京張高鐵北京北動車所上跨軌道交通13號線防護剛構設計

薛洪衛 梁 磊 馮同同

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

隨著我國高速鐵路和城市軌道交通建設的大規模發展，鐵路與軌道交通交叉越發頻繁，二者之間的相互防護成為城市內鐵路及軌道交通工程建設的重點。對于小角度跨越，常規設計一般采用大跨結構，外加鋼板樁或者打拔鋼軌樁進行既有工程的防護[1-2]。此類設計具有結構跨度大、施工周期長、防護要求高、經濟性差等缺點，迫切需要考慮其他結構設計方式。“剛構+鉆孔樁”結構形式可有效降低跨越結構跨度及結構高度，減少施工周期，降低防護結構造價。以下結合京張高鐵動車所上跨既有軌道交通13號線的跨越點設計，探討防護剛架這一結構形式的可行性及安全性。

1 工程概況

京張高鐵北京北動車所線路軌道上跨既有北京市軌道交通13號線地鐵框架結構，其中，既有軌道交通13號線西二旗站-龍澤站區間軌道交通線路平面為直線-緩和曲線-圓曲線，圓曲線半徑為400 m。區間結構頂覆土厚度為2～3 m，線間距為4.3 m。區間斷面為明挖矩形框架結構[3]。

京張高鐵主要技術標準如下(跨越處)。

(1)速度目標值：60 km/h。

(2)軌道形式：有砟軌道，無縫線路，50 kg/m鋼軌。

(3)設計活載：CRH3車型空車荷載。

(4)設計使用年限：正常使用條件下梁體結構設計使用年限為100年。

(5)地震烈度：橋址區地震動峰值加速度為0.20g(相當于地震基本烈度Ⅷ度)，場地類別為Ⅲ類。地震動反應譜特征周期為0.45 s。

2 防護設計概述

為保證既有軌道交通的安全，動車所采用采用“剛構+鉆孔樁”的結構形式。本工點防護剛構接既有京包線防護框架，采用異形剛構[4-5]。每個剛構體系獨立構成防護模塊，沿軌道交通13號線保護框架外側共設25個防護剛構模塊及1個異形剛構模塊，每個剛構模塊之間設置沉降縫。

新建防護剛構與既有13號線平面關系及防護剛架典型斷面見圖1、圖2。

3 防護剛架設計分析

本工點直、曲線段采用跨度16 m剛構進行防護，剛構寬9.9 m，基礎采用3根1.25 m鉆孔樁，樁長29 m。曲線段剛構扇形布置，曲線外側加寬[6-9]。泵房處采用跨度20.85 m剛構進行防護，剛構寬度13.2 m，基礎采用4-φ1.25 m鉆孔樁，樁長29 m。防護剛構采用現澆施工。直、曲線段剛構跨度分別為16 m、20.85 m，剛構寬度分別為9.9 m、13.2 m，結構參數見表1。

表1 防護剛構結構參數

3.1 計算方法及模型

(1)選取不同跨度結構，建立空間模型，利用Midas程序進行全橋結構內力計算。

(2)利用剛度模擬的方法對橋梁基礎進行模擬。

采用Midas程序按板單元進行模擬計算，共劃分板單元474個。采用承臺底樁基模擬點彈性約束，樁基礎采用m法進行計算(m為樁側地基土水平抗力系數的比例系數)，通過分析比較m=2 000、m=5 000、m=45 000彈性約束條件下模型內力[10-11]，再通過模型計算結果提取內力，采用內力結果對梁、墩進行配筋計算，模型如圖3所示。

圖3 防護剛構midas模型節點單元

(3)荷載組合

分別以主力、主力+附加力、“主+特”進行組合，取最不利組合進行設計。并對特殊荷載進行檢算。

3.2 分析計算結果及配筋

利用MIDAS模型進行結構受力分析計算，經計算，得“主+附”為結構設計控制工況，該工況下頂板彎矩如圖4所示。

圖4 主加附工況下防護剛構頂板彎矩

結合控制工況，進行結構各截面優化設計及配筋設計[12-14]，主要配筋結果如表2所示。

表2 防護剛構結構主加附工況配筋檢算

3.3 剛構橫梁撓度檢算

在防護剛構上鋪設京張高鐵軌道交通結構，經檢算，在多線靜活載工況下，防護剛構結構橫梁變形撓度符合規范要求(見表3)[15-17]。

為更好與動車所內股線順接，線位均位于動車所內，空車速度小于60 km/h，在防護剛架與場坪間設置整平塊，以保證剛架結構與場坪股道的順接，滿足軌道變形要求。

表3 防護剛構跨中撓度檢算結果

3.4 樁基檢算

采用B89程序進行樁基受力及配筋計算，經計算，樁基樁長由主力工況控制，樁基配筋由“主+震”工況控制。全部剛構樁基布置及樁基受力檢算結果如表4。

表4 防護剛構樁基布置及樁基受力檢算結果

通過比選計算，對于單排樁，存在彎矩較大、樁基配筋較多等狀況；同時，頂板剛度對樁基配筋影響較大，需反復比選，對二者剛度予以優化匹配。

4 專項安全評估分析

4.1 評估模型建立

根據新建京張高鐵動車所防護剛構與軌道交通13號線相對位置關系及影響范圍，選取本次評估的范圍為沿既有地鐵線路縱向方向320 m，線路橫向120 m，土層厚度35 m。評估范圍示意和模型示意如圖5、圖6所示。

圖5 評估范圍示意

圖6 結構模型示意

4.2 評估方法及工序模擬

考慮本次防護剛構施工引起的地鐵線路結構上浮與地層關系密切，故采用地層-結構模型進行變形分析。采用ANSYS軟件，模擬新建京張高鐵動車所防護剛構的施工過程對軌道交通13號線西二旗站-龍澤站區間結構及軌道的安全性影響，提供既有結構的變形分析結果，評估軌道交通13號線結構和軌道結構的安全性[18-20]。

根據施工方案，模型開挖分為以下幾個階段，包括基礎施工、承臺施工、剛構施工等，由于現場施工范圍較大，可能多段同時施工，考慮到不同段對地鐵施工影響類似，故按最不利工況考慮，模擬具體階段見表5。

表5 施工模擬工序說明

4.3 評估結果及基本結論

新建京張高鐵動車所防護剛構施工會引起臨近既有地鐵區間結構及附近地表產生一定程度的附加變形和差異沉降，為了評價工程施工對既有地鐵區間結構的影響，應對變形進行預測分析。

新建京張高鐵動車所防護剛構的施工過程對既有軌道交通13號線區間隧道結構及地表產生一定程度的附加變形，為有效了解這種附加變形，將分析各工序下區間隧道結構的橫向變形和豎向變形。為了反映既有結構的變形情況及規律，將提取各階段施工完成后既有結構的變形云圖，以分析既有結構的變形規律。

由ANSYS模型的計算結果可知，既有13號線區間隧道的橫向變形最大值為0.090 mm，發生曲線部分主體結構側墻(偏向曲線外側)；豎向變形最大值為1.614 mm，最大豎向變形發生在打樁工序，曲線部分主體結構頂部。最大豎向變形云圖及變形量見圖7～圖10及表6。

圖10 施工模擬階段4豎向變形

表6 軌道交通13號線區間隧道結構變形結果

根據三維有限元分析計算，通過13號線區間隧道結構底部兩個典型截面的變形趨勢來分析軌道結構變形，結果表明，新建京張高鐵動車所防護剛構工程引起既有軌道交通13號線區間地鐵軌道結構產生一定的變形，軌道交通13號線軌道結構最大豎向變形值為1.444 mm(下沉)。

通過建立三維地層-結構模型，對既有軌道交通13號線隧道結構及軌道結構進行變形計算分析可以看出，由于新建京張高鐵動車所防護剛構的施工，既有軌道結構產生了一定程度的豎向變形和橫向變形。根據計算所得施工引起的既有地鐵結構預測變形值以及變形云圖進行分析可以得出如下結論：本項目風險點評級為一級，總體影響較大，應采取一定的軌道防護措施和監測措施，以確保地鐵列車安全運行；區間隧道結構本身承載力相對于計算沉降值仍有較大富余，故該工程安全。

5 結論

京張高鐵北京北動車所上跨軌道交通13號線工程為京張高鐵市內重要節點，此處為多線小角度跨越，結構縱橫向跨度要求高，采用“防護剛構+鉆孔樁”的防護結構形式，可有效發揮剛構結構橋跨越能力強、整體剛度大、結構穩定性、動力性能好、建筑高度低等優點，可有效解決動車所多線上跨既有軌道交通的安全問題，為此后同類工程提供設計參考。