新建路基对既有高铁路基影响与坡脚退避间距分析

罗金洪

(中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070)

1 引言

为确保高铁列车高速、安全、平稳运行，对轨道系统以下基础工程提出了严格的变形控制要求，在其安全保护区内进行工程活动须十分慎重。目前，在邻近既有高铁平行新建路基时，常采取拉大两线间距的方式来确保铁路安全，但若退避间距过大将形成较大“夹心地”，浪费土地资源。如何基于高铁容许变形阈值，结合地质情况、路基填筑高度等因素，合理确定新建路基退避间距，是新时期高铁路网加密建设中面临的新技术问题。

新建线路对既有线路的附加影响已有相关研究，区分讨论了路对路、桥对路等不同情况，研究重点多侧重于新建路基开挖填筑中对既有线路的扰动影响，以及两线间距较小时如何采取工程加固措施来减小对既有线路的扰动[1－3]。

在总结平行既有高铁新建路基工程成功经验基础上，以一粉质黏土地区平行既有高铁新建路基为例，考虑地层条件及两线地基处理情况、两线间距、新线路基填高等因素[4－5]，建立有限元计算模型，研究新建路堤及轨道－列车应力加载对既有高铁路基附加沉降和水平变形的影响，根据高铁线路变形阈值，提出新线坡脚退避间距。

2 邻近既有高铁新建工程规定与工程案例

2.1 相关规范及规定

中国铁路工程总公司《关于规范铁路营业线施工配合技术服务费计取工作的指导意见》(铁总建设〔2017〕146号)规定了邻近营业线的工程退避间距，对于非爆破工程，一般情况下为路堤坡脚、路堑坡顶、桥梁外缘、设备或设施外缘起向外各20 m范围以外。但对既有高速铁路新建与既有线退避间距尚无正式相关规定。

2.2 工程案例及面临问题

实践中高铁线路与已开通350 km/h运行速度高速铁路并行，各工程类型采用的最小退避间距见表1。

表1 与高铁并行地段最小线间距

可见，新旧线桥梁、路基四种工程组合中，新建路基对既有路基影响最为显著，推荐的最小退避间距达40 m。在新时期“绿色铁路”背景下，关于两线间距有必要根据新建路基与既有高铁的地形、地质、工程类型等因素进行相关研究。

3 计算模型与参数校验

3.1 路基工程计算断面介绍

选取并行既有高铁的新建线地基CFG桩加固段为研究对象，该路段地基可压缩层主要为粉质黏土，最大深度约21 m，既有路堤最大填方高度约10 m，两线路基基本等高。既有高铁路基采用了CFG桩加固，桩径0.5 m、间距1.5 m，正方形布置。新建路基亦采用CFG桩加固，正方形布置，桩径0.5 m、间距2 m。新线与既有线路基典型横断面见图1，地基处理设计参数见表2，地基岩土物理力学指标见表3。

表2 地基处理设计参数

图1 路基典型横断面(单位:m)

表3 地基岩土物理力学指标

3.2 有限元模型建立

采用Midas GTS数值计算软件进行分析，模型作如下假设条件:

(1)CFG桩复合地基作为整体，取复合模量考虑地基加固效应。

(2)不考虑土工格栅的作用，路堤以整体实体考虑。

(3)考虑地基初始地应力场，令初始地应力场平衡后的初始位移为零，不考虑桩的施工过程。

(4)路堤填筑为一次性加载，不考虑地基在荷载作用下的时间效应。

模型横向143 m、竖向50 m，采用平面应变的三角形单元和四边形单元进行网格划分，单元尺寸在路堤为1 m，地基最大网格尺寸3 m，共划分3 936个节点、3 859个单元。典型断面有限元模型网格见图2。路堤与CFG桩材料参数见表4，岩土材料均采用Mohr-Coulomb理想弹塑性本构模型。

图2 典型断面有限元模型网格

表4 路堤与CFG桩模型材料参数

模型两侧采用水平位移约束，底部固定约束，顶部为自由表面。模型受重力作用，在路基顶部施加列车－轨道荷载。高铁列车荷载分布宽度取3.1 m，轨道单位荷载为13.7 kPa，列车荷载为40.4 kPa，总荷载54.1 kPa，线间荷载2.3 kPa。

3.3 地基参数拟合校验

模拟前对影响变形计算准确度的地层物理力学参数，考虑新线路堤分别按有、无CFG桩加固的有限元计算，并以复合模量法为基准进行拟合校验，确定相关计算参数。

计算结果表明，无CFG桩加固情况下，粉质黏土的弹性模量取2倍土体压缩模量较为合理，与e-p参数复合模量法相差约3.3%；采用CFG桩加固时，加固层复合地基弹性模量取其2倍压缩模量较为合适，结果与理论值相差约4.9%。校验后地层参数见表5。

表5 校验后地层参数

4 计算结果分析

4.1 计算工况选取

根据地层条件、新旧线地基处理、两线间距、路基填高等因素，考虑路堤填高与地基处理深度匹配原则[6－8]，选取新线路堤填高6 m时地基加固处理深度4 m，路堤填高9 m时地基加固深度8 m、14 m，路堤填高10 m时加固深度19 m，共4种情况，以两路堤坡脚距离分别为6 m(共用水沟)、14 m(共用栅栏)、20 m、30 m、35 m(地基处理深度 14 m、19 m时)的条件，共计18种工况，计算工况汇总见表6，分析既有线路基水平、竖向附加变形特征[9－10]。

表6 计算工况汇总

续表6

4.2 新建路基对既有线路基变形影响

由附加应力扩散规律，新建工程对既有铁路的附加应力作用与路基填高呈正相关，随线间距及新线地基处理深度的增大而减小，因此附加变形也将随之相应变化。

以工况9地基处理深度14 m、坡脚距离6 m情况为例，合位移场及水平、竖向分量结果见图3～图5。

图3 合位移场

图4 水平位移场

图5 竖向位移场

可以看出工况9条件下，新建路基竖向沉降明显，路基面和原地面沉降值分别达到99.3 mm和98.6 mm，水平位移分别为2.6 mm和0.4 m。由于新建路基面沉降可通过超填施工等手段解决，工后沉降影响可控；而对于既有线路基水平变形相对更为明显，水平位移为5.9 mm，路基面沉降值左、右线分别为1.3 mm、0.8 mm，反映了新建路基对既有路基变形的影响。

新线地基处理深度分别为4 m、8 m、14 m、19 m四种情况下，既有路基合位移与坡脚间距、地基处理深度关系见图6。将不同工况的水平位移、竖向位移以及合位移分别进行绘制，见图7。

图6 既有路基合位移与坡脚间距、地基处理深度关系

图7 既有高铁路基变形与坡脚间距关系

水平分量和合位移值相差不大，可见新建路基对既有路基的影响主要体现在水平方向的变形，随着地基处理深度的增加，既有线坡脚的水平位移和路基面水平位移均增加。

在新线路基同一处理深度下，随着坡脚距离增大，水平位移呈指数递减。处理深度≤8 m、路堤坡脚间距为10～15 m时，对既有路基变形影响趋于微弱；地基处理深度≥14 m，坡脚距离在超过30 m后曲线趋于平缓。

既有线竖向沉降相比水平位移明显减小，约为水平位移的1/5～1/4，既有线路基面竖向位移随处理深度增加近似呈指数减小，规律和水平位移一致；当处理深度≥8 m时，既有线坡脚竖向位移呈先增大后减小的趋势，对应于坡脚间距15 m时产生极值。

5 最小坡脚间距分析

由图6、图7可知，两线坡脚间距的取值应综合考虑既有线路沉降、水平位移的影响。高速铁路线路变形控制相关规定[11－12]见表7。

表7 线路静态几何尺寸容许偏差管理值

结合数值模拟计算，在坡脚距离超25 m时，不同地基处理深度下既有路基竖向沉降均小于1 mm，水平位移在3 mm以内，此时新建线路对既有线路的附加扰动较小，满足线路维修规则要求，也满足既有线路正常运营，同时节省工程土地，符合新时期铁路发展绿色协调的理念。

6 结论

通过以粉质黏土地区平行既有高铁新建路基为案例的模拟分析，对平行既有高铁新建路基产生的地基附加应力进行分析，以此为基础对坡脚退避间距进行取值建议。

(1)在新建路基轨道－列车及路基荷载的影响下，既有线路基变形以水平位移为主；在新线路基同一地基处理深度条件下，既有线坡脚和路基面水平位移随坡脚间距增大呈指数规律递减；处理深度≤8 m，路堤坡脚间距为10～15 m时，对既有路基变形的影响趋于微弱；地基处理深度≥14 m，坡脚距离在超过30 m后曲线趋于平缓。

(2)既有线竖向沉降相比水平位移明显减小，约为水平位移的1/5～1/4，既有线路基面竖向位移随处理深度增加近似呈指数减小，规律和水平位移一致；当处理深度≥8 m时，既有线坡脚竖向位移呈先增大后减小的趋势，对应于坡脚间距15 m时产生极值。

(3)参考高速铁路维修规则相关规定，对于地基压缩层厚度10～20 m典型情况，建议在新线地基加固深度不大于8 m时，可利用共用栅栏净距14 m作为坡脚最小退避间距；当新线地基加固深度超过14 m时，坡脚最小退避距离可增加至25 m。