王 凱 曾憲明 孫東澤 崔俊杰

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 研究背景

目前,我國(guó)高速鐵路網(wǎng)建設(shè)已具相當(dāng)規(guī)模,新建高速鐵路和城市軌道交通與既有高鐵并行、交叉、幫寬,或接入既有高鐵站情況越來(lái)越多。高鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中,對(duì)路基工后沉降要求嚴(yán)格[1],但鄰近既有高鐵工程建設(shè)會(huì)引起既有高鐵路基附加沉降,甚至造成無(wú)砟軌道平順性急劇變差,影響列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行[2-3]。因此,既有高速鐵路路基的變形控制,成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[4]。處理方案主要有輕質(zhì)土減載方案、復(fù)合地基加固方案和應(yīng)力阻斷方案,附加沉降變形計(jì)算分析方法主要為理論分析方法、有限元數(shù)值計(jì)算方法,其中有限元法因其適用工于況復(fù)雜、精度高、效率高得到廣泛應(yīng)用[5]。曾憲明等基于有限元方法對(duì)并行既有高鐵新建路基設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究,提出新型路基方案[6-8];胡潤(rùn)乾等結(jié)合新建客專引進(jìn)既有高鐵站造成既有路基幫填的工程,通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法分析樁筏結(jié)構(gòu)加固地基結(jié)合輕質(zhì)土填筑方案的變形特征[9-12];陳效星等對(duì)高鐵無(wú)砟軌道幫寬造成既有路基附加變形的控制措施進(jìn)行分析,建議采用微型樁結(jié)合輕質(zhì)土方案[13-15]。

依托新建德州至商河高速鐵路鄰近既有高鐵路建設(shè)工程,通過(guò)有限元數(shù)值仿真方法,研究新建并行線路對(duì)鄰近既有高鐵路基附加沉降變形的影響規(guī)律,進(jìn)一步對(duì)比分析不同路基設(shè)計(jì)方案的差異,并針對(duì)有限元模型參數(shù)開展研究,探討樁長(zhǎng)、樁徑和樁間距對(duì)既有路基附加沉降的影響規(guī)律。

2 工程概況

新建德商高速鐵路正線速度設(shè)計(jì)值為350 km/h,采用CRTSⅢ型無(wú)砟軌道板,該線于德州東站引出,最終接入濟(jì)濱高鐵商河南站,全長(zhǎng)74.69 km。既有石濟(jì)客專德州東站南端咽喉區(qū)需要進(jìn)行路基拓寬,其中,新建左線直接拓寬石濟(jì)高鐵路基,新建右線位于既有石濟(jì)高鐵與既有京滬高鐵之間,也需要對(duì)既有石濟(jì)高鐵路基拓寬。

研究區(qū)位于黃河沖積平原,地形平坦開闊,建筑物稀疏,耕地廣為分布。淺部地層主要為粉土、黏土以及粉質(zhì)黏土,屬松軟土,基本承載力為100～120 kPa,厚約20 m;其下主要分布密實(shí)細(xì)砂和中砂,基本承載力為300～450 kPa。沿線地下水為第四系孔隙潛水,勘測(cè)期間地下水埋深5.30～12.50 m,地震動(dòng)峰值加速度為0.05g(地震基本烈度為Ⅵ度)。

2.1 工程位置關(guān)系

新建高速鐵路從既有德州東車站引出后,在一定里程范圍內(nèi)呈多線鄰近并行狀態(tài),其平面相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 多線并行段平面相對(duì)位置示意(單位:m)

新建高鐵左右線由既有高鐵幫寬設(shè)置,其中,左線左側(cè)繼續(xù)采用幫寬方案設(shè)置折線,右線右側(cè)分別為既有下行聯(lián)絡(luò)線、既有高鐵左右線與既有上行聯(lián)絡(luò)線,該多線并行橫斷面見(jiàn)圖2。新建高鐵左線與既有客運(yùn)專線最小間距為6.54 m。新建高鐵左、右線為設(shè)計(jì)速度為350 km/h的無(wú)砟軌道(單線模式);新建立折線為設(shè)計(jì)速度160 km/h的有砟軌道(單線模式);既有高鐵各線設(shè)計(jì)速度為350 km/h的無(wú)砟軌道(雙線模式);既有石濟(jì)高鐵設(shè)計(jì)速度為250 km/h的有砟軌道(雙線模式)。既有左右線聯(lián)絡(luò)線均為有砟軌道。

圖2 多線并行段橫斷面布置(單位:cm)

既有高鐵路基填高5～7 m,地基采用CFG樁加固,樁長(zhǎng)26～30 m,樁間距1.6 m,?0.5 m,邊坡采用拱形骨架加空心磚植草防護(hù)。

既有客專路基面寬度13.4 m,路堤高5～7 m,地基采用CFG樁加固,樁長(zhǎng)10 m,樁間距1.8 m,?0.4 m,石濟(jì)高鐵在站場(chǎng)范圍(K207+059.00往小里程)采用拱形骨架加空心磚植草防護(hù),站場(chǎng)范圍外采用拱形骨架護(hù)坡。

2.2 路基設(shè)計(jì)方案

基于新建與既有線位的相對(duì)關(guān)系,從強(qiáng)基、減載、應(yīng)力阻斷以及減弱施工擾動(dòng)的角度出發(fā),提出并研究基于“樁板結(jié)構(gòu)+扶壁式”擋土墻一體式及結(jié)合輕質(zhì)混凝土填筑的新型并線路基設(shè)計(jì)方案。該方案采用樁板結(jié)構(gòu)對(duì)地基進(jìn)行加固處理,樁板結(jié)構(gòu)板上部剛接扶壁式擋土墻以進(jìn)行路基收坡處理,同時(shí)采用輕質(zhì)高強(qiáng)的泡沫輕質(zhì)混凝土對(duì)路基進(jìn)行填筑,其余新線地基采用樁土復(fù)合地基進(jìn)行加固處理,見(jiàn)圖3。

圖3 樁板結(jié)構(gòu)結(jié)合扶壁式擋墻設(shè)計(jì)方案(單位:cm)

新型一體式結(jié)構(gòu)中,扶壁式擋墻高6.5m,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)12.98m,扶壁厚0.6m,扶肋間距為4.2m。其中,墻身采用C40混凝土,所有鋼筋均為HRB400;該結(jié)構(gòu)中下部樁基采用鉆孔灌注樁,?1.25m,樁長(zhǎng)根據(jù)地層情況經(jīng)計(jì)算而定。本次計(jì)算中,樁長(zhǎng)設(shè)定為25m,橫斷面方向布設(shè)2排樁,樁間距為2.5m,縱向布設(shè)1排樁,樁間距為10.5m,采用現(xiàn)澆方式施工,須保證樁基嵌入上部承臺(tái)結(jié)構(gòu)至少100mm,并保證樁頂受力主筋與上部承臺(tái)結(jié)構(gòu)主筋連接牢固(見(jiàn)圖4)。

圖4 一體式結(jié)構(gòu)示意(單位:m)

目前,類似工程中應(yīng)用較為廣泛的方案多采用泡沫輕質(zhì)土,以放坡形式對(duì)路基進(jìn)行填筑,并采用樁土復(fù)合地基進(jìn)行加固。其中,新建左部路基下方地基采用素混凝土鉆孔灌注樁,新建右部路基下方地基采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,樁基施工均采用全套管全回旋鉆孔灌注(見(jiàn)圖5)。

圖5 常規(guī)輕質(zhì)土放坡設(shè)計(jì)方案(單位:cm)

上述兩種方案中均涉及泡沫輕質(zhì)混凝土,該材料為一種新型材料,具有輕質(zhì)性、強(qiáng)度密度可調(diào)性、高流動(dòng)性、硬化后直立以及便捷施工等特點(diǎn)。采用該材料取代常規(guī)路基填料可減小填筑豎向荷載,以降低地基內(nèi)附加應(yīng)力,并減小路基沉降;減小側(cè)向壓力,以降低支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力;便利施工性能,實(shí)現(xiàn)施工設(shè)備小型化,降低施工場(chǎng)地要求,適用于空間受限的情況。

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 有限元模型

采用有限元數(shù)值計(jì)算軟件Plaxis 3D對(duì)既有高鐵路基附加沉降變形影響進(jìn)行計(jì)算,首先對(duì)比不同路基方案的敏感位置變形,然后針對(duì)不同的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行變形影響分析。

路基和地基變形分析通常采用基于摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型,地基內(nèi)不同地層土體亦采用基于摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型,各地層的基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。其中,樁體與各層樁間土之間的相互作用面采用基于莫爾庫(kù)侖準(zhǔn)則的Goodman單元進(jìn)行定義,在軟件中通過(guò)指定作用面的強(qiáng)度折減因子進(jìn)行模擬。

表1 地基土體基本量物理力學(xué)參數(shù)匯總

工程實(shí)踐中,不同地基部位采用不同樁體類型,有限元計(jì)算模型中分別考慮抗(拉)彎能力很低的素混凝土樁和CFG樁,以及抗壓、抗剪、抗(拉)彎均較強(qiáng)的鋼筋混凝土樁。其中,新建左部路基下方的素混凝土樁,樁長(zhǎng)為26.0m,樁間距為2.4m,?0.6m,正方形布置,樁體采用C30混凝土,泊松比為0.2,彈性模量為18GPa;新建有部路基下方采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)為30.0m,?1.0m,每排設(shè)置2根,縱向樁間距為5m,矩形布置,采用C40混凝土,泊松比為0.2,彈性模量為30GPa;既有高速鐵路下方采用CFG樁,樁長(zhǎng)為28.0m,?0.5m,樁間距為1.6m,正方形布置,采用C30混凝土;既有客專下方采用螺紋樁,樁長(zhǎng)為10m,樁間距為1.8m,?0.4m,正方形布置,采用C30混凝土。樁體采用彈性本構(gòu)進(jìn)行模擬,泊松比為0.2,彈性模量為30GPa。此外,用于路堤填筑的泡沫輕質(zhì)混凝土也采用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬,其基本參數(shù)見(jiàn)表1。

有限元計(jì)算模型橫向?qū)?20m,地基深50m,該尺寸可將邊界效應(yīng)降低至允許范圍內(nèi)。模型側(cè)向邊界限制其兩個(gè)水平法向位移,底面邊界限制豎直法向及兩個(gè)水平切向的位移,模型的上表面自由。軌道結(jié)構(gòu)及車輛荷載參照相關(guān)規(guī)范選取,以沿橫向分布的均布力形式施加在路基頂面。兩種路基設(shè)計(jì)方案條件下的有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖6。

圖6 有限元數(shù)值計(jì)算模型

基于最不利工況,作用在基床表層的軌道及車輛荷載根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定采用標(biāo)準(zhǔn)的均布荷載形式,其數(shù)值為64.1kN/m2。

3.2 變形分析

首先,對(duì)采用常規(guī)填料進(jìn)行放坡填筑的方案進(jìn)行計(jì)算分析,既有路基關(guān)鍵位置的附加沉降變形見(jiàn)表2。

表2 常規(guī)填料放坡填筑引起附加沉降mm

對(duì)采用輕質(zhì)土進(jìn)行放坡填筑的路基設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,其附加沉降位移見(jiàn)圖7。

圖7 附加沉降位移

由圖7可知,最大變形發(fā)生于左部新線地基表面,即新建立折線與新建高鐵左線下方地基,且距離該部位越遠(yuǎn),附加沉降位移越小。既有路基關(guān)鍵部位的附加沉降,見(jiàn)表3。

表3 輕質(zhì)土放坡填筑引起附加沉降 mm

對(duì)比表2、表3可知,采用泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行放坡填筑,相較于采用常規(guī)填料放坡填筑,前者引起的既有路基附加沉降位移明顯小于后者,因?yàn)檩p質(zhì)土填筑可有效減輕路基荷載,使其對(duì)既有路基的拖拽效應(yīng)顯著減小。此外,分析表3可發(fā)現(xiàn),采用常規(guī)泡沫輕質(zhì)土放坡填筑方案條件下,既有石濟(jì)高鐵左線和右線的路基附加沉降位移顯著大于其他既有路基,且同一線路中的兩股軌道之間的相對(duì)沉降位移差也最大。另外,需要注意的是,部分既有路基發(fā)生輕微的上拱變形,如既有高鐵右線和既有聯(lián)絡(luò)右線的路基,因其距離大面積填筑的新建區(qū)域距離最近,

針對(duì)采用樁板結(jié)構(gòu)結(jié)合扶壁式擋墻的路基設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,其附加沉降位移見(jiàn)圖8。

圖8 附加沉降位移云圖

提取路基關(guān)鍵部位的附加沉降位移值,匯總于表4中。

表4 輕質(zhì)土收坡填筑引起附加沉降 mm

分析圖8和表4可知,采用基于“樁板結(jié)構(gòu)+扶壁式”擋土墻一體式結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)土填筑方案條件下,既有路基各部位的附加沉降變形分布特征與常規(guī)泡沫輕質(zhì)土放坡填筑方案差異甚微,幾乎可以忽略。雖然沉降差異不大,但是可有效減小占地面積,縮小施工空間,在多線并行條件下,尤其新建鐵路與既有高鐵路基之間空間受限條件下,該方法優(yōu)勢(shì)明顯。

為便于更加直觀的分析兩中路基設(shè)計(jì)方案的差異,將對(duì)應(yīng)位置的附加沉降位移進(jìn)行差值運(yùn)算,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 兩種填筑方式引起附加沉降差值 mm

由表5可知,既有右部路基,即既有聯(lián)絡(luò)線、高鐵右線、高鐵左線、聯(lián)絡(luò)右線路基的附加沉降位移較常規(guī)放坡填筑方案影響程度顯著大于既有左部路基,其中,既有高鐵右線路基附加沉降變化最為明顯,但其沉降位移絕對(duì)值僅為0.1mm級(jí)別,引起的沉降差異絕對(duì)值僅為0.01mm級(jí)別,可以忽略。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)榉霰谑綋跬翂Σ捎贸Ｒ?guī)鋼筋混凝土進(jìn)行澆筑,其自重大于所減小的放坡部位的輕質(zhì)土自重,因此造成距離其較近的既有路基變形差異較大。

3.3 樁體參數(shù)影響規(guī)律

以既有客專左線和右線的附加沉降變形為觀察指標(biāo),進(jìn)行新線路基下樁體參數(shù)影響規(guī)率分析。

(1)樁長(zhǎng)影響

在樁徑及樁間距保持不變的情況下(?0.6m、樁間距2.4m),通過(guò)調(diào)整新線地基處理樁長(zhǎng)(分別取10,20,26,30m)來(lái)分析新線地基處理樁長(zhǎng)對(duì)既有線路基沉降的影響,數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 不同樁長(zhǎng)下的既有客專路基附加沉降變形分布

由圖9可知,隨著新線地基處理樁長(zhǎng)的增加,新線對(duì)既有線路基沉降的影響減小,但當(dāng)樁長(zhǎng)繼續(xù)增大到某一值時(shí)(14m),繼續(xù)增加樁長(zhǎng)對(duì)既有線路基沉降控制作用甚微,實(shí)際工程中宜合理確定樁長(zhǎng),以實(shí)現(xiàn)技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào);隨著樁長(zhǎng)的增加,新線路基沉降值減小。由此推斷存在著某一臨界樁長(zhǎng),在臨界樁長(zhǎng)以內(nèi)時(shí),隨著樁長(zhǎng)的增加,新線路基對(duì)既有線路基的沉降影響減小;當(dāng)超過(guò)臨界樁長(zhǎng)后,新線路基對(duì)既有線路基的沉降影響不甚明顯。

(2)樁徑影響

樁長(zhǎng)及樁間距保持不變的情況下(樁長(zhǎng)26m、樁間距2.4m),通過(guò)調(diào)整樁徑(分別取0.4,0.6,0.8m)分析新線地基處理樁徑對(duì)既有線路基沉降的影響,數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。

由圖10可知,新線地基處理樁徑的影響規(guī)律與樁長(zhǎng)相同,隨著樁徑的增加,新線對(duì)既有線路基沉降的影響減小;新線路基沉降值也隨樁徑增加而減小,且都存在衰減趨勢(shì),實(shí)際工程中也宜合理確定某一臨界樁徑。樁長(zhǎng)為26m時(shí),因其已超過(guò)臨界樁長(zhǎng)(14m),故沉降規(guī)律不明顯。

圖10 不同樁徑下的既有客專路基附加沉降變形分布

(3)樁間距影響

在樁長(zhǎng)及樁徑保持不變的情況下(樁長(zhǎng)26m、?0.6m),通過(guò)調(diào)整新線地基處理樁間距(分別取1.8,2.4,3.0m)分析新線地基處理樁間距對(duì)既有線路基沉降的影響,數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 不同樁間距下的既有客專路基附加沉降變形分布

由圖11可知,隨著樁間距的增加,新線對(duì)既有線路基沉降的影響增大;其自身沉降值也增大,同樣表現(xiàn)出衰減趨勢(shì)。

4 結(jié)論

通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算,分析多線并行條件下新建路基對(duì)既有鄰近高鐵路基的附加沉降變形分布特征,對(duì)比研究?jī)煞N路基設(shè)計(jì)方案下既有路基的附加變形差異,進(jìn)一步研究相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)附加沉降變形的影響規(guī)律。通過(guò)系列研究,得到以下主要結(jié)論。

(1)既有鐵路尤其高鐵路基兩側(cè)幫填新線路基會(huì)引起既有路基產(chǎn)生顯著附加沉降,采用輕質(zhì)混凝土可有效減小附加沉降變形,單側(cè)進(jìn)行新線建設(shè)同樣會(huì)引起既有路基產(chǎn)生附加沉降變形,且隨著距離的增加而逐漸減小,甚至產(chǎn)生微小上拱變形。

(2)提出基于新型“樁板結(jié)構(gòu)+扶壁式”擋墻一體化結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)混凝土的填筑方案,與常規(guī)輕質(zhì)土填筑方案引起附加沉降變形近乎一致;該新型路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可有效收坡,減小占地面積,適用于多線并行且空間受限情況。

(3)隨著樁長(zhǎng)、樁徑的增加,對(duì)既有路基沉降擾動(dòng)降低,新建路基自身沉降減小;隨著樁間距的增大,對(duì)既有路基沉降擾動(dòng)增大,新建路基沉降亦增大;對(duì)于新線路基,存在著某一臨界樁長(zhǎng),在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視。