某高铁无砟轨道路基帮宽设计方案数值研究

梁 伟

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

随着我国高速铁路骨干网的基本形成和城市化进程的不断加快，高速铁路网和城际铁路网不断加密，各种城际铁路、轨道交通、高速铁路共用通道，形成了各种并行或者帮宽的路基。如何减小路基帮宽引起既有线的沉降变形，是一个重要的技术与学术难题[1，2]。

以往研究成果中，王兴荣建议既有线坡脚附近采用非排土桩施工，对既有地基产生的挤密作用不会产生路基附加沉降[3]。徐林荣和左珅针对新建高铁给既有路基造成的安全隐患，建议在紧邻区段采用振动挤土效应较小、施工机械更轻便的浆固碎石桩，以及静压预应力管桩施工技术[4]。杨泉等在京沪高铁曲阜东站接轨方案研究中综合对比了微型钢管桩加固、CFG桩加固、高压旋喷桩加固、基底换填轻质混凝土四种地基处理方案，认为微型桩加轻质混凝土填筑可以大幅降低路基填筑及施工干扰风险[5]，胡润乾在某南方铁路工程的微型钢管桩与高压旋喷桩研究中也得到类似规律[6]。

隔离桩技术在减小基坑、隧道等地下工程施工对周边建构筑物的沉降中被广泛应用[7]，也被应用于隔离大面积堆载下的应力传播，从而减小对周边环境的影响[8]。以往临近无砟轨道高速铁路上跨桥多采用隔离桩减少对运营线的沉降影响[9]，而在铁路路基帮宽工程中则鲜见报道。

综合以上分析，在本项目中，拟采用的方案为：地基处理采用非排土的预应力管桩，隔离桩采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，路基填料采用泡沫轻质土，并进一步利用ABAQUS有限元软件对不同方案下既有线地基沉降变形的影响进行分析，以优化相关工程措施与设计参数。

1 项目工程概况

既有线站场为两台六线，正线为无砟轨道，站场里程中心路基面宽约57.66m，路基填高8.14 m，1∶1.75放坡，并行段地基处理采用CFG桩加固，正方形布置，桩径为0.5 m，间距为1.8 m。在站场两侧双线地段，地基加固深度为25 m，其余地段地基加固深度为30 m。CFG桩桩顶设0.5 m厚碎石垫层，碎石垫层顶部设0.1 m 厚C20素混凝土垫层(如图1)。

图1 既有线并行段平面示意

新建站为三台六线，站场里程中心处路基面宽67.74 m，1∶1.5放坡，填高约为8 m，路基横断面形式如图2，路堤基底拟采用预应力管桩处理。在临近既有线侧8 m范围内拟浇筑倒梯形泡沫轻质混凝土。预应力混凝土管桩外径为500 mm，壁厚为100 mm。靠近既有线坡脚处设置一排隔离桩(采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩径为1 m)。

图2 既有线并行段典型断面(单位：m)

典型断面的土层参数见表1。

表1 典型断面的地层参数

2 数值模拟

对于路基帮宽这类平面应变问题，一般采用二维平面模型进行模拟，可以得到较好的效果[10]，若采用三维模型模拟，由于模型尺寸较小，难以反映实际情况，易造成模拟失真，故本次数值模拟采用ABAQUS建立多断面二维模型。

首先将既有铁路路基及新建城际铁路的桩基施工完成状态作为基本初始状态(初始位移为零)。在这种状态下建立模型，计算路堤荷载和列车荷载下既有铁路轨道处沉降与变形情况。

模型左右侧约束水平向位移，底部约束水平向和竖向位移，采用四结点四边形缩减单元，典型断面网格划分为21 182个单元。

混凝土类材料均采用线弹性本构模型，其余材料选用摩尔库伦弹塑性本构模型，路基及地基处理材料参数见表2。

为保证计算模型的收敛性和准确性，选取模型尺寸时，应使两线坡脚外延40 m，地基厚度取50 m。

接轨模型需选择最不利断面进行数值模拟。最不利断面的选择一般有两个原则：①选取帮填荷载最大且最近的断面，即两线坡脚搭接的地方。②选取线间距最近且荷载较大，即新旧路肩将要合并的断面。考虑既有线的路基面宽度以及地基处理情况，现选取4个断面进行数值模拟，如表3所示。

表2 路基及地基处理材料参数

说明：(1)依据以往的工程经验与相关理论研究[11]，土体的弹性模量一般是压缩模量的2～5倍，本次研究拟取压缩模量的3倍为其弹性模量。(2)在二维模型中，对桩基的弹性模量按照抗压刚度等效进行折减。(3)桩基的侧摩阻力系数按照公式tan(φ·0.45)取值，约为0.2。(4)列车荷载：分布宽度3.1 m，荷载强度54.1 kPa；线间荷载：荷载强度14.1 kPa[12]。

表3 断面选取

3 方案比选分析

(1)填普通土方案

图3 YDK133+900路基帮宽下竖向位移场

图3～图6为地基沉降云图，图7为既有路基面沉降曲线，在路基帮宽填土与列车荷载下，既有路基土体中产生附加应力，进而引发既有线地基的沉降。同一个横断面中，距新建线越远，既有线路基面的沉降变形趋势逐渐减弱。YDK133+900、YDK134+500两个断面的轨面最大沉降在4 mm以内，其中正线无砟轨道的沉降控制在2 mm以内，目前的技术措施可以保证上述段落既有线轨道的平顺性；但YDK134+600、YDK134+951两个断面的整体沉降较大，轨面最大沉降为9～35 mm，其中正线无砟轨道的沉降为5～7 mm，需进一步研究泡沫轻质土技术与隔离桩技术对既有线的整体沉降控制能力。

图4 YDK134+500路基帮宽下竖向位移场

图5 YDK134+600路基帮宽下竖向位移场

图6 YDK134+951路基帮宽下竖向位移场

图7 不同断面下既有路基面沉降曲线

(2)泡沫轻质土方案

既有线路基沉降计算结果汇总见表4。采用泡沫轻质混凝土时，与填普通土情况相比，YDK134+600、YDK134+951两个断面的整体沉降量减小了30%～50%，说明(靠近既有线侧部分)采用泡沫轻质混凝土，可有效减少帮宽路基对既有线路基沉降变形的影响。以断面YDK134+600(地基处理桩长20 m)为例，正常填土条件下坡脚、最外侧轨道、Ⅰ道及Ⅱ道的沉降分别为47.22 mm，9.03 mm，4.48 mm，3.60 mm，泡沫轻质混凝土条件下则为22.96 mm，5.74 mm，3.01 mm，2.53 mm，分别减少了49.3%，36.4%，32.8%，29.7%，表明同一横断面内，随着逐渐远离新建线，泡沫轻质混凝土对既有线路基面的沉降控制能力逐渐减弱。

(3)不同地基处理桩长方案

其他条件相同的情况下，新建路基地基处理的桩长越大，其控制既有线整体沉降效果越好。以断面YDK134+600最外侧轨道中心沉降量为例，10 m、20 m、30 m桩长下的沉降量分别为11.90 mm，9.03 mm，5.34 mm，桩基由10 m增长一倍至20 m时，沉降量减小24.1%，而继续增长至30 m时，沉降量减小40.9%。

(4)隔离桩方案

当帮宽路堤坡脚与既有线坡脚搭接时，设置隔离桩能够减小既有线沉降的1/3左右。以断面YDK134+600的35 m隔离桩为例，填普通土且地基处理均为20 m管桩时，未设置隔离桩时最外侧轨道中心沉降量为9.03 mm；设置隔离桩后，最外侧轨道中心沉降量为6.02 mm，沉降量减小33.3%。使用泡沫轻质混凝土情况下，未设置隔离桩时最外侧轨道中心沉降量为5.74 mm，设置隔离桩后，最外侧轨道中心沉降量为4.04 mm，沉降量减小29.6%。

当帮宽路基面与既有路基面搭接时，在既有线坡脚附近设置隔离桩，对既有线的沉降变形控制能力有限。以断面YDK134+951为例，填普通土且地基处理均为20 m管桩时，未设置隔离桩时最外侧轨道中心沉降量为34.56 mm；设置隔离桩后，最外侧轨道中心沉降量为28.02 mm，沉降量减小18.9%，减小幅度有限。

以下分别研究地基处理为20 m管桩时，采用30 m、35 m、40 m隔离桩对既有路基沉降控制的效果。隔离桩桩长越大，其控制既有线路基整体沉降量的能力越强。以YDK134+600断面的坡脚最大沉降量为例，30 m、35 m、40 m隔离桩下的沉降量分别为40.28 mm，33.24 mm，24.53 mm，隔离桩由30 m增长至35 m时，沉降量减小17.5%，而继续增长至40 m时，沉降量减小26.2%。

表4 既有线路基沉降计算结果汇总 mm

综上分析，为了保证施工期间既有线的正常运营，在新旧路堤坡脚搭接前，采用正常填土与地基处理桩长20 m的方案。两坡脚搭接后，考虑到单纯增大地基处理桩长，既有路基仍然会产生明显的整体沉降，且站场大面积地基处理将显著提高工程建设成本，故建议优先采用靠既有线侧部分采用泡沫轻质混凝土和增设35 m隔离桩方案，以保证上述段落既有线轨道的平顺性，此时既有线轨面的最大沉降在11 mm以内，其中正线无砟轨道的沉降控制在2 mm以内。

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