既有鐵路基床非開挖旋噴加固效果數值分析

劉明宇,肖　宏

(北京交通大學土木建筑工程學院,北京　100044)

隨著高速鐵路運營里程的增加及成網，既有線將更多的投入到貨物運輸中。根據調研，我國運營的既有線路基普遍沒有采用級配碎石或者A組填料對基床表層結構進行強化，且C組填料較多，很多地段路基處于臨界狀態。隨著列車軸重增加，直接導致基床表層產生基床外擠、沉降變形等病害發生，并且持續惡化，甚至路基破壞，由此也直接導致養護維修工作量顯著增大。為了保持線路運營安全，在不大幅增加養護人員的情況下，最有效的方式就是對路基承載力不足和病害區段進行合理加固。

許多研究學者對既有線路基結構加固進行了深入研究，葉朝良、朱永全等探討了既有線路基基床加固方法，針對一些常用的加固方法進行了比較分析[1]；狄宏規等結合朔黃重載鐵路路基加固前后檢測試驗數據，對斜向高壓旋噴樁技術加強既有線路基的綜合效果進行了探索研究[2]；陳學喜等依托寶中鐵路路基下沉病害治理工程，對斜向高壓旋噴樁治理路基病害的設計方法進行了探索，研究了樁體布設形式、間距等加固參數對加固效果的影響[3]；李曉建、王連俊等運用數值分析手段對重載鐵路路基擠密樁加強效果進行了研究[4]；宋緒國等還對斜向旋噴樁加固路基的設計方法進行了探討[5]，并從水泥土樁法的施工技術、加固效果等方面進行了深入研究[6-10]，眾多研究表明斜向和水平旋噴樁具有加固效果較好，不影響行車等優點，但是這些加固手段為橫向加固，工程量大，成本高。隨著高速鐵路建設及運營，運用非開挖成孔技術和孔內旋噴技術在基床內形成縱向連續加固體被嘗試采用。

本文主要針對這一路基加固新方法，采用有限元數值仿真方法，建立三維列車-軌道-加固路基動力耦合分析模型，對縱向旋噴樁加固效果進行研究分析，提出使用非開挖旋噴技術加固既有路基的有效建議和方法。

1　非開挖旋噴加固機理

非開挖旋噴加固技術是一種綜合非開挖成孔技術和孔內高壓噴射注漿技術的既有鐵路基床加固新技術[11]。該技術首先利用非開挖成孔設備在既有鐵路基床內沿線路方向鉆進形成導向孔，在鉆進過程中通過智能控制系統對鉆進軌跡進行實時監控和糾正；在導向孔形成后，利用高壓噴射注漿技術在導向孔內進行旋噴加固，在路基中形成連續縱向旋噴樁對既有鐵路路基進行加固。非開挖旋噴加固施工工藝流程如圖1所示。

圖1　非開挖旋噴施工工藝流程

其中，非開挖成孔技術最早興起于歐美國家，被廣泛運用于地下管線鋪設、更新、修復等市政工程領域。近年來，該技術憑借施工擾動小、環境污染低[12]等諸多優勢，取得了巨大的發展，在許多其他國家得到日益廣泛的應用[13]。利用非開挖成孔技術可以極大程度減少施工對既有線路正常運營的影響，具有良好的應用前景。

孔內旋噴成樁是整個加固過程中最重要環節之一，其原理是利用特定的旋噴鉆機及其配套設備，在鐵路路基基床的導向孔中利用噴嘴將漿液以一定的壓力噴射出來，沖擊破壞土體。當能量大、速度快的高壓噴射流的動壓超過土體結構強度時，土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力等作用下，與漿液攪拌混合，按一定的漿土比例和質量大小有規律的重新排列[14]，在土體與漿液充分攪拌凝固后，基床內形成具有一定強度的圓柱形固結體，即為縱向旋噴樁。合理布置的旋噴樁可以改善路基受力特性，有效提高路基承載力。旋噴樁成樁質量主要取決于注漿材料、旋噴方法以及噴射技術參數等，一般旋噴形成固結體主要由漿液主體部分、攪拌混合部分組成，固結體橫斷面結構如圖2所示。

圖2　路基中旋噴固結體橫斷面示意

2　列車-軌道-路基相互作用模型

2.1　計算模型

本文采用ABAQUS軟件建立列車-軌道-加固路基系統的三維有限元動力分析模型，有限元模型主要包括列車模型、軌道模型、路基模型以及輪軌接觸模型等四部分組成，為減少邊界影響，模型全長取100 m，非開挖旋噴路基加固區在模型中間位置，加固區長50 m，如圖3所示。

(1)車輛模型

車輛模型參考普通25 t軸重貨車模型建立，車輛系統是由車體、轉向架、輪對和一系懸掛、二系懸掛組成的多自由度振動體系。整個車輛模型按照剛體考慮，在計算中忽略車體變形，一、二系懸掛利用MPC梁單元來實現懸掛系統的剛度及阻尼特性。

圖3　列車-軌道-加固路基分析模型

(2)軌道模型

軌道模型由鋼軌、軌枕、道床及扣件等部分組成，模型中扣件及彈性墊板采用笛卡爾彈簧-阻尼單元模擬，該單元具有剛度和阻尼兩個參數，其余部分均采用實體單元模擬。

(3)路基模型

路基包括基床表層、基床底層和路基填土層，根據《鐵路路基設計規范》(TB2005—10001)中關于單線鐵路路基設計要求[15]，模型中路基頂面寬7.9 m，基床表層厚0.9 m，基床底層厚1.6 m，路基填土層厚1.5 m，為保持各層間變形協調，將各層交界面視為無相對滑動，采用tie接觸模擬。

(4)接觸模型

整個模型中接觸模型主要分為輪軌接觸模型和樁土接觸模型，參考翟婉明的研究成果[16]，為充分考慮車輛在運行過程中可能因為鋼軌不平順產生輪對脫空現象，輪軌接觸模型中選用Hertz接觸模擬，如圖4所示；輪軌法向接觸力可由下式計算[17]

式中，G為輪軌接觸常數；R為輪軌接觸點的車輪滾動半徑，m；ΔZ(t)為輪軌接觸點處的彈性壓縮量，m。

樁土接觸模型采用經典庫倫摩擦模型模擬，計算中考慮樁土摩擦與相對滑移。

圖4　輪軌接觸模型

2.2　模型參數

根據我國鐵路相關設計規范及調研成果，既有線路基普遍沒有采用級配碎石或者A組填料強化基床表層結構，基床主要采用C組填料。模型中路基部分采用摩爾-庫倫本構模型模擬，鋼軌、軌枕等采用線彈性材料模擬，具體材料參數如表1所示。另外，參考旋噴施工實例和既有設備條件，施工過程中旋噴噴射壓力為15～25 MPa，成樁直徑為0.3～0.4 m[18]，故模型中旋噴樁直徑取0.35 m，同時模型中考慮旋噴作用對周圍土體擠密作用。

表1　材料參數

2.3　計算工況

分4種計算工況對非開挖旋噴法路基加固效果進行分析，其中工況1路基不采取加固措施；工況2和工況3分別在鋼軌正下方的路基不同深度處用1排旋噴樁進行加固；工況4在鋼軌正下方的路基不同深度處用2排旋噴樁進行加固，工況具體情況見表2和圖5。

表2　計算工況

圖5　加固樁體布置示意

3　計算結果分析

3.1　路基動應力

當25 t軸重普通貨車以80 km/h通過時，各工況下基床動應力分布云圖如圖6～圖9所示。

圖6　工況1路基動應力云圖

圖7　工況2路基應力云圖

圖8　工況3路基動應力云圖

圖9　工況4路基動應力云圖

從動應力橫向分布來看，路基未加固情況下工況1，基床表層動應力最大值為76.96 kPa，動應力沿基床橫斷面呈現明顯的馬鞍形分布特征，最大動應力點出現在軌下位置，枕端及中心處動應力較小，約為鋼軌下方動應力的40%。工況2及工況4在路基面以下0.9 m處采用旋噴樁對路基進行加固后，鋼軌下方位置動應力明顯增大，分別達到了99.21 kPa和104.2 kPa，相比路基未加固情況下(工況1)，分別增大了28.91%和35.39%，且樁體動應力遠大于周圍土體動應力。工況3在基床底層對應位置采用旋噴樁對路基進行加固，由于加固位置較深，所以對基床表層動應力分布影響較小。

從動應力沿基床深度方向傳遞來看，路基未加固情況下工況1，動應力在基床表層內衰減迅速，幅度達到了37.38%。在基床表層采用旋噴樁體加固后，動應力最大值出現在旋噴樁位置，而不是基床表層頂面上。

表3為路基加固前后動應力對比，可以看出，在路基表層采用旋噴樁加固后，使加固區域剛度變大，導致基床表層動應力均有所增大，但由于旋噴樁樁體抗壓強度可達到2.0 MPa，樁體相比于路基土體抗壓強度增大約200倍，而加固后樁體位置動應力僅增大了1.9倍，增加的動應力與材料強度比值有所減小，所以加固后路基結構受力有所改善。在路基底層采用旋噴樁加固也會使區域內剛度變大，但由于其加固位置較深，動應力經過沿深度方向衰減后傳至加固區域時數值較小，所以對路基結構受力影響較小。

表3　不同工況下路基動應力結果對比

3.2　路基動位移

當25 t軸重普通貨車以80 km/h通過時，各工況下基床動位移分布云圖如圖10～圖13所示。

圖10　工況1路基動位移云圖

圖11　工況2路基動位移云圖

圖12　工況3路基動位移云圖

圖13　工況4路基動位移云圖

從路基動位移云圖可以看出，路基未加固時，軌道-路基系統豎向動位移沿橫向的分布較為平緩，位移最大值出現在鋼軌下方位置。在基床表層采用旋噴樁加固后，豎向動位移減小明顯，且動位移最大值位于線路中心位置。

表4為路基加固前后動位移對比，從表4可以看出，采用縱向旋噴樁加固后路基垂向變形大幅度減小。同時，對比工況2和工況3可以看出，在基床表層進行加固明顯優于基床底層進行加固。其中，在基床表層加固后，路基面豎向動位移減少了41.2%，整體路基抗變形能力得到增強。

表4　不同工況下路基動位移結果對比

4　結論

(1)縱向加固是一種新的路基基床加固技術，本文充分考慮旋噴樁與土體接觸作用，率先建立了精細化耦合動力分析模型，可對行車作用下，路基結構受力特性及動應力、動位移分布規律進行分析。

(2)正常情況下，動應力沿基床橫截面呈馬鞍形分布，在路基表層采用旋噴樁加固會改變動應力分布規律，一定程度上增大路基面動應力；在基床底層采用旋噴樁體加固對動應力影響較小。

(3)在路基中沿鋼軌下方位置采用縱向旋噴樁加固可以使整體路基結構受力有所改善。在基床表層鋼軌下方位置采取旋噴樁加固能使路基面豎向動位移降低41.2%，在基床底層對應位置加固豎向動位移僅降低26.6%，所以優先考慮在基床表層采用旋噴樁加固。

(4)設置多排旋噴樁可以更好加固整體路基結構，但加固效果相對于基床表層中單排樁加固效果并不明顯，所以從經濟性角度考慮，建議實際過程中盡量考慮在基床表層采用單排非開挖旋噴加固手段對路基結構加固。

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