架空结构在新建高铁引入既有高铁车站的应用

唐广辉

(中国铁路总公司工程管理中心,北京 100844)

1 问题的提出

根据《中长期铁路网规划》[1]，我国高速铁路网将由现有的“四纵四横”向“八纵八横”跃进，很多既有高铁站需要接入新的线路，新线工程会给既有结构增加新的荷载，引起新的变形，而高速铁路铺设的无砟轨道本身就是毫米级的沉降控制，对变形的承受能力较差，新线施工过程中各种不利因素(开挖基坑、抽排地下水、大量堆载、桩基施工发生塌孔等)也可能对高铁的运营安全产生影响，因此合理选择引入方式和工程措施，避免由于新线工程引发既有高铁产生过量变形、确保运营安全是一个重大的课题。

2 常用工程措施

为了避免新线工程对既有工程的影响，可以采取加大线间距的方式，但这样会占用更多的土地，也会增大旅客换乘走行距离，所以目前的新线引入仍以近距离接入为主。由于地质条件、既有地基处理措施、轨道类型、车站引入方式的差异，各个工程采取的方法各异，已有的工程实践可归纳起来分为二大类。

一类是使用常规填料，通过工程措施阻断应力传递、吸收传递的应力，或者使应力向深部传递，减少应力沿横向传递至既有线，达到控制既有线变形的目的。地基处理方式主要以应力隔离法，应力释放法，应力向深部传递法为主[2-3]。应力隔离法是在新老线之间设置刚性隔离桩(如钻孔灌注桩，预应力管桩)，利用隔离桩“阻断”新线地基应力向既有线传递，适用于既有线曾有过较强地基加固措施的松软土地基。应力释放法是在既有线和新线之间设置1～2排应力释放孔，通过孔的变形“吸收”新线地基应力，减少对既有线的影响[4]，较多应用于既有线要求不高，地层为黄土等不易塌孔的地层。应力向深部传递法采用较强的刚性桩和桩顶结构，通过桩基把上部填土附加应力引入深部较好持力层，避免对侧向既有线产生影响，在深厚软土地段应用案例较多。

另一类是使用质量更小的轻质填料，常用的泡沫混凝土呈多孔结构，质量约为常规A、B组填料的1/3，大大减少了对地基的附加应力，进而减少对既有线的影响。

上述方法配合高精度的自动变形观测是目前引入高铁站的常用方法。但也存在一些问题，如填土数量大，环保要求高，桩基施工可能对既有线运营安全产生影响。为保证运营安全，大部分工程需要在天窗时间施工，管理流程长，作业时间短，施工效率低。是否还有新的结构或措施，既可以满足工程需要又可以安全快速的施工呢？本文结合郑州至济南铁路引入京广高铁新乡东站的实践，介绍一种新的结构形式——架空结构。

3 引入新乡东站工程概况

既有新乡东站为京广高铁中间站，2012年12月开通运营，车站规模为3台7线(含正线2条)，路基填土高度约7 m，站台上部设置了无柱雨棚，为单层框架结构。正线及与正线相邻的到发线均采用无砟轨道，其余到发线采用有砟轨道。

新乡东站地处黄河冲积平原，地层主要为粉土、粉细砂、粉质黏土。为了控制沉降变形，正线基底采用CFG桩处理，桩间距 1.5 m，正方形布置，站线及站台基底采用水泥砂浆桩处理，桩间距 1.5 m，正方形布置，CFG 桩及砂浆桩桩长均为 17 m，桩顶设置0.6 m厚碎石垫层及一层100 kN/m高强度土工格栅。

新建郑济铁路并行京广高铁从图1的左侧引入，新建车场为3台8线，路基面总宽度82 m，与既有站等高，填方高度约7 m，既有车站现状见图1，横断面见图2、图3。

图1 新乡东站现状(股道为7-5股道，拟建郑济场位于左侧)

图2 新乡东站并站地段横断面示意(右侧阴影部分为既有线)

图3 与既有线相接处横断面放大示意 (单位：m)

由图3可知，本次引入既有站工程的3个关键因素：一是7(5)道铺设有砟轨道 (宽轨枕)，属于站内到发线，距离新建线路最近，与新建8道线间距10.5 m；二是6(3)道铺设的无砟轨道，是最为敏感的结构物，距离新建8道26.0 m；三是无柱雨棚基础位于既有线路肩处，距离新建8道约6.0 m，对变形也比较敏感。

4 变形控制值的确定

对既有路基的变形控制，与新线路基自身沉降变形控制有较大的不同，主要体现在以下几个方面。

(1)新线路基控制工后沉降，而既有线变形控制总沉降：新线路基的总沉降分为施工期沉降和工后沉降两部分，工后沉降控制在较小范围是列车正常运营的保证[5]。而对于本工程来说，由于新线建设引起的所有沉降变形都会对既有线产生影响，因此需要考虑的是总沉降。

(2)控制沉降速率的阶段不同:新建线路控制工后沉降速率，对本工程而言，因既有线在运营，所以需要控制全过程的沉降速率。

(3)工后沉降控制标准不同:当既有线为新建路基时，按照对应的铁路等级确定工后沉降控制值，但本工程的既有路基，应为原工后沉降加上本次影响带来的附加沉降之和小于控制标准[6]。以无砟轨道为例，新线工后沉降控制值为15 mm[7]，如果既有线路基在其建设过程中已经发生沉降10 mm，则本次引起的附加沉降不能大于5 mm。

(4)施工过程中一些因素可能导致既有线发生较大变形：新线施工中的一些偶然因素，如开挖基坑、抽排地下水、路基填土、桩基塌孔等突发情况，都可能导致既有线发生超出许可范围的变形。

对运营线路来说，工务部门需要随时掌握线路几何尺寸状态，以便及时发现突发情况并做出预案。目前我国铁路工务部门对轨道静态几何尺寸实行“轨距、水平、三角坑、轨向、高低”共5项指标管理，对轨道动态局部不平顺检查项目为“轨距、水平、高低、轨向、三角坑、车体垂向振动加速度和横向振动加速度”共7项参数[8]。本工程既有车站的各种结构中，无砟轨道最为敏感，除了每个点的绝对沉降，工务部门特别关注相邻点沉降差对行车的影响。

结合石济客专引入京沪高铁德州枢纽的设计和施工经验，把6(3)道的无砟轨道变形作为主要监控对象，沿线路方向每20 m布设1处自动观测点，监测各点的竖向变形，并把相邻两个监测点的沉降差作为过程控制指标，按黄色、橙色、红色三级预警管理[9]；黄色预警值2 mm，橙色预警值3 mm，红色预警值4 mm，其他轨道控制指标以工务部门轨道监测数据为准。雨棚结构高低按照单层排架结构柱基沉降(中低压缩性土)120 mm，相邻柱沉降差1/200跨度控制[10]。

5 新乡东站并站路基方案研究

5.1 方案组成

A方案：架空结构，通过钢筋混凝土组成架空结构，内部中空，减少结构自重，从而减少对地基的附加应力和对既有线的影响。考虑到靠近既有路基部分的填土对既有轨道影响较大，因此将靠近既有线的9、10两个股道和两个站台采用架空结构，架空结构外侧倒三角形范围采用泡沫混凝土填筑，横断面设计如图4所示。

图4 架空结构横断面

架空结构设计主要内容如下。

5.1.1 股道下架空结构设计

9、10股道下架空结构分为直线和曲线两种，直线框架结构采用2-4.3 m框架，净高6 m，曲线框架结构横向采用2个单孔4.2 m×6 m(宽×高)独立框架，两单孔框架间距随线间距变化而变化，框架顶部设2%人字形排水坡，框架两侧设0.4 m×0.4 m排水沟，框架沿线路方向每15 m为一个节段，采用钢筋混凝土现浇施工，框架基底采用预应力管桩加固。

5.1.2 站台-雨棚架空结构设计

架空站台及雨棚总长450 m，宽度12 m，结构形式为双柱双挑，雨棚柱横向柱跨6.3 m，纵向柱跨为12 m，每侧挑出2.85 m；靠近填土侧柱跨间设置挡土墙。柱下地基采用桩基(钻孔灌注桩)独立承台+基础梁，挡土墙下采用承台梁。

5.1.3 泡沫混凝土填筑

A方案：架空结构两侧挡土墙外倒三角形区域填筑泡沫混凝土。该区域路基本体采用Ⅱ型泡沫混凝土填筑，容重5.8～6.3 kN/m3，强度大于1.2 MPa，基床底层采用Ⅰ型泡沫混凝土填筑，容重6.5～7 kN/m3，强度大于1.5 MPa。

B方案：常规的填土方案，按照规范，基床表层填筑0.7 m厚级配碎石，基床底层填筑2.3 m厚A、B组填料，基床以下和站台区域填筑A、B组及C组粗粒土，横断面见图5。

图5 常规填料填筑方案横断面

C方案：全部轻质填料方案，基床表层采用Ⅱ型泡沫混凝土填筑，容重5.8～6.3 kN/m3，强度大于1.2 MPa，基床底层采用I型泡沫混凝土填筑，容重6.5～7 kN/m3，强度大于1.5 MPa，横断面见图6。

5.2 各方案对既有线变形影响的数值分析

使用Plaxis AE 2D版有限元软件进行数值分析，采用二维有限元计算，土体采用摩尔-库伦应力应变准则，结构单元采用线弹性准则[11-12]，计算参数见表1。

图6 泡沫混凝土填筑方案横断面

名称状态天然容重/(kN·m-3)饱和容重/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)kxky泊松比模量/MPa模型路堤-19.8201830110.2548摩尔—库伦垫层-2020235110.290摩尔—库伦2-33粉黏土可塑19.119.629.718.61×10-41×10-40.34.61摩尔—库伦2-52粉砂稍密1920220110.310摩尔—库伦2-53粉砂中密1920220110.2820摩尔—库伦2-63细砂中密1920125330.2830摩尔—库伦2-64细砂密实1920130330.2560摩尔—库伦轻质混凝土本体-6-----0.2360线弹性模型轻质混凝土底层-7-----0.2400线弹性模型水泥砂浆桩-202030025--0.25350摩尔—库伦CFG桩-2424120045--0.1518000摩尔—库伦

其中A方案网格剖分及计算云图如图7所示，B、C方案为简单填土，云图略。

图7 A方案计算断面网格剖分及变形云图

计算结果见表2。

表2 不同方案既有铁路特征部位位移 mm

注：ux表示水平方向的变形，数值为正表示向左侧的位移，数值为负表示向右侧的位移；uy表示竖直方向的变形，数值为正表示隆起，数值为负表示下沉。

计算结果分析如下。

(1)表2的变形值是最终结果，若一次性发生如此大的变形，难以满足既有线运营要求，事实上变形是在施工过程中随着新线施工进展逐渐发生的，尤其在新线填土阶段发展最快，因此需要控制填土速率，以满足无砟轨道变形符合经常保养高低不大于4 mm的变形限值要求[13]。

(2)方案B引起无砟轨道最终变形最大(5.21 mm)，根据收集的既有线变形监测资料，本段既有线自身变形9.1 mm，合计14.31 mm，接近规范限值，由于有限元计算受制因素较多，只能大致模拟变形发展趋势，仍有一定误差，因此该方案风险较高。

(3)三框架架空方案对变形控制最好(0.29 mm)，整体优于C方案(2.34 mm)。

5.3 各方案经济估算

初步估算，三框架架空站台结构(即A方案)造价为16.9万元/m，全填A、B组填料(即B方案)造价约为13.3万元/m；全填轻质土(即C方案)造价约为17.4万元/m；初步确定架空方案为进一步深化研究的方案。

6 架空结构再优化

6.1 优化思路的提出

考虑A方案中的架空结构逐渐远离敏感的无砟轨道结构(A方案中9道距离无砟轨道41.6 m，10道距离无砟轨道47.6 m，左侧架空站台中心距离无砟轨道55.3 m)，架空结构在控制变形方面的优势不明显，因此提出逐步减少架空结构以节约投资的思路。

6.2 优化方案

A1方案：双框架架空结构，即取消左侧站台和雨棚架空结构。10道外侧填筑C组填料，与既有线边坡相交的倒三角形处填筑泡沫混凝土，横断面如图8所示。

A2方案：单框架架空方案，仅保留最靠近既有线的站台和雨棚架空结构，架空结构外侧倒三角范围采用泡沫混凝土填筑，其横断面设计如图9所示。

图8 双框架架空结构局部横断面

图9 单框架架空结构横断面

6.3 各方案比较结果(表3)

6.4 各方案经济估算

初步估算，三框架架空站台结构(即A方案)造价为16.9万元/m，两框架架空站台结构(即A1方案)造价约为15.6万元/m；单框架架空站台结构(即A2方案)造价约为14.4万元/m；可见减少远离敏感建筑的架空结构对沉降变形影响不大(由三框架变更为单框架，预测变形由0.29 mm变化为0.74 mm)，减少两个框架能够较好地控制工程投资。

表3 不同方案既有铁路特征部位位移值 mm

注：ux表示水平方向的变形，数值为正表示向左侧的位移，数值为负表示向右侧的位移；uy表示竖直方向的变形，数值为正表示隆起，数值为负表示下沉。

6.5 各方案优缺点分析和推荐方案

各方案优缺点比较分析见表4。

表4 各方案优缺点分析

推荐方案：鉴于架空方案具有结构简单，受力合理，施工便捷，对临近结构物不产生影响，下部空间有开发利用价值等特性，推荐采用架空方案。

7 结语

(1)目前高速铁路对A、B组填料品质要求比较高，绝大部分都是通过开山采石人工破碎获得的，填料制备、运输以及现场填筑过程中易污染环境，常常因大气治理而停工，采石场也常因环保原因关停，平原地区合格填料缺乏，运输距离较大，上述因素均导致填料的综合造价较高。较大的自重引起自身沉降较大，对临近结构物也有较大影响。架空方案提出了一种新的解决方案，材料供应稳定，对环境更加友好，自身沉降变形以及对周边结构物影响小，在填料缺乏地段具有明显的优势。

(2)架空结构为目前国内新建高铁引入既有高铁站并站路基结构设计首次采用，与填筑普通填料方案或轻质土方案比较，架空结构自重大幅减少，对既有高铁附加应力小，受力明确，施工简单，对既有线干扰较小，施工周期相对较短，在空间利用和减少既有线路基沉降变形方面具有显著的优势，值得推广应用。

(3)大型客站历来是繁华商业所在，土地资源稀缺，应结合商业开发优化架空结构柱网布置，促进下部空间综合开发利用。

(4)需进一步优化架空结构设计及施工工艺，严格控制帮填地段路基填筑速率及基坑降水，对既有高铁路基及无砟轨道应布设变形监测点，严密监测，防止变形超限威胁运营安全。