǎng)江二級(jí)階地，為沖湖積微地貌，地勢(shì)平坦，填土分布廣泛，地面高程在7.7～16.5 m之間，主要土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示；地下水不發(fā)育，主要為第四系孔隙水及下伏基巖裂隙水。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layer

2 有限元模型建立

為明確新建聯(lián)絡(luò)線左、右線施工中各工序?qū)χ車貙蛹芭R近的滬寧城際鐵路既有線路結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)情況，本文利用有限元軟件Plaxis 3D建立三維模型，計(jì)算并分析接軌工程中樁板結(jié)構(gòu)及路基填筑施工等對(duì)既有滬寧城際鐵路正線與到發(fā)線的沉降及水平位移的影響。

2.1 模型建立

1) 計(jì)算域：接軌工程中既有城際鐵路線路里程HNK 237+117.46～HNK 237+142.29內(nèi)路基開(kāi)挖及填筑土方量較小，可忽略其對(duì)既有鐵路的影響，因此本模型僅選取HNK 236+837.46～HNK 237+117.46展開(kāi)研究，如圖1所示。考慮模型邊界尺寸效應(yīng)影響，模型總長(zhǎng)度設(shè)為280 m、總寬度設(shè)為100 m，深度設(shè)為60 m。其有限元模型如圖2所示。圖2中x軸正方向?yàn)檠販麑幊请H鐵路正線，縱向自大里程指向小里程方向;y軸正向?yàn)槁?lián)絡(luò)線左線指向聯(lián)絡(luò)線右線方向;z軸為既有城際線路的豎向方向。

2) 邊界條件：模型底部施加完全固定約束，側(cè)向施加豎直滑動(dòng)約束，模型表面為自由邊界。

3) 結(jié)構(gòu)單元及材料設(shè)置：土體及既有線路下方

圖1 模型計(jì)算范圍示意圖Fig.1 Diagram of model calculation range

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

CFG(水泥粉煤灰碎石)樁復(fù)合地基均采用實(shí)體單元模擬，材料設(shè)置采用硬土模型；土體參數(shù)結(jié)合表1及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，復(fù)合地基參數(shù)可依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)等效計(jì)算獲得；樁板結(jié)構(gòu)(樁基礎(chǔ)、混凝土板)采用實(shí)體單元模擬，材料設(shè)置采用線彈性模型；軌道結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M并采用線彈性材料。

2.2 施工步設(shè)置

在有限元軟件Plaxis 3D中，可按照實(shí)際施工順序激活及凍結(jié)相關(guān)單元開(kāi)展分步計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)施工全過(guò)程模擬。本接軌工程首先對(duì)聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)幫寬位置的樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，然后完成該側(cè)幫寬路基的填筑；最后對(duì)聯(lián)絡(luò)線右側(cè)幫寬位置的樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，并完成該側(cè)幫寬路基的填筑?？紤]本工程關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)，模型施工步設(shè)置如下：

施工步1：聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)樁基鉆孔+成樁；

施工步2：聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)輕質(zhì)土回填路基；

施工步3：聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)開(kāi)挖成槽；

施工步4：聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)樁板的結(jié)構(gòu)板澆筑；

施工步5：聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)板上路基填筑；

施工步6：聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)樁基鉆孔+成樁；

施工步7：聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)輕質(zhì)土回填路基；

施工步8：聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)開(kāi)挖成槽；

施工步9：聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)樁板的結(jié)構(gòu)板澆筑；

施工步10：聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)板上路基填筑。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本文主要通過(guò)分析施工過(guò)程中既有線路的豎向(模型z方向)及橫向水平位移(模型y方向)，評(píng)估該接軌工程對(duì)既有城際鐵路線路的影響。計(jì)算結(jié)果中，橫向水平位移正值表示自聯(lián)絡(luò)線左線偏向聯(lián)絡(luò)線右線方向，反之為負(fù)值；豎向位移負(fù)值表示為沉降，反之為隆起。

3.1 聯(lián)絡(luò)線左線施工對(duì)既有城際鐵路的影響

1) 施工步1(聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)樁基鉆孔+成樁)：本施工步通過(guò)凍結(jié)鉆孔內(nèi)土體單元，同時(shí)在孔壁施加向外的面荷載模擬泥漿護(hù)壁，以實(shí)現(xiàn)完整的樁基鉆孔過(guò)程模擬；隨后凍結(jié)孔壁面荷載，激活鉆孔內(nèi)實(shí)體單元并替換為混凝土材料來(lái)模擬成樁過(guò)程。該施工步對(duì)既有城際鐵路正線Ⅰ、Ⅱ股道以及3#、4#到發(fā)線線路位移分布的影響如圖3所示。由圖3可知，該工況對(duì)既有城際鐵路線路影響較大，卸荷會(huì)引起軌道線路產(chǎn)生偏向施工側(cè)水平位移并發(fā)生沉降。

圖3 施工步1的既有城際鐵路線路位移分布Fig.3 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 1

2) 施工步2(聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)輕質(zhì)土回填路基)：本施工步可通過(guò)激活相應(yīng)土體單元實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)土回填模擬。該過(guò)程對(duì)既有城際鐵路正線I、Ⅱ股道的影響如圖4所示。從圖4可知，聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)輕質(zhì)土回填路基施工，會(huì)引起既有城際鐵路線路股道產(chǎn)生遠(yuǎn)離施工側(cè)的橫向水平位移及豎向沉降。由于該部分路基填筑施工位置距離3#、4#到發(fā)線較遠(yuǎn)，因此省略該工況對(duì)到發(fā)線的擾動(dòng)分析。

3) 施工步3(聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)開(kāi)挖成槽)：本施工步通過(guò)凍結(jié)相應(yīng)土體單元模擬開(kāi)挖成槽過(guò)程。該過(guò)程對(duì)既有城際鐵路正線I、Ⅱ股道以及3#、4#到發(fā)線的影響如圖5所示。聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)開(kāi)挖成槽施工會(huì)造成土體應(yīng)力損失，使得既有城際鐵路線路股道均向施工側(cè)偏移并隆起。

圖4 施工步2的既有城際鐵路線路位移分布Fig.4 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 2

圖5 施工步3的既有城際鐵路線路位移分布Fig.5 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 3

4) 施工步4(聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)樁板結(jié)構(gòu)板澆筑)：本施工步通過(guò)在路基上施加面荷載模擬板澆筑，見(jiàn)圖6。如圖6所示，聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)樁板結(jié)構(gòu)的板澆筑施工對(duì)既有城際鐵路線路存在擠壓作用，使其股道均產(chǎn)生遠(yuǎn)離施工側(cè)的橫向水平位移，且同時(shí)發(fā)生沉降。

圖6 施工步4的既有城際鐵路線路位移分布Fig.6 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 4

5) 施工步5(聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)板上路基填筑)：本施工步通過(guò)激活相應(yīng)土體單元模擬板上路基填筑過(guò)程，見(jiàn)圖7。如圖7所示，聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)板上路基填筑施工對(duì)既有城際鐵路線路擾動(dòng)較小，最大沉降位于4#到發(fā)線，其值為0.083 mm。

圖7 施工步5的既有城際鐵路線路位移分布Fig.7 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 5

3.2 聯(lián)絡(luò)線右線施工對(duì)既有城際鐵路線路的影響

1) 施工步6(聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)樁基鉆孔+成樁)：本施工步模擬方法與施工步1所述相同，見(jiàn)圖8。由圖8可知，聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)樁基鉆孔+成樁施工會(huì)對(duì)既有城際鐵路線路產(chǎn)生較大影響，鉆孔引起的土體應(yīng)力損失會(huì)使既有城際鐵路線路股道產(chǎn)生偏向施工側(cè)的橫向水平位移，并發(fā)生沉降。

圖8 施工步6的既有城際鐵路線路位移分布Fig.8 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 6

2) 施工步7(聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)輕質(zhì)土回填路基)：路基回填模擬方法與施工步2相同，見(jiàn)圖9。由圖9可知，輕質(zhì)土回填路基對(duì)既有線影響較小，既有城際正線鐵路I股道最大沉降值僅為0.174 mm。

3) 施工步8(聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)開(kāi)挖成槽)：開(kāi)挖成槽模擬方法與施工步3相同，見(jiàn)圖10。由圖10可知，聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)開(kāi)挖造成的土體應(yīng)力損失會(huì)導(dǎo)致既有城際鐵路線路股道產(chǎn)生偏向施工側(cè)的橫向水平位移，并引起隆起。

4) 施工步9(聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)樁板結(jié)構(gòu)板澆筑)：混凝土板澆筑模擬方法與施工步4相同，見(jiàn)圖11。

圖9 施工步7的既有城際線路位移分布Fig.9 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 7

圖10 施工步8的既有城際線路位移分布Fig.10 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 8

如圖11所示，聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)樁板結(jié)構(gòu)的板澆筑施工會(huì)對(duì)既有城際鐵路造成擠壓，使其線路均產(chǎn)生偏離施工側(cè)的橫向水平位移并發(fā)生沉降。

圖11 施工步9的既有城際線路位移分布Fig.11 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 9

5) 施工步10(聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)板上路基填筑)：路基填筑模擬方法與施工步5相同，見(jiàn)圖12。由圖12可知，聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)板上路基填筑施工會(huì)引起既有線路產(chǎn)生偏向聯(lián)絡(luò)線右線的橫向水平位移并出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。該施工步的既有城際鐵路線路位移分布顯示，在線路縱向125 m處隨著聯(lián)絡(luò)左、右線與既有城際鐵路線路水平距離增大，新建線路路基填筑施工對(duì)既有城際鐵路線路影響顯著減弱。

圖12 施工步10的既有城際線路位移分布Fig.12 Displacement distribution of existing intercity railway lines in case 10

3.3 模擬試驗(yàn)結(jié)果匯總分析

各施工步引起的既有城際鐵路正線I、Ⅱ股道以及3#、4#到發(fā)線的最大橫向水平位移和豎向位移如表2所示。由表2可知，該接軌工程施工過(guò)程中，既有城際鐵路正線I股道的最大橫向水平位移和最大沉降均發(fā)生于聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)樁基鉆孔+成樁期間，分別為0.702 mm和-0.603 mm；城際正線Ⅱ股道最大橫向水平位移和沉降則發(fā)生于聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)樁基鉆孔+成樁期間，分別為-0.691 mm和-0.572 mm；3#到發(fā)線及4#到發(fā)線的最大橫向水平位移和最大沉降也同樣出現(xiàn)在各自臨近的聯(lián)絡(luò)線樁基鉆孔+成樁工況中。綜上可知，本接軌工程施工全過(guò)程中，樁基鉆孔+成樁施工步對(duì)既有線路的位移影響最為顯著，因此在類似工程施工時(shí)，需要合理選擇開(kāi)挖機(jī)械設(shè)備及鉆孔保護(hù)措施以減少對(duì)臨近地層的施工擾動(dòng)。本工程建議采用護(hù)筒跟進(jìn)方式穿越淤泥層，同時(shí)采取加大護(hù)壁泥漿比重等措施以有效避免成孔過(guò)程中塌孔的發(fā)生，防止對(duì)既有城際鐵路線路造成更大的影響。

表2 各施工步的既有城際鐵路位移最大值 單位:mm

3.4 典型斷面的沉降曲線分析

為研究接軌工程中幫寬施工引發(fā)的既有線沉降問(wèn)題，選取里程HNK 236+916.77的典型橫斷面。提取該斷面既有線路路基底部及幫寬位置地表在相應(yīng)施工步的沉降值，如圖13所示。

由圖13可知，樁板結(jié)構(gòu)施工會(huì)導(dǎo)致該典型斷面兩側(cè)幫寬處出現(xiàn)沉降槽，槽底最大沉降出現(xiàn)在聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)樁板結(jié)構(gòu)板澆筑階段中(施工步9)，此時(shí)聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)路基幫寬位置最大沉降達(dá)到22.7 mm。由于復(fù)合地基CFG樁的存在，既有線路路基底部位置沉降較小；但為了滿足高鐵線路變形控制的嚴(yán)苛要求及保障列車運(yùn)營(yíng)安全，在聯(lián)絡(luò)線的左右線施工期間，也應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)既有線的安全防護(hù)，如對(duì)路基水平變形、地基分層沉降和樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，以保障新建線路施工中既有線路的安全運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié)論

1) 有限元模型對(duì)接軌工程施工模擬計(jì)算的結(jié)果顯示，各施工步的既有線路結(jié)構(gòu)變形控制符合規(guī)范要求，該接軌工程設(shè)計(jì)方案原則可行。

2) 接軌工程施工過(guò)程引起的既有城際鐵路正線I股道和3#到發(fā)線的最大橫向水平位移和最大沉降均發(fā)生于聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)樁基鉆孔+成樁期間，分別為0.702 mm、0.603 mm和0.801 mm、0.836 mm；既有城際正線Ⅱ股道和4#到發(fā)線的最大

圖13 路基幫寬施工時(shí)線路典型橫斷面沉降值分布

橫向水平位移和最大沉降則發(fā)生在聯(lián)絡(luò)線左線側(cè)樁基鉆孔+成樁期間，分別為0.691 mm、0.572 mm和0.861 mm和0.721 mm。對(duì)于樁基施工所造成的周圍地層及結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響，建議采用跳樁方式進(jìn)行樁基施工，同時(shí)可采用護(hù)筒跟進(jìn)穿越淤泥層鉆孔工藝及加大護(hù)壁泥漿比重等措施，以有效防止塌孔現(xiàn)象出現(xiàn)。

3) 接軌工程施工中，既有線路兩側(cè)幫寬處會(huì)出現(xiàn)明顯沉降槽，其中最大沉降為22.700 mm，位于聯(lián)絡(luò)線右線側(cè)路基幫寬位置。

4) 臨近既有線路并行幫寬施工過(guò)程中，樁基施工、土體開(kāi)挖、板澆筑及路基填筑等施工步驟均應(yīng)重視既有線路的安全防護(hù)，可通過(guò)對(duì)路基橫向水平變形、地基分層沉降和樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和及時(shí)預(yù)警，以保障新建線路施工中既有城際鐵路線路的安全運(yùn)營(yíng)。