某高鐵無砟軌道路基幫寬設(shè)計方案數(shù)值研究

梁 偉

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300142)

隨著我國高速鐵路骨干網(wǎng)的基本形成和城市化進(jìn)程的不斷加快，高速鐵路網(wǎng)和城際鐵路網(wǎng)不斷加密，各種城際鐵路、軌道交通、高速鐵路共用通道，形成了各種并行或者幫寬的路基。如何減小路基幫寬引起既有線的沉降變形，是一個重要的技術(shù)與學(xué)術(shù)難題[1，2]。

以往研究成果中，王興榮建議既有線坡腳附近采用非排土樁施工，對既有地基產(chǎn)生的擠密作用不會產(chǎn)生路基附加沉降[3]。徐林榮和左珅針對新建高鐵給既有路基造成的安全隱患，建議在緊鄰區(qū)段采用振動擠土效應(yīng)較小、施工機械更輕便的漿固碎石樁，以及靜壓預(yù)應(yīng)力管樁施工技術(shù)[4]。楊泉等在京滬高鐵曲阜東站接軌方案研究中綜合對比了微型鋼管樁加固、CFG樁加固、高壓旋噴樁加固、基底換填輕質(zhì)混凝土四種地基處理方案，認(rèn)為微型樁加輕質(zhì)混凝土填筑可以大幅降低路基填筑及施工干擾風(fēng)險[5]，胡潤乾在某南方鐵路工程的微型鋼管樁與高壓旋噴樁研究中也得到類似規(guī)律[6]。

隔離樁技術(shù)在減小基坑、隧道等地下工程施工對周邊建構(gòu)筑物的沉降中被廣泛應(yīng)用[7]，也被應(yīng)用于隔離大面積堆載下的應(yīng)力傳播，從而減小對周邊環(huán)境的影響[8]。以往臨近無砟軌道高速鐵路上跨橋多采用隔離樁減少對運營線的沉降影響[9]，而在鐵路路基幫寬工程中則鮮見報道。

綜合以上分析，在本項目中，擬采用的方案為：地基處理采用非排土的預(yù)應(yīng)力管樁，隔離樁采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，路基填料采用泡沫輕質(zhì)土，并進(jìn)一步利用ABAQUS有限元軟件對不同方案下既有線地基沉降變形的影響進(jìn)行分析，以優(yōu)化相關(guān)工程措施與設(shè)計參數(shù)。

1 項目工程概況

既有線站場為兩臺六線，正線為無砟軌道，站場里程中心路基面寬約57.66m，路基填高8.14 m，1∶1.75放坡，并行段地基處理采用CFG樁加固，正方形布置，樁徑為0.5 m，間距為1.8 m。在站場兩側(cè)雙線地段，地基加固深度為25 m，其余地段地基加固深度為30 m。CFG樁樁頂設(shè)0.5 m厚碎石墊層，碎石墊層頂部設(shè)0.1 m 厚C20素混凝土墊層(如圖1)。

圖1 既有線并行段平面示意

新建站為三臺六線，站場里程中心處路基面寬67.74 m，1∶1.5放坡，填高約為8 m，路基橫斷面形式如圖2，路堤基底擬采用預(yù)應(yīng)力管樁處理。在臨近既有線側(cè)8 m范圍內(nèi)擬澆筑倒梯形泡沫輕質(zhì)混凝土。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁外徑為500 mm，壁厚為100 mm。靠近既有線坡腳處設(shè)置一排隔離樁(采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為1 m)。

圖2 既有線并行段典型斷面(單位：m)

典型斷面的土層參數(shù)見表1。

表1 典型斷面的地層參數(shù)

2 數(shù)值模擬

對于路基幫寬這類平面應(yīng)變問題，一般采用二維平面模型進(jìn)行模擬，可以得到較好的效果[10]，若采用三維模型模擬，由于模型尺寸較小，難以反映實際情況，易造成模擬失真，故本次數(shù)值模擬采用ABAQUS建立多斷面二維模型。

首先將既有鐵路路基及新建城際鐵路的樁基施工完成狀態(tài)作為基本初始狀態(tài)(初始位移為零)。在這種狀態(tài)下建立模型，計算路堤荷載和列車荷載下既有鐵路軌道處沉降與變形情況。

模型左右側(cè)約束水平向位移，底部約束水平向和豎向位移，采用四結(jié)點四邊形縮減單元，典型斷面網(wǎng)格劃分為21 182個單元。

混凝土類材料均采用線彈性本構(gòu)模型，其余材料選用摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型，路基及地基處理材料參數(shù)見表2。

為保證計算模型的收斂性和準(zhǔn)確性，選取模型尺寸時，應(yīng)使兩線坡腳外延40 m，地基厚度取50 m。

接軌模型需選擇最不利斷面進(jìn)行數(shù)值模擬。最不利斷面的選擇一般有兩個原則：①選取幫填荷載最大且最近的斷面，即兩線坡腳搭接的地方。②選取線間距最近且荷載較大，即新舊路肩將要合并的斷面。考慮既有線的路基面寬度以及地基處理情況，現(xiàn)選取4個斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，如表3所示。

表2 路基及地基處理材料參數(shù)

說明：(1)依據(jù)以往的工程經(jīng)驗與相關(guān)理論研究[11]，土體的彈性模量一般是壓縮模量的2～5倍，本次研究擬取壓縮模量的3倍為其彈性模量。(2)在二維模型中，對樁基的彈性模量按照抗壓剛度等效進(jìn)行折減。(3)樁基的側(cè)摩阻力系數(shù)按照公式tan(φ·0.45)取值，約為0.2。(4)列車荷載：分布寬度3.1 m，荷載強度54.1 kPa；線間荷載：荷載強度14.1 kPa[12]。

表3 斷面選取

3 方案比選分析

(1)填普通土方案

圖3 YDK133+900路基幫寬下豎向位移場

圖3～圖6為地基沉降云圖，圖7為既有路基面沉降曲線，在路基幫寬填土與列車荷載下，既有路基土體中產(chǎn)生附加應(yīng)力，進(jìn)而引發(fā)既有線地基的沉降。同一個橫斷面中，距新建線越遠(yuǎn)，既有線路基面的沉降變形趨勢逐漸減弱。YDK133+900、YDK134+500兩個斷面的軌面最大沉降在4 mm以內(nèi)，其中正線無砟軌道的沉降控制在2 mm以內(nèi)，目前的技術(shù)措施可以保證上述段落既有線軌道的平順性；但YDK134+600、YDK134+951兩個斷面的整體沉降較大，軌面最大沉降為9～35 mm，其中正線無砟軌道的沉降為5～7 mm，需進(jìn)一步研究泡沫輕質(zhì)土技術(shù)與隔離樁技術(shù)對既有線的整體沉降控制能力。

圖4 YDK134+500路基幫寬下豎向位移場

圖5 YDK134+600路基幫寬下豎向位移場

圖6 YDK134+951路基幫寬下豎向位移場

圖7 不同斷面下既有路基面沉降曲線

(2)泡沫輕質(zhì)土方案

既有線路基沉降計算結(jié)果匯總見表4。采用泡沫輕質(zhì)混凝土?xí)r，與填普通土情況相比，YDK134+600、YDK134+951兩個斷面的整體沉降量減小了30%～50%，說明(靠近既有線側(cè)部分)采用泡沫輕質(zhì)混凝土，可有效減少幫寬路基對既有線路基沉降變形的影響。以斷面YDK134+600(地基處理樁長20 m)為例，正常填土條件下坡腳、最外側(cè)軌道、Ⅰ道及Ⅱ道的沉降分別為47.22 mm，9.03 mm，4.48 mm，3.60 mm，泡沫輕質(zhì)混凝土條件下則為22.96 mm，5.74 mm，3.01 mm，2.53 mm，分別減少了49.3%，36.4%，32.8%，29.7%，表明同一橫斷面內(nèi)，隨著逐漸遠(yuǎn)離新建線，泡沫輕質(zhì)混凝土對既有線路基面的沉降控制能力逐漸減弱。

(3)不同地基處理樁長方案

其他條件相同的情況下，新建路基地基處理的樁長越大，其控制既有線整體沉降效果越好。以斷面YDK134+600最外側(cè)軌道中心沉降量為例，10 m、20 m、30 m樁長下的沉降量分別為11.90 mm，9.03 mm，5.34 mm，樁基由10 m增長一倍至20 m時，沉降量減小24.1%，而繼續(xù)增長至30 m時，沉降量減小40.9%。

(4)隔離樁方案

當(dāng)幫寬路堤坡腳與既有線坡腳搭接時，設(shè)置隔離樁能夠減小既有線沉降的1/3左右。以斷面YDK134+600的35 m隔離樁為例，填普通土且地基處理均為20 m管樁時，未設(shè)置隔離樁時最外側(cè)軌道中心沉降量為9.03 mm；設(shè)置隔離樁后，最外側(cè)軌道中心沉降量為6.02 mm，沉降量減小33.3%。使用泡沫輕質(zhì)混凝土情況下，未設(shè)置隔離樁時最外側(cè)軌道中心沉降量為5.74 mm，設(shè)置隔離樁后，最外側(cè)軌道中心沉降量為4.04 mm，沉降量減小29.6%。

當(dāng)幫寬路基面與既有路基面搭接時，在既有線坡腳附近設(shè)置隔離樁，對既有線的沉降變形控制能力有限。以斷面YDK134+951為例，填普通土且地基處理均為20 m管樁時，未設(shè)置隔離樁時最外側(cè)軌道中心沉降量為34.56 mm；設(shè)置隔離樁后，最外側(cè)軌道中心沉降量為28.02 mm，沉降量減小18.9%，減小幅度有限。

以下分別研究地基處理為20 m管樁時，采用30 m、35 m、40 m隔離樁對既有路基沉降控制的效果。隔離樁樁長越大，其控制既有線路基整體沉降量的能力越強。以YDK134+600斷面的坡腳最大沉降量為例，30 m、35 m、40 m隔離樁下的沉降量分別為40.28 mm，33.24 mm，24.53 mm，隔離樁由30 m增長至35 m時，沉降量減小17.5%，而繼續(xù)增長至40 m時，沉降量減小26.2%。

表4 既有線路基沉降計算結(jié)果匯總 mm

綜上分析，為了保證施工期間既有線的正常運營，在新舊路堤坡腳搭接前，采用正常填土與地基處理樁長20 m的方案。兩坡腳搭接后，考慮到單純增大地基處理樁長，既有路基仍然會產(chǎn)生明顯的整體沉降，且站場大面積地基處理將顯著提高工程建設(shè)成本，故建議優(yōu)先采用靠既有線側(cè)部分采用泡沫輕質(zhì)混凝土和增設(shè)35 m隔離樁方案，以保證上述段落既有線軌道的平順性，此時既有線軌面的最大沉降在11 mm以內(nèi)，其中正線無砟軌道的沉降控制在2 mm以內(nèi)。

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