新建路基對既有高鐵路基影響與坡腳退避間距分析

羅金洪

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司 上海 200070)

1 引言

為確保高鐵列車高速、安全、平穩(wěn)運行，對軌道系統(tǒng)以下基礎(chǔ)工程提出了嚴(yán)格的變形控制要求，在其安全保護區(qū)內(nèi)進行工程活動須十分慎重。目前，在鄰近既有高鐵平行新建路基時，常采取拉大兩線間距的方式來確保鐵路安全，但若退避間距過大將形成較大“夾心地”，浪費土地資源。如何基于高鐵容許變形閾值，結(jié)合地質(zhì)情況、路基填筑高度等因素，合理確定新建路基退避間距，是新時期高鐵路網(wǎng)加密建設(shè)中面臨的新技術(shù)問題。

新建線路對既有線路的附加影響已有相關(guān)研究，區(qū)分討論了路對路、橋?qū)β返炔煌闆r，研究重點多側(cè)重于新建路基開挖填筑中對既有線路的擾動影響，以及兩線間距較小時如何采取工程加固措施來減小對既有線路的擾動[1－3]。

在總結(jié)平行既有高鐵新建路基工程成功經(jīng)驗基礎(chǔ)上，以一粉質(zhì)黏土地區(qū)平行既有高鐵新建路基為例，考慮地層條件及兩線地基處理情況、兩線間距、新線路基填高等因素[4－5]，建立有限元計算模型，研究新建路堤及軌道－列車應(yīng)力加載對既有高鐵路基附加沉降和水平變形的影響，根據(jù)高鐵線路變形閾值，提出新線坡腳退避間距。

2 鄰近既有高鐵新建工程規(guī)定與工程案例

2.1 相關(guān)規(guī)范及規(guī)定

中國鐵路工程總公司《關(guān)于規(guī)范鐵路營業(yè)線施工配合技術(shù)服務(wù)費計取工作的指導(dǎo)意見》(鐵總建設(shè)〔2017〕146號)規(guī)定了鄰近營業(yè)線的工程退避間距，對于非爆破工程，一般情況下為路堤坡腳、路塹坡頂、橋梁外緣、設(shè)備或設(shè)施外緣起向外各20 m范圍以外。但對既有高速鐵路新建與既有線退避間距尚無正式相關(guān)規(guī)定。

2.2 工程案例及面臨問題

實踐中高鐵線路與已開通350 km/h運行速度高速鐵路并行，各工程類型采用的最小退避間距見表1。

表1 與高鐵并行地段最小線間距

可見，新舊線橋梁、路基四種工程組合中，新建路基對既有路基影響最為顯著，推薦的最小退避間距達40 m。在新時期“綠色鐵路”背景下，關(guān)于兩線間距有必要根據(jù)新建路基與既有高鐵的地形、地質(zhì)、工程類型等因素進行相關(guān)研究。

3 計算模型與參數(shù)校驗

3.1 路基工程計算斷面介紹

選取并行既有高鐵的新建線地基CFG樁加固段為研究對象，該路段地基可壓縮層主要為粉質(zhì)黏土，最大深度約21 m，既有路堤最大填方高度約10 m，兩線路基基本等高。既有高鐵路基采用了CFG樁加固，樁徑0.5 m、間距1.5 m，正方形布置。新建路基亦采用CFG樁加固，正方形布置，樁徑0.5 m、間距2 m。新線與既有線路基典型橫斷面見圖1，地基處理設(shè)計參數(shù)見表2，地基巖土物理力學(xué)指標(biāo)見表3。

表2 地基處理設(shè)計參數(shù)

圖1 路基典型橫斷面(單位:m)

表3 地基巖土物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 有限元模型建立

采用Midas GTS數(shù)值計算軟件進行分析，模型作如下假設(shè)條件:

(1)CFG樁復(fù)合地基作為整體，取復(fù)合模量考慮地基加固效應(yīng)。

(2)不考慮土工格柵的作用，路堤以整體實體考慮。

(3)考慮地基初始地應(yīng)力場，令初始地應(yīng)力場平衡后的初始位移為零，不考慮樁的施工過程。

(4)路堤填筑為一次性加載，不考慮地基在荷載作用下的時間效應(yīng)。

模型橫向143 m、豎向50 m，采用平面應(yīng)變的三角形單元和四邊形單元進行網(wǎng)格劃分，單元尺寸在路堤為1 m，地基最大網(wǎng)格尺寸3 m，共劃分3 936個節(jié)點、3 859個單元。典型斷面有限元模型網(wǎng)格見圖2。路堤與CFG樁材料參數(shù)見表4，巖土材料均采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型。

圖2 典型斷面有限元模型網(wǎng)格

表4 路堤與CFG樁模型材料參數(shù)

模型兩側(cè)采用水平位移約束，底部固定約束，頂部為自由表面。模型受重力作用，在路基頂部施加列車－軌道荷載。高鐵列車荷載分布寬度取3.1 m，軌道單位荷載為13.7 kPa，列車荷載為40.4 kPa，總荷載54.1 kPa，線間荷載2.3 kPa。

3.3 地基參數(shù)擬合校驗

模擬前對影響變形計算準(zhǔn)確度的地層物理力學(xué)參數(shù)，考慮新線路堤分別按有、無CFG樁加固的有限元計算，并以復(fù)合模量法為基準(zhǔn)進行擬合校驗，確定相關(guān)計算參數(shù)。

計算結(jié)果表明，無CFG樁加固情況下，粉質(zhì)黏土的彈性模量取2倍土體壓縮模量較為合理，與e-p參數(shù)復(fù)合模量法相差約3.3%；采用CFG樁加固時，加固層復(fù)合地基彈性模量取其2倍壓縮模量較為合適，結(jié)果與理論值相差約4.9%。校驗后地層參數(shù)見表5。

表5 校驗后地層參數(shù)

4 計算結(jié)果分析

4.1 計算工況選取

根據(jù)地層條件、新舊線地基處理、兩線間距、路基填高等因素，考慮路堤填高與地基處理深度匹配原則[6－8]，選取新線路堤填高6 m時地基加固處理深度4 m，路堤填高9 m時地基加固深度8 m、14 m，路堤填高10 m時加固深度19 m，共4種情況，以兩路堤坡腳距離分別為6 m(共用水溝)、14 m(共用柵欄)、20 m、30 m、35 m(地基處理深度 14 m、19 m時)的條件，共計18種工況，計算工況匯總見表6，分析既有線路基水平、豎向附加變形特征[9－10]。

表6 計算工況匯總

續(xù)表6

4.2 新建路基對既有線路基變形影響

由附加應(yīng)力擴散規(guī)律，新建工程對既有鐵路的附加應(yīng)力作用與路基填高呈正相關(guān)，隨線間距及新線地基處理深度的增大而減小，因此附加變形也將隨之相應(yīng)變化。

以工況9地基處理深度14 m、坡腳距離6 m情況為例，合位移場及水平、豎向分量結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 合位移場

圖4 水平位移場

圖5 豎向位移場

可以看出工況9條件下，新建路基豎向沉降明顯，路基面和原地面沉降值分別達到99.3 mm和98.6 mm，水平位移分別為2.6 mm和0.4 m。由于新建路基面沉降可通過超填施工等手段解決，工后沉降影響可控；而對于既有線路基水平變形相對更為明顯，水平位移為5.9 mm，路基面沉降值左、右線分別為1.3 mm、0.8 mm，反映了新建路基對既有路基變形的影響。

新線地基處理深度分別為4 m、8 m、14 m、19 m四種情況下，既有路基合位移與坡腳間距、地基處理深度關(guān)系見圖6。將不同工況的水平位移、豎向位移以及合位移分別進行繪制，見圖7。

圖6 既有路基合位移與坡腳間距、地基處理深度關(guān)系

圖7 既有高鐵路基變形與坡腳間距關(guān)系

水平分量和合位移值相差不大，可見新建路基對既有路基的影響主要體現(xiàn)在水平方向的變形，隨著地基處理深度的增加，既有線坡腳的水平位移和路基面水平位移均增加。

在新線路基同一處理深度下，隨著坡腳距離增大，水平位移呈指數(shù)遞減。處理深度≤8 m、路堤坡腳間距為10～15 m時，對既有路基變形影響趨于微弱；地基處理深度≥14 m，坡腳距離在超過30 m后曲線趨于平緩。

既有線豎向沉降相比水平位移明顯減小，約為水平位移的1/5～1/4，既有線路基面豎向位移隨處理深度增加近似呈指數(shù)減小，規(guī)律和水平位移一致；當(dāng)處理深度≥8 m時，既有線坡腳豎向位移呈先增大后減小的趨勢，對應(yīng)于坡腳間距15 m時產(chǎn)生極值。

5 最小坡腳間距分析

由圖6、圖7可知，兩線坡腳間距的取值應(yīng)綜合考慮既有線路沉降、水平位移的影響。高速鐵路線路變形控制相關(guān)規(guī)定[11－12]見表7。

表7 線路靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

結(jié)合數(shù)值模擬計算，在坡腳距離超25 m時，不同地基處理深度下既有路基豎向沉降均小于1 mm，水平位移在3 mm以內(nèi)，此時新建線路對既有線路的附加擾動較小，滿足線路維修規(guī)則要求，也滿足既有線路正常運營，同時節(jié)省工程土地，符合新時期鐵路發(fā)展綠色協(xié)調(diào)的理念。

6 結(jié)論

通過以粉質(zhì)黏土地區(qū)平行既有高鐵新建路基為案例的模擬分析，對平行既有高鐵新建路基產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力進行分析，以此為基礎(chǔ)對坡腳退避間距進行取值建議。

(1)在新建路基軌道－列車及路基荷載的影響下，既有線路基變形以水平位移為主；在新線路基同一地基處理深度條件下，既有線坡腳和路基面水平位移隨坡腳間距增大呈指數(shù)規(guī)律遞減；處理深度≤8 m，路堤坡腳間距為10～15 m時，對既有路基變形的影響趨于微弱；地基處理深度≥14 m，坡腳距離在超過30 m后曲線趨于平緩。

(2)既有線豎向沉降相比水平位移明顯減小，約為水平位移的1/5～1/4，既有線路基面豎向位移隨處理深度增加近似呈指數(shù)減小，規(guī)律和水平位移一致；當(dāng)處理深度≥8 m時，既有線坡腳豎向位移呈先增大后減小的趨勢，對應(yīng)于坡腳間距15 m時產(chǎn)生極值。

(3)參考高速鐵路維修規(guī)則相關(guān)規(guī)定，對于地基壓縮層厚度10～20 m典型情況，建議在新線地基加固深度不大于8 m時，可利用共用柵欄凈距14 m作為坡腳最小退避間距；當(dāng)新線地基加固深度超過14 m時，坡腳最小退避距離可增加至25 m。