高速铁路路基帮宽沉降变形控制技术研究

孙明超

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

在新建铁路与既有铁路的接轨工程中，沉降变形是接轨控制的关键因素[1]。若接轨帮宽引起路基附加沉降过大，将对轨道的平顺性甚至铁路运营带来重大隐患[2-3]。关于高速铁路沉降控制已有不少研究成果，主要加固措施有：预应力管桩、隔离桩、CFG桩等[4-6]；研究手段主要有：复合模量法、等效作用法、数值模拟法等[7-8]。从既有研究中可发现，对于无砟高速铁路路基帮宽的研究相对较少。结合某高速铁路接轨既有铁路的工程实例，采用简化复合模量法与有限元分析法开展研究。

1 工程概况

某新建高速铁路工程引入既有高铁站，其上、下行联络线与既有高速无砟铁路接轨，线位平面示意如图1。路基接轨帮宽横断面示意如图2。

图1 接轨平面示意

图2 路基帮宽横断面

接轨区域属冲洪积平原地貌，地势平坦，地层主要为人工填土、粉质黏土、粉土、砂类土等；该段无明显地表水，地下水位埋深11.2～13.5 m。既有高速铁路为双线、无砟轨道，路基填高为3～5 m。地基采用CFG桩加固，桩径0.5 m，主加固区采用桩筏复合地基结构，桩间距1.5 m，正方形布置，桩长30 m；次加固区采用“CFG桩+碎石垫层”，桩间距为1.5 m(纵向)、1.6 m(横向)，桩长25 m。

新建上、下行联络线为I级铁路，速度为160 km/h。新建上行联络线帮填量大，对既有线附加沉降影响大，拟采用两种地基加固方案。方案一：采用“预应力混凝土管桩+钢筋混凝土筏板”结构，桩径0.4 m，桩间距2 m，桩长30 m；方案二：采用“钻孔灌注桩+钢筋混凝土板”结构，桩径1.2 m，横向桩间距3～5 m(桩长22 m)，纵向桩间距6 m(桩长30 m)。

根据设计要求，工后沉降一般不宜超过15 mm；当沉降比较均匀并且调整后的竖曲线半径符合设计要求时，允许的工后沉降量为30 mm。为有效控制路基沉降，填料均采用轻质混凝土。泡沫轻质混凝土具有质轻、流动性高、耐久性好、强度可调节等特点[9]。

2 数值模拟关键参数确定

数值模拟选用“摩尔-库伦”本构模型，根据工程地质资料及相关研究文献。选取参数见表1～表2。施加的荷载换算为荷载土柱，高铁无砟列车荷载分布宽度为3.1 m，荷载强度为64.1 kPa；高铁有砟列车荷载分布宽度为3.4 m，荷载强度为63.3 kPa；联络线的列车荷载分布宽度为3.3 m，荷载强度为68.02 kPa[11]。

数值模拟中，影响计算结果的关键性参数是弹性模量[13]。弹性模量一般按压缩模量的倍数选取，其变化范围较大，不易准确获取。因此，拟挑选无加宽段落的某一简单代表性横断面(如图3)，应用简化复合模量法计算其沉降量，并以此为基准，采用反分析方法确定土层的相关参数。

表1 桩基础材料参数

表2 地层材料参数

图3 非帮宽地段反分析弹性模量路基横断面(单位：m)

采用简化复合模量法计算地基变形，地基内的应力分布按各向同性、均质线性变形体进行计算[12]，有

(1)

式中s——地基最终变形量/mm；

s′——按分层总和法计算出的地基变形量/mm；

n——沉降计算深度范围内所划分的土层数；

p0——路堤基底附加应力/kPa；

zi、zi-1——路堤基底至第i层土、第i-1层土底面的距离/m；

Ψs——沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定。

数值模拟计算采用3倍、6倍压缩模量，并与简化复合模量法计算值进行对比(见表3)。

由表3可知，当弹性模量采用6倍压缩模量时，数值模拟方法与简化复合模量法沉降计算值相近，故数值模拟计算时，弹性模量拟采用6倍压缩模量。

表3 路基沉降计算结果汇总

3 数值模拟

3.1 模型建立

为准确模拟桩土相互作用，验证接轨帮宽段落方案的可行性，挑选接轨段最不利断面，建立三维有限元模型，分别对两种方案进行数值模拟研究。模型底面设置X、Y、Z三向约束，模型侧面设置水平向约束。路基帮宽横断面如图4，两个设计方案的有限元模型及边界条件设置如图5～图8。

图4 路基帮宽模型横断面(单位：m)

图5 方案一路基断面模型

图6 方案一模型边界条件设置

图7 方案二路基断面模型

图8 方案二模型边界条件

3.2 模拟成果

根据上述两种设计方案，计算云图如图9～图12。

图9 方案一模型竖向位移

图10 方案二模型竖向位移

图11 方案一路基竖向位移

图12 方案二路基竖向位移

数据对比如表4。

表4 数值模拟沉降计算结果汇总 mm

3.3 成果分析

(1)路基帮宽后，既有路基产生纵向附加沉降变形。地基处理后，既有路基附加沉降很小，地基处理作用较为明显。

(2)路基帮宽后，既有路基右线产生的附加沉降值要大于左侧产生的附加沉降值，即右线填方对于既有路基的附加沉降影响较大。

(3)方案二中沉降计算值小于方案一中沉降计算值，故认为方案二的地基处理措施更有效。

(4)方案一及方案二的沉降值在6.8～10.3 mm之间，说明帮宽后对既有线的附加沉降已影响到了轨道平顺性，需通过调整沉降区段内扣件来满足轨道平顺性要求。

4 结论

(1)在本次路基帮宽工程中，“钻孔灌注桩+钢筋混凝土板”结构较“预应力混凝土管桩+钢筋混凝土筏板”结构在减少既有铁路附加沉降影响方面效果更好。

(2)两种设计方案中的填料均为轻质混凝土。从附加沉降计算值可以看出：轻质混凝土有效降低了附加沉降的影响。

(3)高速铁路无砟轨道对平顺性的要求较为严格，而帮宽路基过程中的开挖填筑以及机械扰动，势必会对既有铁路线产生一定程度的影响。因此，在施工过程中，应避免大型笨重机械在帮宽路基处停留，并加强对既有路基沉降的实时动态监测，以保证施工期间既有线的安全运营。