L型墻對鄰近鐵路沉降影響分析方法對比研究★

王亞飛,李慈航

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

1 概述

隨著我國鐵路建設的迅速發展，路網交匯與不斷加密使新建線與既有線交叉、并行等鄰近營業線施工的情況越來越多[1]。相應的，新建鐵路路基施工和運營期間產生的荷載可能會改變既有線路基的應力和變形分布，造成既有線路基沉降變形和軌道靜態幾何不平順，給既有線的運營品質帶來不利影響。

目前，國內諸多學者針對新建鐵路路基施工對既有線路基應力、變形影響問題進行了大量研究，通過解析法和數值模擬的方法對比分析了不同類型路基幫寬結構對鄰近既有鐵路路基的沉降影響，相應的通過現場工程實踐對新建鐵路施工和運營期間鄰近既有鐵路路基的沉降進行了監測，一定程度上對理論分析和數值模擬結果進行了驗證。

劉源浩等[2]通過構建既有線動靜荷載作用下路基幫寬施工模型，建立了5種不同工況條件下路基施工幫填方案，研究結果表明：路基幫寬施工時,其水平位移主要集中在新填路基坡腳處以及舊路基的路基面層，附加豎向位移主要集中在新舊路基結合的底部，且舊路基的豎向位移較小。張紅等[3]通過建立路基三維數值模型研究了新建線不同路基填料對既有路基的附加沉降影響，結果表明采用輕質混凝土進行填筑相較于采用A，B組填料，附加沉降可減少60%～70%。梁偉[4]利用ABAQUS有限元軟件對既有線地基沉降變形機理進行了研究，認為采用兩線間設置隔離樁方案可以減小既有線沉降的1/3左右，但是隨著兩線坡腳的靠近，其對既有線沉降控制能力逐漸減弱。胡潤乾[5]運用有限元軟件Midas GTS-NX模擬路基填筑普通填料和輕質混凝土情況下旋噴樁、鋼管微型樁的加固效果。結合施工技術的合理性，最后確定該工程條件下“鋼管微型樁+輕質混凝土”更為合適。韓健[6]在軟土地區路基幫寬地段采用了樁基+托梁+U形結構加固措施，實踐表明，可以有效控制路基工后沉降，減小施工及運營期間對既有線的影響。

本文以某新建高速鐵路引入既有高鐵車站為工程實例，采用沉降影響解析法和數值模擬軟件Midas GTS研究了樁基L型墻對鄰近既有高鐵車站路基沉降的影響。

2 工程概況

2.1 設計概況

新建高速鐵路接軌既有高鐵站原設計為2臺4線規模，Ⅰ，Ⅱ，3，4股道均為無砟軌道路基，新建鐵路引入既有高鐵站5/6道，5，6股道均為有砟軌道路基。其中6股道已在前期同步實施完成線下工程(部分路基寬度不足處進行幫寬)，本次新建工程主要為5股道線下及5/6股道線上鋪軌工程。

場址區為黃河沖積平原深厚第四系中等偏低壓縮性土地基，既有路基填高約6 m～8 m。根據新建路基與既有路基的相對位置關系、路基填高、地基加固及地層情況，選取了代表性最不利斷面K444+305進行幫寬路基沉降影響研究。

既有高鐵站路基填高約6.6 m，邊坡坡率1∶1.5。正線基床表層填料采用厚0.4 m級配碎石填筑，基床底層采用A,B組填料厚2.3 m，路堤本體為改良土。地基加固采用預應力管樁樁網結構加固，樁徑0.4 m，正方形布置，樁長28 m，樁間距2.2 m，并采用堆載預壓處理。右側6股道坡腳基底采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，樁長為24.5 m，樁間距1.9 m，正三角形布置。

路基左側為新建高鐵引入既有高鐵站到發線5股道路基接長(范圍K444+277～K444+342，段落長度65 m)。基床表層填料采用0.6 m厚礫石類、碎石類中A組填料(砂類土除外)，基床底層采用1.9 m厚礫石類、碎石類中A,B組填料。臨既有線一側采用L型扶壁墻收坡，L型扶壁墻采用C40鋼筋混凝土結構，墻厚1 m，底板厚1 m；基底采用鉆孔樁加固，樁徑1 m，樁長35 m，樁間距4 m，正方形布置。新建路基左外側坡腳采用3排旋噴樁加強穩定性。

2.2 工程地質概況

表1 路堤填料及地層土工參數表

3 解析法計算原理及結果

3.1 計算原理

針對上述斷面，新建鐵路樁基L型擋墻收坡后對既有鐵路路基本體應力分布無影響，因而僅考慮附加荷載對地基變形的影響。根據TB 10106—2010鐵路工程地基處理技術規程及經典沉降計算解析理論，剛性樁樁網、樁板結構等地基可采用L/3法驗算地基總沉降。地基應力采用Boussinesq法，地基沉降采用分層總和法。

3.2 計算結果

根據TB 10035—2018鐵路特殊路基設計規范3.2.6節規定，軟土、松軟土地基壓縮層計算深度應按附加應力等于0.1倍自重應力確定，沉降計算深度為48 m。

填筑完成及列車運營工況條件下新建路基對既有車站路基的沉降影響見表2。

表2 斷面沉降影響計算值

4 數值模擬計算模型及結果

4.1 計算模型

由于解析法沉降影響計算無法考慮地基不同加固區的樁型和樁長差異性，計算存在一定的誤差。本文采用Midas GTS軟件建立新建樁基L型墻路基與臨近既有路基的三維數值模型，采用數值仿真方法，進一步模擬新建路基對既有路基的影響。

地層、路基采用摩爾-庫侖本構模型，地基處理樁采用梁單元進行模擬，取線彈性模型。施加荷載為列車靜荷載，新建鐵路荷載分布寬度為3.4 m，荷載強度為67.81 kPa；預壓荷載同樣換算為荷載土柱進行施加，根據不同預壓高度得到對應的荷載強度。綜合考慮到數值模擬的尺寸效應，有限元模型長為131 m，高45 m，最下層為硬塑粉質黏土層。新建高速鐵路L型墻路基高度約為6.6 m。模型網格主要采用四邊形和少量三角形剖分。共剖分單元11 126個，節點10 201個。

4.2 計算工況

數值模擬嚴格按照施工的先后順序，采用分步計算的方式：1)初始地應力計算：激活各原始地層的信息，加入邊界條件和重力，計算結束后位移清零。2)既有高鐵站路基填筑：激活既有高鐵站路基單元，并將位移清零。3)旋噴樁、鉆孔樁地基加固：在地層中加入樁單元。4)新建L型墻及上部路基填筑：激活L型墻及上部路基單元。5)列車運營荷載：激活新建高速鐵路列車運營荷載。

4.3 計算結果

經數值模擬計算，得到斷面K444+305新建高鐵L型墻路基填筑工況、列車運營工況下既有高鐵車站路基表面的沉降值，如表3所示。

表3 各股道有限元計算沉降影響值

斷面K444+305 L型墻路基填筑工況下，既有無砟軌道Ⅰ，Ⅱ，3，4股道沉降變形分別為2.2 mm，1.5 mm，3.3 mm，0.7 mm；列車運營工況下，既有無砟軌道Ⅰ，Ⅱ，3，4股道沉降變形分別為2.3 mm，1.6 mm，3.5 mm，0.7 mm。可以看出，新建高速鐵路路基采用樁基L型墻的形式，對臨近既有鐵路路基的影響主要出現在L型墻路基填筑過程中，通車運營后對既有線路基的影響較小。同時，結合數值模擬結果中路基本體豎向位移云圖可以發現，L型墻路基對既有線路基沉降的影響范圍分布在既有線路基坡腳到Ⅱ，4股道之間的范圍，越靠近路基坡腳，產生的影響相對越大。

5 結果分析

針對解析法和數值模擬兩種不同的計算方法，將計算結果進行對比，代表性斷面在不同工況下，各股道的沉降影響統計結果見表4。對比同種工況下Midas/GTS計算結果和解析法計算結果可以看出，既有路基沉降規律是大體一致的，3股道→Ⅰ股道→Ⅱ股道→4股道豎向沉降值逐漸減小，沉降最大值均出現在3股道位置處。L型墻路基填筑工況下，Midas/GTS計算結果最大值為3.3 mm，解析法計算結果最大值為2.46 mm；運營工況下Midas/GTS計算結果最大值為3.5 mm，解析法計算結果最大值為2.75 mm。

表4 各股道的沉降影響統計結果

6 結語

本文以某新建高速鐵路引入既有高鐵車站為例，采用解析法和數值模擬方法研究了樁基L型墻對鄰近既有高鐵車站路基沉降的影響。對比分析了兩種不同計算方法下新建鐵路樁基L型墻路基在填筑階段和運營階段對臨近既有高鐵站路基沉降的影響和分布規律,得出如下主要結論：

1)兩種不同的計算方案得到路基沉降分布規律和最大影響位置是一致的，總體上兩種不同的計算方法都是合理可行的。2)采用數值分析方法和解析法得到的既有路基沉降趨勢均表現為：距離L擋墻路基越遠，受沉降影響越小；與Midas/GTS計算方法相比，解析法計算得到的既有路基沉降值較小，約為Midas/GTS計算結果的75%，但是其計算得到的沉降影響范圍要大于Midas/GTS計算結果。從工程角度考慮，采用Midas/GTS計算結果對運營安全管理更加有利。3)兩種不同的計算方案得到路基沉降均滿足《鐵路路基設計規范(極限狀態法)》的路基沉降容許偏差管理值要求，表明采用樁基L型墻路基方案在減小地基沉降和消除路基放坡對既有路基附加荷載影響等方面具有明顯的效果。