既有鐵路頂進橋涵過渡段回填處理及數(shù)值分析

文／譚生永、劉一帆 中國鐵路濟南局集團有限公司 山東濟南 250001

引言：

對于鐵路運輸而言，保障旅客乘坐列車的安全性、舒適性的重要因素之一就是鐵路線路的平順性。路橋過渡段受到鐵路運行車輛動荷載的作用時，在橋頭處往往會出現(xiàn)振動較大的“跳車”現(xiàn)象。產生這種現(xiàn)象的主要原因如下[1-5]：

（1）路基與橋梁（臺）本構差異，決定了他們的豎向位移、豎向變形以及對外部環(huán)境改變的相應差異。

（2）地基條件的差異。路橋過渡段由于結構的原因，橋頭路基的填筑高度較大，產生的基礎應力也較高，因此，地基在路橋過渡段產生的沉降較其他路段要大一些。

（3）橋臺后路堤填料性質及施工影響，導致路橋過渡段在運營過程中出現(xiàn)了沉降病害現(xiàn)象。當路橋過渡段沉降差發(fā)展到一定程度時，線路平順性急劇下降，不僅降低旅客乘坐舒適性，甚至會影響列車行車安全。

《鐵路路基設計規(guī)范》（TB10001-2016）中對新建鐵路的橋后過渡段有了詳細規(guī)定，對于既有線頂進施工橋涵過渡段無明確相關要求。本文以既有線頂進施工橋涵路橋過渡段回填處理實際工程為分析背景，通過建立其精細的MIDAS GTS 有限元分析模型，對其關鍵回填處理措施進行了分析，驗證此類回填處理方式在設計和施工上的可行性，為相似路橋過渡段回填處理設計及施工提供理論依據(jù)。

1、工程概況

濟南市某市政道路下穿京滬鐵路、水白鐵路共四股道，既有鐵路為電氣化鐵路，路基高度約3m，道路與鐵路夾角為90°；道路等級為城市主干道，設計車速為60km/h。道路邊孔框架橋為1-12.0m鋼筋混凝土框架橋，采用頂進施工，出入口擋墻采用U 型槽。

1.1 橋后過渡段路基開挖邊坡處理

1.2 路橋過渡段回填措施

由于施工原因，作業(yè)面（尤其是橋梁開挖基坑的底面）相對狹小，過渡段回填材料碾壓質量難以控制，實際壓實度達不到設計要求。即使施工時壓實度全部達到設計要求，但因鐵路運營時路堤填土本身自重和動荷載作用，路基土進一步壓縮變形，使得橋后過渡段產生沉降差。

本工程為框架橋頂進就位后在D 型便梁防護下施工路橋過渡段，對頂進路基開挖面底層回填C25 混凝土（且滿足底層回填混凝土寬度D 大于2m），實際開挖面開挖臺階處理，其上回填級配碎石摻水泥后注漿加固，至路基表層回填1.5m 厚C25 混凝土保證與路肩同寬，級配碎石回填過程中注意預埋注漿管；過渡段每壓實層均應形成路拱，路拱橫向排水坡宜2%～4%，表面無積水。橋后過渡段常產生細小伸縮縫，經過地表水或雨水的滲透后，水的滲透流動帶走填料中的細顆粒土，會使路堤填土強度降低，產生沉降變形。因此有效的路基排水設計并避免雨季施工，能減小橋后過渡段的病害[6]。

路基基床表層以下過渡段回填級配碎石，其級配范圍應符合規(guī)范要求；同時，顆粒中針狀、片狀碎石含量不應超過20%，質軟、易破碎的碎石含量不應超過10%，黏土團及有機物含量不應超過2%。根據(jù)《鐵路路基設計規(guī)范》（TB10001-2016）中規(guī)定設計時速160km/h 客貨共線鐵路基床表層若采用級配碎石填料壓實標準，壓實系數(shù)K ≥0.95，地基系數(shù)K30 ≥150MPa/m。摻水泥級配碎石應在填筑壓實工藝性試驗要求的時間內壓實完畢，且應內在密實、板結良好?；脖韺右韵逻^渡段填層壓實質量標準要符合規(guī)范的相關規(guī)定，過渡地段路基重壓時，應該與相鄰的結構物同時施工，并且保證相同的水平分層高度同步填充建筑，而且均勻壓實[7-8]。

1.3 擾動面路基土體小導管注漿處理

（1）注漿過程應遵循探灌結合的原則，根據(jù)地質鉆孔結合施工現(xiàn)場勘探成果，確定注漿鉆孔深度及注漿量。

（2）鋼管可采用外徑42mm，厚3.5mm 的熱軋無縫鋼管，鋼管長度為5.0 ～10m（可根據(jù)實際開挖邊坡坡度調整）。為便于超前小導管插入路基內，鋼管前端做錐狀，尾部焊上鋼筋，搭接長度≮30cm。

（3）根據(jù)場地條件，注漿孔可選擇垂直、水平及斜向成孔。

5)為了準確判斷溫度和風速對辣椒干燥速率的影響程度，并得出最優(yōu)的辣椒干燥工藝，對表3進行方差分析和極差分析，如表4和表5所示。

（4）配合比依據(jù)現(xiàn)場試驗確定；注漿水泥采用Po42.5 快硬水泥，摻入水玻璃（水泥與水玻璃的重量比為1:0.2 ～1:0.1，體積比為1:0.1 ～1:0.05），水泥漿液水灰比為0.8:1 ～1:1。

（5）注漿壓力：由于單位注漿量與注漿孔距、注漿壓力、漿液濃度密切相關，注漿施工前應進行現(xiàn)場注漿試驗，合理選擇注漿工藝，合理確定注漿壓力、漿液配比、單位注漿量等相關參數(shù)，確定停止注漿條件等。嚴格控制注漿壓力，以防止既有路基及鐵路設備的隆起。

注漿施工前應詳細查明各類管線、電力、通訊線纜及架空線路的位置，并作妥善保護，對埋地線纜，可采用槽鋼對扣的保護措施，對架空線路，應預留足夠的安全距離，確保安全。施工時注意接觸網(wǎng)立柱基礎周圍2m 范圍內禁止施鉆和注漿作業(yè)。

2、有限元建模

采用Midas GTS NX 建立三維模型，為便于描述，首先給出計算模型中擬采用的坐標系：順既有鐵路路基方向為Y軸；垂直鐵路路基方向為X 軸；豎直方向為Z 軸。計算模型取其有效影響范圍，即模型沿X 方向取80m，沿Y 方向取90m，土層總深度24m。

2.1 邊界條件

土體模型邊界選用地面支承邊界，即在左右邊界約束x方向的自由度，在前后邊界約束y 方向的自由度，在底面邊界約束z 方向的自由度，地面不約束自由度。

另一種邊界條件采用的修改材料屬性邊界條件，即模擬施工階段時結構物由一種屬性變成另外屬性。

2.2 荷載形式

自重：程序根據(jù)建立的單元材料容重；

鐵路荷載：按原鐵路路基設計荷載查取，并換算為等效均布荷載施加在鋼軌上。

土體采用摩爾- 庫侖模型來模擬土的本構關系，土體左右邊界采用水平約束，不發(fā)生滲流；底邊界采用固定約束，允許發(fā)生滲流。對于鐵路鋼軌，考慮平面應變中對軌枕和鐵路路基道碴效應進行等效處理，考慮剛度換算，用1D 梁單元模擬[9-11],同理，框架與出入口U 型槽、路橋過渡段、鐵路路基采用3D 單元模擬并賦予其實際結構的剛度[12-13]。

2.3 參數(shù)選擇

根據(jù)地質資料，將地面以下劃分為7 個土層，鐵路路基以及路橋相關結構物視為彈性材料。

3、橋后過渡段回填對既有鐵路路基變形影響模擬分析

本階段鐵路路基施工已完成的基礎上激活和鈍化路橋過渡段相關結構物，并清空鐵路路基施工產生的位移。

豎向變形結果負值表示沉降，正值表示隆起。

縱向水平變形結果正值表示指向鐵路大里程，負值表示指向鐵路小里程。

橫向水平變形結果正值表示指向鐵路左側（面向大里程），負值表示指向鐵路右側。

豎向變形：

橋后過渡段回填處理施工對既有鐵路的沉降變形；

可以看出，路基工后沉降最大值為4.647mm，遠小于《鐵路路基設計規(guī)范》中新建鐵路過渡段路基工后沉降不大于100mm 要求；鋼軌豎向位移最大值為4.33749mm。

4、軌道平順性匯總分析

4.1 橫向水平變形

提取鋼軌在鐵路路基及橋后過渡段回填施工橫向水平位移結果匯總。

根據(jù)上述圖表可知，路橋過渡段回填處理施工時，鋼軌橫向位移最大值為0.791mm，滿足《普通鐵路線路修理規(guī)則》（TG/GW102-2019）中規(guī)定的線路軌道靜態(tài)水平容許偏差管理值≤5mm，線路軌道動態(tài)水平容許偏差管理值≤5mm的要求。

4.2 軌向水平變形

提取鋼軌在鐵路路基及路橋過渡段回填施工縱向水平位移結果匯總，形成曲線見圖2。

圖2 鋼軌縱向水平變形曲線圖

路橋過渡段回填處理施工時，鋼軌縱向位移最大值為0.537mm，滿足《普通鐵路線路修理規(guī)則》線路軌道靜態(tài)軌向容許偏差管理值采≤4mm；線路軌道動態(tài)軌向容許偏差管理值≤6mm 的要求。

圖1 鋼軌橫向水平變形曲線圖

4.3 豎向變形

提取鋼軌在鐵路路基及路橋過渡段回填施工豎向位移結果匯總，形成曲線見圖3。

圖3 鋼軌豎向變形曲線圖

路橋過渡段回填處理施工時，鋼軌豎向位移值為4.3375mm，滿足《普通鐵路線路修理規(guī)則》線路軌道靜態(tài)高低容許偏差管理值采≤5mm；線路軌道動態(tài)高低容許偏差管理值≤6mm 的要求。

綜上所述，路橋過渡段回填處理方式滿足規(guī)范沉降以及平順性要求，能夠保證既有鐵路的運營方式。

結語：

本文以實際項目為研究背景，通過對橋后過渡段回填處理方式進行數(shù)值模擬分析，得到以下結論：

（1）路橋過渡段回填措施：過渡段基坑底至自然地面線范圍內（基坑深≥2m），回填C25 混凝土，框架頂以下1.5m范圍內的路橋過渡段采用回填C25 混凝土，中間部分采用級配碎石摻水泥并滿足規(guī)范要求壓實度并滿足規(guī)范要求壓實度，來減小基礎設施結構物之間沉降差，保證鐵路的運營的安全。

（2）橋后過渡段回填對既有鐵路路基變形影響模擬分析結果中，路基工后沉降最大值為4.647mm，遠小于《鐵路路基設計規(guī)范》中新建鐵路過渡段路基工后沉降不大于100mm 要求。

（3）根據(jù)上述圖表可知，路橋過渡段回填處理施工時，鋼軌橫向最大水平位移值為0.791mm，縱向最大位移值為0.537mm，豎向位移最大值為4.3375mm，均滿足《普通鐵路線路修理規(guī)則》要求，路橋過渡段回填處理方式滿足規(guī)范沉降以及平順性要求，能夠保證既有鐵路的運營方式。