新建鐵路路基下穿京滬高鐵影響研究

謝 浩

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 引言

隨著我國鐵路建設的快速發展，鐵路交通網絡越來越密集，不同鐵路線路間的交叉情況越來越多[1-4]。新建鐵路下穿既有鐵路工程需要在既有鐵路正常運營的情況下，采取措施完成工程的建設。京滬高鐵作為《中長期鐵路網規劃》中“八縱八橫”高速鐵路主通道之一[5]，其重要性不言而喻。新建鐵路路基下穿京滬高鐵可能對其正常運營產生一定影響，一方面，新建路基工程施工過程中會改變京滬鐵路線路路基的應力和變形分布，影響既有線路的安全；另一方面，京滬鐵路在新建路基施工的條件下正常營運，會導致工程施工難度加大，同時也會對新建路基的狀態產生影響。

目前，國內外已積累了大量既有工程附近新建工程的研究成果。耿傳飛[6]采用有限元法模擬鉆孔施工引起周圍土體應力變化，并根據土體應力沿深度變化規律，將整個鉆孔過程分為三個特征階段，探討不同鉆孔順序下橋梁施工對既有橋的影響。李智彥[7]等采用三維數值模擬的方法，對鉆孔灌注樁在各施工工序下周圍土體的應力和變形進行研究，并對鄰近樁基的應力及變形進行分析。結果表明，新建橋臺施工對既有橋樁的變形和應力有一定影響。張立明[8]等針對鄰近地鐵線路的某大型深基坑工程進行研究，提出對面積和深度較大的基坑進行分期實施，可以有效控制鄰近地鐵結構的位移。張治國[9]等基于Winkler地基模型，將框架結構、條形基礎、地基的共同作用簡化成彈性地基上的剪彎梁模型，研究不同施工距離等因素下，基坑開挖對鄰近建筑基礎沉降變形和內力的影響。結果表明，隨著距離增大，建筑基礎梁的相對撓度形態發生截然不同的變化。劉旭菲[10]通過數值模擬方法研究了高速匝道橋梁施工對既有哈大客專樁基變位的影響，得出了新建橋梁施工過程中哈大客專樁基的變形規律。

本文以滬通鐵路安亭下行疏解線下穿運營京滬高鐵工程實例，采用ABAQUS軟件進行三維有限元數值模擬，研究新建鐵路路基不同加固方案對京滬高鐵的影響。

2 工程概況

下穿地段運營京滬高鐵采用設計時速350 km雙線無砟軌道橋梁結構，新建滬通鐵路安亭下行疏解線DK131+063.94～DK131+144.94采用設計時速200 km單線有砟軌道路基，自京滬高鐵453#～454#橋墩下通過，交角約62°，與京滬高鐵橋墩承臺最小凈距為2.2 m，如圖1所示。453#和454#橋墩均采用10樁基礎，樁徑1 m，樁長55～57 m。

圖1 滬通鐵路安亭下行疏解線平面布置(單位：m)

為研究新建路基對京滬高鐵橋梁的影響，本文針對四種不同的路基加固方案分別進行模擬計算。四種方案包括天然地基、淺層加固(換填2 m碎石墊層)、CFG樁加固(樁長25 m，樁徑0.5 m)、鉆孔樁+筏板加固(樁長40 m，樁徑0.8 m，板厚0.8 m)。路堤填高取0.8 m，如圖2所示。

圖2 不同路基加固方案(單位：m)

3 計算模型構建與參數選擇

(1)計算模型

ABAQUS軟件具有強大的分析能力，特別是能夠模擬高度非線性問題和處理非常龐大復雜的問題。因此，本文采用ABAUQS軟件建立下穿地段的三維數值模型。合理的計算模型不但要盡可能模擬實際工況，還需考慮單元的創建質量對模型進行適當簡化。滬通鐵路安亭下行疏解線與既有京滬高鐵斜交，考慮最危險狀態和建模方便，計算模型以最近的距離(2.2 m)與既有京滬高鐵路線垂直下穿(見圖3)，鉆孔樁+筏板加固方案模型見圖4。

圖3 安亭下行疏解線三維數值模擬模型

圖4 鉆孔樁+筏板加固方案三維數值模型

(2)計算參數

土體的應力應變通常具有非線性、彈塑性、剪脹性和各向異性等特性。其本構關系是有限元分析的核心，ABAUQS中提供了一系列巖土工程分析時常用土的模型。為使模擬計算更精確的同時減小計算量，本文選用HS硬化模型(Hardening Soil Model)模擬開挖影響較大的淺層土體，開挖影響較小的深層土體采用摩爾-庫倫模型模擬，計算參數見表1～表2。

表1 淺層土體HS模型參數

表2 深層土體摩爾-庫倫模型參數

4 計算結果分析

針對四種不同的路基加固方案，分別模擬列車荷載作用下地基與京滬高鐵橋梁變形情況。

4.1 地基沉降變形結果分析

列車荷載作用下兩墩中心連線的豎向位移分布如圖5所示。由圖5可知，沉降變形最大值位于新建路基中心線附近，與中心線距離越大，沉降變形越小。天然地基方案和淺層加固方案在列車荷載作用下地基均發生較大變形，而CFG樁加固方案和鉆孔樁+筏板加固方案路基變形相對較小，且鉆孔樁+筏板加固方案更優。

圖5 不同路基加固方案地基豎向位移

4.2 京滬高鐵橋梁變形分析

主要從京滬高鐵橋墩、橋面板和樁基礎變形三個方面分析新建路基對京滬高鐵的影響。

(1)橋墩變形影響分析

表3為不同路基加固方案情況下京滬高鐵453#和454#墩最大水平變形和豎向變形。分析表中數據可知，無論是水平變形還是豎向變形，453#墩都明顯大于454#墩，表明距離新建路基越近的橋墩，受影響程度越大。天然地基情況下，橋墩水平變形大于豎向變形，而CFG樁、鉆孔樁+筏板加固條件下，橋墩水平變形小于豎向變形，這是由于隨地基加固深度和剛度的增加，側向變形系數越來越小，列車荷載和路基自重荷載對土體水平向的作用逐漸減弱，水平變形隨之減小。從整體規律上看，四種加固方案對京滬高鐵橋墩變形的影響程度依次為天然地基＞淺層加固＞CFG樁加固＞鉆孔樁+筏板加固。

表3 不同路基加固方案情況下京滬高鐵橋墩最大變形

依據《鐵路橋涵設計規范》，無砟軌道相鄰橋墩沉降差不應大于5 mm，而四種加固方案最大差異沉降為淺層加固方案的3.733 mm，均滿足沉降控制要求。但根據《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》規定，250 km/h(不含)～350 km/h線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差經常保養值不應超過4 mm，即新建路基施工造成既有京滬高鐵橋墩水平和豎向變形不應超過4 mm。由此可見，僅鉆孔樁+筏板加固方案可滿足要求。

(2)橋面板變形影響分析

圖6a為不同路基加固方案情況下京滬高鐵橋面板變形沿橋面中心線的分布情況。圖中距離為0處為京滬高鐵橋面板在既有453#橋墩中心對應的位置。不同加固方案下既有高鐵橋面板上的豎向位移分布規律基本相同，均為與既有高鐵453#橋墩連接端橋面板豎向位移大于454#橋墩。從整體規律上看，四種加固方案對京滬高鐵橋面板變形的影響程度依次為天然地基＞淺層加固＞CFG樁加固＞鉆孔樁+筏板加固。圖6b為不同路基加固方案情況下京滬高鐵橋面板順橋向坡率對比情況。根據《鐵路橋涵設計規范》，無砟軌道橋梁相鄰墩臺梁端水平折角不應大于1‰rad。由此可見，各加固方案均滿足要求。

圖6 不同路基加固方案情況下京滬高鐵橋面板變形

(3)樁基礎位移影響分析

為研究不同路基加固方案對京滬高鐵樁基礎位移影響，本文選取京滬高鐵453#橋墩下靠近滬通鐵路新建路基一側的一根樁進行分析，所選分析樁位置如圖7所示。不同路基加固方案引起的京滬高鐵橋墩樁基礎水平位移見圖8。分析可知，天然地基方案與淺層加固方案下京滬高鐵樁基礎水平位移分布規律基本一致，沿樁頂向樁底均呈先增大后減小的規律，且淺層處理方案對高鐵樁基礎的影響稍大。CFG樁加固方案與鉆孔樁+筏板加固方案在處理深度范圍內對京滬高鐵橋墩樁基礎的水平變形影響相對于天然地基顯著降低，而在范圍外對京滬高鐵樁基礎影響稍大于天然地基。這表明，CFG樁加固與鉆孔樁+筏板加固方案可以有效將列車荷載與路基自重產生的荷載效應傳遞至處理深度以下，避免京滬高鐵樁頂發生較大位移引起樁基傾斜。

圖7 分析樁位平面

圖8 京滬高鐵橋墩樁基礎水平位移

5 結束語

本文以滬通鐵路安亭下行疏解線新建路基下穿運營京滬高鐵為工程實例，采用ABAQUS軟件建立了下穿地段三維有限元數值模型，合理選取計算參數，分析研究了天然地基、淺層加固、CFG樁加固、鉆孔樁+筏板加固四種方案情況下的地基沉降和對京滬高鐵橋墩、橋面板和樁基礎的影響。得出如下主要結論:

(1)天然地基方案和淺層加固方案在列車荷載作用下地基均發生較大變形，而CFG樁加固方案和鉆孔樁+筏板加固方案路基變形相對較小，且鉆孔樁+筏板加固方案更優。

(2)四種加固方案對京滬高鐵橋墩和橋面板變形的影響程度依次為天然地基＞淺層加固＞CFG樁加固＞鉆孔樁+筏板加固。

(3)四種加固方案下京滬高鐵橋墩差異沉降和橋面板順橋向坡率均滿足《鐵路橋涵設計規范》的要求，但僅鉆孔樁+筏板加固方案滿足《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差經常保養值的要求，從工程角度考慮，鉆孔樁+筏板加固方案更偏于安全。

(4)CFG樁加固方案與鉆孔樁+筏板加固方案在處理深度范圍內對京滬高鐵橋墩樁基礎的水平變形影響顯著低于天然地基和淺層加固方案，表明CFG樁與鉆孔樁+筏板加固方案可以有效將列車荷載與路基自重產生的荷載效應傳遞至處理深度以下，避免京滬高鐵樁頂發生較大位移而引起樁基傾斜。