新建铁路路基下穿京沪高铁影响研究

谢 浩

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

1 引言

随着我国铁路建设的快速发展，铁路交通网络越来越密集，不同铁路线路间的交叉情况越来越多[1-4]。新建铁路下穿既有铁路工程需要在既有铁路正常运营的情况下，采取措施完成工程的建设。京沪高铁作为《中长期铁路网规划》中“八纵八横”高速铁路主通道之一[5]，其重要性不言而喻。新建铁路路基下穿京沪高铁可能对其正常运营产生一定影响，一方面，新建路基工程施工过程中会改变京沪铁路线路路基的应力和变形分布，影响既有线路的安全；另一方面，京沪铁路在新建路基施工的条件下正常营运，会导致工程施工难度加大，同时也会对新建路基的状态产生影响。

目前，国内外已积累了大量既有工程附近新建工程的研究成果。耿传飞[6]采用有限元法模拟钻孔施工引起周围土体应力变化，并根据土体应力沿深度变化规律，将整个钻孔过程分为三个特征阶段，探讨不同钻孔顺序下桥梁施工对既有桥的影响。李智彦[7]等采用三维数值模拟的方法，对钻孔灌注桩在各施工工序下周围土体的应力和变形进行研究，并对邻近桩基的应力及变形进行分析。结果表明，新建桥台施工对既有桥桩的变形和应力有一定影响。张立明[8]等针对邻近地铁线路的某大型深基坑工程进行研究，提出对面积和深度较大的基坑进行分期实施，可以有效控制邻近地铁结构的位移。张治国[9]等基于Winkler地基模型，将框架结构、条形基础、地基的共同作用简化成弹性地基上的剪弯梁模型，研究不同施工距离等因素下，基坑开挖对邻近建筑基础沉降变形和内力的影响。结果表明，随着距离增大，建筑基础梁的相对挠度形态发生截然不同的变化。刘旭菲[10]通过数值模拟方法研究了高速匝道桥梁施工对既有哈大客专桩基变位的影响，得出了新建桥梁施工过程中哈大客专桩基的变形规律。

本文以沪通铁路安亭下行疏解线下穿运营京沪高铁工程实例，采用ABAQUS软件进行三维有限元数值模拟，研究新建铁路路基不同加固方案对京沪高铁的影响。

2 工程概况

下穿地段运营京沪高铁采用设计时速350 km双线无砟轨道桥梁结构，新建沪通铁路安亭下行疏解线DK131+063.94～DK131+144.94采用设计时速200 km单线有砟轨道路基，自京沪高铁453#～454#桥墩下通过，交角约62°，与京沪高铁桥墩承台最小净距为2.2 m，如图1所示。453#和454#桥墩均采用10桩基础，桩径1 m，桩长55～57 m。

图1 沪通铁路安亭下行疏解线平面布置(单位：m)

为研究新建路基对京沪高铁桥梁的影响，本文针对四种不同的路基加固方案分别进行模拟计算。四种方案包括天然地基、浅层加固(换填2 m碎石垫层)、CFG桩加固(桩长25 m，桩径0.5 m)、钻孔桩+筏板加固(桩长40 m，桩径0.8 m，板厚0.8 m)。路堤填高取0.8 m，如图2所示。

图2 不同路基加固方案(单位：m)

3 计算模型构建与参数选择

(1)计算模型

ABAQUS软件具有强大的分析能力，特别是能够模拟高度非线性问题和处理非常庞大复杂的问题。因此，本文采用ABAUQS软件建立下穿地段的三维数值模型。合理的计算模型不但要尽可能模拟实际工况，还需考虑单元的创建质量对模型进行适当简化。沪通铁路安亭下行疏解线与既有京沪高铁斜交，考虑最危险状态和建模方便，计算模型以最近的距离(2.2 m)与既有京沪高铁路线垂直下穿(见图3)，钻孔桩+筏板加固方案模型见图4。

图3 安亭下行疏解线三维数值模拟模型

图4 钻孔桩+筏板加固方案三维数值模型

(2)计算参数

土体的应力应变通常具有非线性、弹塑性、剪胀性和各向异性等特性。其本构关系是有限元分析的核心，ABAUQS中提供了一系列岩土工程分析时常用土的模型。为使模拟计算更精确的同时减小计算量，本文选用HS硬化模型(Hardening Soil Model)模拟开挖影响较大的浅层土体，开挖影响较小的深层土体采用摩尔-库伦模型模拟，计算参数见表1～表2。

表1 浅层土体HS模型参数

表2 深层土体摩尔-库伦模型参数

4 计算结果分析

针对四种不同的路基加固方案，分别模拟列车荷载作用下地基与京沪高铁桥梁变形情况。

4.1 地基沉降变形结果分析

列车荷载作用下两墩中心连线的竖向位移分布如图5所示。由图5可知，沉降变形最大值位于新建路基中心线附近，与中心线距离越大，沉降变形越小。天然地基方案和浅层加固方案在列车荷载作用下地基均发生较大变形，而CFG桩加固方案和钻孔桩+筏板加固方案路基变形相对较小，且钻孔桩+筏板加固方案更优。

图5 不同路基加固方案地基竖向位移

4.2 京沪高铁桥梁变形分析

主要从京沪高铁桥墩、桥面板和桩基础变形三个方面分析新建路基对京沪高铁的影响。

(1)桥墩变形影响分析

表3为不同路基加固方案情况下京沪高铁453#和454#墩最大水平变形和竖向变形。分析表中数据可知，无论是水平变形还是竖向变形，453#墩都明显大于454#墩，表明距离新建路基越近的桥墩，受影响程度越大。天然地基情况下，桥墩水平变形大于竖向变形，而CFG桩、钻孔桩+筏板加固条件下，桥墩水平变形小于竖向变形，这是由于随地基加固深度和刚度的增加，侧向变形系数越来越小，列车荷载和路基自重荷载对土体水平向的作用逐渐减弱，水平变形随之减小。从整体规律上看，四种加固方案对京沪高铁桥墩变形的影响程度依次为天然地基＞浅层加固＞CFG桩加固＞钻孔桩+筏板加固。

表3 不同路基加固方案情况下京沪高铁桥墩最大变形

依据《铁路桥涵设计规范》，无砟轨道相邻桥墩沉降差不应大于5 mm，而四种加固方案最大差异沉降为浅层加固方案的3.733 mm，均满足沉降控制要求。但根据《高速铁路无砟轨道线路维修规则》规定，250 km/h(不含)～350 km/h线路轨道静态几何尺寸容许偏差经常保养值不应超过4 mm，即新建路基施工造成既有京沪高铁桥墩水平和竖向变形不应超过4 mm。由此可见，仅钻孔桩+筏板加固方案可满足要求。

(2)桥面板变形影响分析

图6a为不同路基加固方案情况下京沪高铁桥面板变形沿桥面中心线的分布情况。图中距离为0处为京沪高铁桥面板在既有453#桥墩中心对应的位置。不同加固方案下既有高铁桥面板上的竖向位移分布规律基本相同，均为与既有高铁453#桥墩连接端桥面板竖向位移大于454#桥墩。从整体规律上看，四种加固方案对京沪高铁桥面板变形的影响程度依次为天然地基＞浅层加固＞CFG桩加固＞钻孔桩+筏板加固。图6b为不同路基加固方案情况下京沪高铁桥面板顺桥向坡率对比情况。根据《铁路桥涵设计规范》，无砟轨道桥梁相邻墩台梁端水平折角不应大于1‰rad。由此可见，各加固方案均满足要求。

图6 不同路基加固方案情况下京沪高铁桥面板变形

(3)桩基础位移影响分析

为研究不同路基加固方案对京沪高铁桩基础位移影响，本文选取京沪高铁453#桥墩下靠近沪通铁路新建路基一侧的一根桩进行分析，所选分析桩位置如图7所示。不同路基加固方案引起的京沪高铁桥墩桩基础水平位移见图8。分析可知，天然地基方案与浅层加固方案下京沪高铁桩基础水平位移分布规律基本一致，沿桩顶向桩底均呈先增大后减小的规律，且浅层处理方案对高铁桩基础的影响稍大。CFG桩加固方案与钻孔桩+筏板加固方案在处理深度范围内对京沪高铁桥墩桩基础的水平变形影响相对于天然地基显著降低，而在范围外对京沪高铁桩基础影响稍大于天然地基。这表明，CFG桩加固与钻孔桩+筏板加固方案可以有效将列车荷载与路基自重产生的荷载效应传递至处理深度以下，避免京沪高铁桩顶发生较大位移引起桩基倾斜。

图7 分析桩位平面

图8 京沪高铁桥墩桩基础水平位移

5 结束语

本文以沪通铁路安亭下行疏解线新建路基下穿运营京沪高铁为工程实例，采用ABAQUS软件建立了下穿地段三维有限元数值模型，合理选取计算参数，分析研究了天然地基、浅层加固、CFG桩加固、钻孔桩+筏板加固四种方案情况下的地基沉降和对京沪高铁桥墩、桥面板和桩基础的影响。得出如下主要结论:

(1)天然地基方案和浅层加固方案在列车荷载作用下地基均发生较大变形，而CFG桩加固方案和钻孔桩+筏板加固方案路基变形相对较小，且钻孔桩+筏板加固方案更优。

(2)四种加固方案对京沪高铁桥墩和桥面板变形的影响程度依次为天然地基＞浅层加固＞CFG桩加固＞钻孔桩+筏板加固。

(3)四种加固方案下京沪高铁桥墩差异沉降和桥面板顺桥向坡率均满足《铁路桥涵设计规范》的要求，但仅钻孔桩+筏板加固方案满足《高速铁路无砟轨道线路维修规则》线路轨道静态几何尺寸容许偏差经常保养值的要求，从工程角度考虑，钻孔桩+筏板加固方案更偏于安全。

(4)CFG桩加固方案与钻孔桩+筏板加固方案在处理深度范围内对京沪高铁桥墩桩基础的水平变形影响显著低于天然地基和浅层加固方案，表明CFG桩与钻孔桩+筏板加固方案可以有效将列车荷载与路基自重产生的荷载效应传递至处理深度以下，避免京沪高铁桩顶发生较大位移而引起桩基倾斜。