鐵路營業線頂進框架橋兩側過渡段回填筑料的選取*

周國鋒 譚生永

(中國鐵路濟南局集團有限公司 濟南 250001)

隨著互聯互通需求的急劇增加，道路交通建設突飛猛進，公路、城市道路與鐵路交叉越來越頻繁。在條件允許的情況下，采用道路下穿鐵路的立交方式是解決道路與鐵路交叉問題的首選。由于下穿鐵路立交橋具有與既有道路順接方便、滿足規劃要求、后期運營對鐵路運輸安全影響小等優勢，因此在既有鐵路線下方頂進框架立交橋施工的形式越來越普遍。然而，由于設計、施工對頂進框架橋兩側路基過渡段重視程度不足，再加上運營過程中對該處過渡段的養護工作暫無具體要求，導致過渡段在運營期間病害較多。特別是進入汛期，經常發生頂進框架橋兩側路基過渡段下沉，影響行車，嚴重的甚至發生列車脫軌，造成車毀人亡的重大安全事故。而且，路基與框架橋相比，二者剛性差別較大，組成材料的性能、受力結構等方面均不相同，所以很容易會造成路基和橋臺連接處的不均勻沉降，產生較大的位移差，形成臺階，發生“橋頭跳車”，從而威脅鐵路列車的安全行駛。

梁江澤[1]分析了朔黃鐵路路橋過渡段的病害原因，其病害形成原因主要是因為在填筑施工過程中，由于壓實工藝不完善造成過渡段回填筑料壓實強度不均勻，未能達到規范的壓實標準。并提出了道床清篩施工、旋噴樁施工、橋梁錐體整修施工等病害整治方法。當路橋過渡段回填筑料采用級配碎石時，付德利[2]通過過渡段路基填筑試驗確定了路基過渡段填筑材料虛鋪厚度、碾壓遍數、碾壓速度等各項施工參數。萬迪偉[3]通過采用提升路基段剛度的方法、即使用粗顆粒材料填筑過渡段。海濤[4]根據酒泉電廠鐵路專用線下穿鐵路蘭新線鐵路立交工程提出分層回填并分層壓實及過渡段區域進行注漿來提高路基的承載力及穩定性。代微微[5]梳理了路橋過渡段病害形成機理及技術處理，其中對路橋過渡段結構設計和邊坡處理提出想法。劉滿林等[6]采用傾斜樁和水平樁的加固處理方式來解決過渡段因為路基填料選用要求低、壓實標準低、檢測頻率小造成的病害問題。然而，大部分解決過渡段差異沉降的方式方法都是從施工工藝、加固方式的角度上研究和處理。故對于不同過渡段的回填筑料對過渡段差異沉降的影響分析是極為必要的。

徐榮娟[7]提到使用EPS、氣泡混合混凝土等輕型材料填筑可以減少填料對地基變形的影響。胡汶晗[8]研究了密度大于700 kg/m3的加筋泡沫輕質混凝土作為過渡段的回填筑料能有效減少結構的震動，并且隨著加筋泡沫混凝土填料密度的提高，過渡段震動響應逐漸減小。王于等[9-10]依據翟婉明的“車輛-軌道耦合動力學”理論確定了過渡段的長度主要是受列車運行速度的控制，速度越快，過渡段長度應越長。羅強等[11]以車輛與線路的相互作用的動力學關系為基礎提出了過渡段的填料及壓實標準，其中就包括選取素混凝土、級配碎石及路基土分別作為過渡段回填筑料的情況。但仍未分析由于過渡段回填筑料的不同，而產生的相應靜力學作用，尤其是鐵路營業線頂進框架橋的情況。

綜上所述，回填筑料引起過渡段差異沉降的因素為回填材料的重度、剛度及施工過程中壓實程度等。本文利用有限元分析軟件midas GTS NX，建立了包含鐵路路基、鋼軌、枕木等結構構件的鐵路營業線頂進框架橋三維有限元模型，在假設施工過程中壓實程度良好的情況下研究素混凝土、級配碎石、泡沫輕質混凝土3種不同的材料作為過渡段回填筑料產生的靜力學作用，并分析3種不同回填筑料造成的過渡段差異沉降。

1 有限元模型及參數

1.1 定義模型

采用midas GTS NX有限元分析軟件建立鐵路營業線頂進框架橋三維模型，首先定義模型的方向和分析范圍。

模型中X軸為順既有鐵路方向，Y軸為頂進框架橋方向即垂直既有鐵路方向，Z軸為重力方向。模型分析范圍參考城市軌道交通工程監測技術規范中的可能影響范圍，即2～3倍的開挖深度[12-13]。為了涵蓋可能影響的范圍，模型尺寸設計為X軸方向取70 m，Y軸方向取70 m，Z軸方向取25 m。鐵路營業線頂進框架橋的模型見圖1。

圖1 鐵路營業線頂進框架橋計算模型分析范圍

1.2 模型條件假定

本文利用有限元軟件midas GTS NX進行模擬，在計算模型中假定如下。

1) 計算模型中的土體為連續均質、各向同性。

2) 鋼軌、枕木、頂進框架橋、過渡段回填筑料等選用基于胡克定律的彈性本構，土體選用修正摩爾-庫侖本構關系。

3) 鋼軌、枕木與道砟之間設置界面單元分析。

4) 模型計算過程中不考慮地下水影響。

5) 模型計算過程中不考慮抗震作用影響。

1.3 計算模型

圖2為本項目的三維計算模型，根據相關巖土資料確定土層參數見表1，鋼軌、枕木、框架橋、過渡段回填筑料等參數見表2。

圖2 鐵路營業線頂進框架橋計算模型

表1 土層參數(修正摩爾-庫侖本構)

表2 結構構件參數(彈性本構)

模型建模順序：首先建立既有鐵路線軌道及枕木等一維單元構件，然后按構件從小到大的順序建立三維實體單元，接著設置模型邊界條件并添加荷載，最后通過施工工況對模型進行模擬計算，比較分析數據結果。模型組成部分如下。

1) 一維梁單元。鋼軌和枕木選用軟件中的一維梁單元進行模擬，需要注意的是在建模過程中一維梁單元與三維實體單元的耦合問題，兩者之間必須建立接觸關系。

2) 三維實體單元。除鋼軌與枕木之外的結構構件選用三維實體單元進行模擬，例如，土體、道砟、路基、框架橋及過渡段等。本模型選用六節點構成的四面體單元，此建模方法產生的位移和應力結果與實際情況較為接近。結構構件模型見圖3。

圖3 結構構件模型

3) 靜力邊界條件。靜力邊界條件又稱為應力分析邊界，通常為靜力分析時所使用的人工邊界條件，用于模擬周圍地層對模型選取的分析區域的各個方向的約束作用。

4) 添加荷載。對整個模型設置重力荷載，在鋼軌上設置鐵路列車荷載、在框架橋底板上添加公路汽車荷載，其中鐵軌上動載沖擊憑借軟件自帶的計算模塊，通過定義火車的速度、車廂數量、車輪距離等系數進行計算。

5) 設置施工工況。由于本模型重點分析鐵路營業線頂進框架橋過渡段受不同過渡段回填筑料的靜力作用影響，所以并不對整個頂進框架橋的過程進行工況分析，只對原既有狀態與頂進框架后的狀態進行比對。

2 工況設定

由于本項目是在既有鐵路營業線下頂進框架橋，所以主要考慮頂進框架橋對既有鐵路營業線造成的附加沉降的分析。并且考慮模型中土的固結的性質，故將分析工況分為土層初始應力狀態、既有鐵路現狀、位移清零及頂進框架橋4個階段。其中，土層初始應力狀態表示土層上原始的狀態即沒有任何工程的階段；既有鐵路線現狀階段表示當鐵路線施工完成時產生的工后沉降；位移清零是將之前工程造成的影響清零，有助于得到后續工程造成的附加影響；頂進框架橋階段就是新建道路對既有鐵路營業線造成的附加沉降，具體分析工況劃分情況見表3。

表3 有限元分析工況

3 計算結果分析

3.1 不同過渡段回填筑料造成的附加沉降分析

圖4為頂進框架橋時依次選用級配碎石、C25素混凝土、泡沫輕質混凝土作為過渡段回填筑料產生的過渡段區域附加沉降。

圖4 不同回填筑料下過渡段附加沉降云圖(單位：mm)

由圖4可見，過渡段回填筑料采用泡沫混凝土時造成的過渡段區域附加沉降最小，在靠近頂進框架橋一側的過渡段附加沉降分別為-1.504 1 mm和-1.485 3 mm，在靠近既有路基一側的過渡段附加沉降分別為-0.523 7 mm和-0.524 6 mm。

當回填筑料采用C25混凝土和級配碎石時，靠近頂進框架橋一側過渡段產生的附加沉降基本一致，回填筑料為C25混凝土過渡段產生的附加沉降分別為-3.055 4 mm和-3.062 1 mm，回填筑料為級配碎石過渡段產生的附加沉降分別為-3.032 9 mm和-3.041 0 mm。然而，這2種回填筑料在靠近既有路基一側的過渡段造成的附加沉降有明顯差別，采用C25混凝土比選用級配碎石在靠近既有路基側產生的附加沉降小約64%。其中，回填筑料為C25混凝土過渡段產生的附加沉降分別為-1.242 3 mm和-1.244 3 mm，回填筑料為級配碎石過渡段產生的附加沉降分別為-1.947 2 mm和-1.942 0 mm。

通過對上述附加沉降的對比分析，可以看出不只是過渡段回填筑料的重度影響附加沉降的大小，回填筑料的彈性模量也是影響過渡段附加沉降值的重要因素。所以重度較輕且彈性模量較高的泡沫輕質混凝土就成為了過渡段回填筑料的最佳選擇。

3.2 數值分析結果與現場監測結果比對

為了驗證數值分析結果的有效參考性，將數值分析結果與山東某地的頂進框架橋下穿既有鐵路路基的現場監測豎向變形結果進行比對。現場項目的過渡段回填材料為C25混凝土，所以本文只對鐵路營業線頂進框架橋兩側過渡段回填筑料為混凝土的情況進行比對。圖5中只選取了4個節點進行對比，分別是兩側過渡段靠近框架橋的2個點及靠近既有路基的2個點。

圖5 數值分析附加沉降與現場監測附加沉降對比圖(單位：mm)

由圖5可見，在靠近既有路基的2個節點處附加沉降基本吻合。靠近既有路基的2個節點處數值分析的附加沉降為-1.242 3 mm和-1.244 3 mm，現場實際監測附加沉降結果為-1.18 mm和-1.31 mm。但是在過渡段靠近框架橋2個節點處數值模擬分析的結果與現場監測附加沉降結果存在約1倍的差距。靠近框架橋的2個節點處數值分析的附加沉降為-3.032 9 mm和-3.041 mm，現場實際監測附加沉降結果為-1.83 mm和-1.94 mm。

由圖5可知，盡管兩者從結果上看差距將近1倍，但不過是1.2 mm的差距。通常在實際施工過程中，施工單位會對頂進框架橋處進行地基處理及防護措施，從而造成現場監測結果小于數值分析結果。而且距離施工位置越遠實際影響越小，這體現在靠近既有路基的2個節點處附加沉降基本吻合，靠近框架橋的2個節點略有差距。監測結果與數值分析的計算結果的趨勢和范圍能較好吻合，驗證了本文數值計算模型的可靠性。基于數值解與真實解的準確性驗證，有理由認為，過度段回填筑料為級配碎石和泡沫輕質混凝土的模型計算結果同樣具有較好的可信度。

綜上所述，鐵路營業線頂進框架橋過程中，由于基坑開挖、土體卸荷、路橋結構剛度不同，會產生附加沉降。過渡段的設置降低了附加沉降的影響。

針對頂進框架橋施工提出以下建議：①頂進框架橋前應加強基坑防護并在開挖過程中對基坑及周圍土體位移實施嚴密監測，若有異常變形及時采取應對措施。②在頂進框架橋過程中做好架空、挖土、清底、測量、頂進、測量頂進、重復頂進施工的施工步驟。面對常見的頂進施工問題，例如：預定不動、后背破壞、頂進偏向或者低、抬頭的問題，根據產生的原因進行快速處理，避免更大的危險發生。

4 結語

基于有限元方法對某鐵路營業線頂進框架橋過渡段進行了三維數值計算，通過與現場監測結果的對比，驗證了模型的有效性，并得到了以下結論。

1) 重度較輕且彈性模量較高的泡沫輕質混凝土是過渡段回填筑料的最佳選擇。當選擇泡沫輕質混凝土為過渡段回填筑料時，產生的附加沉降明顯小于C25混凝土和級配碎石。其中，泡沫輕質混凝土為過渡段回填筑料時，在靠近框架橋處附加沉降比填料為C25混凝土和級配碎石的附加沉降分別減小51%和48.7%；泡沫輕質混凝土為過渡段回填筑料在靠近既有路基處附加沉降比填料為C25混凝土和級配碎石的附加沉降分別減小約57.8%和73%。從而證明材料重度與材料的彈性模量均為影響附加沉降的重要因素。

2) 通過數值模擬的結果與現場監測的結果過對比可知，靠近既有路基的2個節點處附加沉降基本吻合，而過渡段靠近框架橋2個節點處數值模擬分析的附加沉降與現場監測的附加沉降分別增加約68%和57%。原因是在實際施工過程中，施工單位對頂進框架橋處進行地基處理及相應防護措施，從而造成現場監測結果小于數值分析結果。因此有理由認為，過渡段回填筑料為級配碎石和泡沫輕質混凝土的模型計算結果同樣具有較好的可信度。不過仍需開展后續相關實際的工程進行比對分析，尤其是過渡段采用泡沫輕質混凝土土時產生的附加沉降的監測值。

3) 為了確保鐵路營業線頂進框架橋在實際施工過程中的安全實施，需嚴格遵守施工規范標準。避免由于施工水平及施工疏忽造成鐵路營業線頂進框架橋過渡段嚴重事故發生。