朱興運

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，截至2019年，中國高鐵運營總里程已經達35 000 km。近年來，國家大力推進京津冀一體化、長三角經濟區(qū)的建設，依托既有京滬高鐵、滬杭客專、京石客專、石濟客專等將建設大量高速鐵路，在此過程中，難以避免發(fā)生大量鄰近既有線施工[1]。研究如何降低新建鐵路對既有鐵路沉降變形的影響具有重要意義。

針對新建鐵路對既有鐵路路基沉降變形的影響，已有多位學者進行相關研究[2-5]。以下基于前人的研究成果，依托某項目，采用數(shù)值分析方法對比分析按比例放坡與設置擋墻提前收坡、正常填土與換填輕質土對既有線豎向沉降和水平變形的影響。

2 工程概況

某既有鐵路站臺規(guī)模為兩臺四線，無砟軌道，平均填高7.5 m，地基處理采用“CFG樁+樁網”結構形式，樁徑0.5 m，樁長19～23 m，正方形布置，樁間距1.6～2.0 m。新建線與既有線正線間距為39.5 m，其規(guī)模也為兩臺四線，無砟軌道，地基處理采用“螺桿樁+樁網”結構形式，樁徑0.4 m，正方形布置，樁間距2.2 m，樁長與既有站對應里程CFG樁長保持一致。

該地區(qū)地質鉆探結果揭示，該地區(qū)地層以粉質黏土和粉土為主，承載力范圍為140～180 kPa；中間夾雜多層粉砂、中粗砂，承載力為90～550 kPa，地下水埋深27～32.8 m。

2.1 斷面數(shù)據(jù)

選用DK247+687.92、DK247+830、DK248+453.64處3個橫斷面進行數(shù)值分析，這3個橫斷面分別處于咽喉區(qū)、站臺區(qū)以及正線并行段落(見圖1)。其中，DK247+687.92處新建路基與既有線路基坡腳發(fā)生搭接；DK247+830處新建線與既有線共路基面，為最不利斷面。

圖1 斷面位置示意

2.2 土層及材料參數(shù)

本次計算斷面的地層參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

樁基的側摩阻力系數(shù)按照公式tan(φ×0.65)取平均值，二維模型采用樁基的彈性模量按照等抗壓剛度進行折減。路堤填筑所需材料及樁基材料參數(shù)見表2。高鐵無砟軌道荷載分布寬度為3.1 m，軌道荷載13.7 kPa，列車普通荷載40.4 kPa，列車特種荷載50.4 kPa[6]。

表2 路基本體及樁基材料參數(shù)

3 數(shù)值模擬

李陽提出，在計算路基沉降時，采用二維模型精度較高[7]，故利用二維模型進行模擬。其中，彈性模量的取值將直接影響數(shù)值模擬的計算結果，通過對DK248+453.64斷面的理論計算結果與數(shù)值模擬結果進行對比，通過反分析方法獲得較準確的土體彈性模量參數(shù)[8]。

3.1 確定彈性模量

依據(jù)建筑樁基設計規(guī)范等，本工程樁中心距不大于6倍樁徑，采用等效作用分層總和法[9-12]，理論計算公式為

(1)

(2)

其中，nb為短邊布樁數(shù)；C0、C1、C2為群樁基礎計算等效沉降系數(shù)時對應的系數(shù)。

在相同斷面利用數(shù)值模擬方法，分別采用3倍壓縮模量及6倍壓縮模量模擬基底位置的豎向位移，位移云圖見圖2、圖3。

圖2 路基豎向位移場(3倍壓縮模量)

圖3 路基豎向位移場(6倍壓縮模量)

沉降對計算結果見表3，由表3可知，在進行數(shù)值模擬時，采用6倍于壓縮模量作為彈性模量參數(shù)，其計算結果偏差較小，僅為6.4%。故本次模擬地層彈性模量的最終取值為壓縮模量的6倍。

表3 沉降計算結果對比

采用理論計算的值與數(shù)值模擬的值進行對比的方法可以相對較好的對壓縮模量進行取值。當需要精確預測沉降量時，建議采用實際沉降量與數(shù)值計算結果對比的方法獲得模擬時使用的壓縮模量。

3.2 數(shù)值分析結果

本次選取具有代表性的3個橫斷面分析新建線對既有線的影響，為減少模型邊界效應，應保證模型橫向及豎向尺寸大于新建線基底寬2.0倍[13]。

(1)DK247+687.92橫斷面位移云圖見圖4～圖7。

圖4 DK247+687.92斷面豎向位移云圖(放坡)

圖5 DK247+687.92斷面水平位移云圖(放坡)

圖6 DK247+687.92斷面豎向位移云圖(設擋墻)

圖7 DK247+687.92斷面水平位移云圖(設擋墻)

路基變形計算結果見表4。

表4 DK247+687.92斷面路基變形計算結果匯總

由表4可知，輕質土填料能夠更好控制既有線的豎向沉降，距離新建線越近，豎向沉降越明顯，在遠離新建線的一側會發(fā)生輕微隆起現(xiàn)象。設置擋墻相較于常規(guī)放坡方法，能夠顯著控制既有線的水平位移。

(2)DK247+830橫斷面位移云圖見圖8～圖9。

圖8 DK247+830斷面豎向位移云圖

圖9 DK247+830斷面水平位移云圖

該斷面為共路基面路基，新建線需要搭接在既有線護坡上。目前，常見的辦法為換填輕質土，以減少既有線對既有線的影響[14]。數(shù)值計算得到的路基變形結果見表5，從分析結果可知，正常土填筑時，到發(fā)線范圍內均會發(fā)生沉降，且沉降值較大；輕質土填筑時，沉降拐點發(fā)生變化，僅在既有線路肩范圍內發(fā)生沉降，且明顯低于正常土填筑時的沉降量，在遠離新建線的一側，輕質土隆起更高。

表5 DK247+830斷面路基變形計算結果匯總

(3)DK248+453.64橫斷面位移云圖見圖10～圖13。

圖10 DK248+453.64斷面豎向位移云圖(設擋墻)

圖11 DK248+453.64斷面水平位移云圖(設擋墻)

圖12 DK248+453.64斷面豎向位移云圖(放坡)

圖13 DK248+453.64斷面水平位移云圖(放坡)

路基變形計算結果見表6，由于該位置新建線與既有線之間的距離較遠，故該處既有線發(fā)生的豎向位移和水平位移相對較小。擋墻方案相較于放坡方案，兩者既有線路基面豎向沉降都控制在1 mm以內，但兩者水平向變形控制效果差異巨大，兩者既有線路基面水平向變形分別為1 mm、9 mm，設置擋墻收坡明顯有助于既有線水平向變形的控制。

表6 DK248+453.64斷面路基變形計算結果匯總

為了進一步驗證既有線鄰近新建線一側發(fā)生沉降，而在遠離新建線的一側發(fā)生隆起的現(xiàn)象。模擬過程中補充增加了DK247+500、DK248+030兩個斷面進行分析。5個斷面的豎向位移結果見圖14。

圖14 不同位置豎向位移數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

由圖14可知，既有線距離新建線越近，其發(fā)生的豎向變形越大，輕質土較正常填料能夠更好控制豎向位移。在遠離新建線的一側，均會發(fā)生相對隆起的現(xiàn)象。

3.3 相對隆起現(xiàn)象驗證

在新建線施工時，既有線遠離新建線的一側路基會發(fā)生相對隆起的現(xiàn)象。某客專并入某高鐵時，橫斷面自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖15。由圖15可知，5-34測點為遠離新建線的一側，在施工前期，該測點沉降相較于6-03測點處于相對隆起狀態(tài)，與數(shù)值分析得出的規(guī)律一致；在施工后期，5-34測點發(fā)生的沉降大于6-03測點，可見在施工快結束、沉降即將穩(wěn)定之前，該處由相對隆起急劇變?yōu)橄鲁?。因此，新建線并入既有線時，應重視全周期監(jiān)測既有線的沉降，依據(jù)監(jiān)測結果指導施工決策[15]。當發(fā)生急劇沉降的現(xiàn)象時，應及時采取相應措施消除影響。

圖15 某橫斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結論

(1)設置擋墻可以有效控制既有線水平位移，但是無法顯著控制豎向位移的影響。

(2)采用輕質土時，既有線沉降影響范圍更小，可以有效控制既有線的豎向位移(<2 mm)，并滿足運營平順性要求；在遠離新建線的一側，會發(fā)生輕微隆起，在實際施工過程中應予以重視。

(3)施工過程中應采取措施對既有線進行保護，并做好全生命周期的監(jiān)測。當發(fā)現(xiàn)既有線發(fā)生明顯沉降時，可采用抬高軌道板或注漿的方式抬升軌面高度，以保證既有鐵路的正常運營。