既有铁路顶进桥涵过渡段回填处理及数值分析

文／谭生永、刘一帆 中国铁路济南局集团有限公司 山东济南 250001

引言：

对于铁路运输而言，保障旅客乘坐列车的安全性、舒适性的重要因素之一就是铁路线路的平顺性。路桥过渡段受到铁路运行车辆动荷载的作用时，在桥头处往往会出现振动较大的“跳车”现象。产生这种现象的主要原因如下[1-5]：

（1）路基与桥梁（台）本构差异，决定了他们的竖向位移、竖向变形以及对外部环境改变的相应差异。

（2）地基条件的差异。路桥过渡段由于结构的原因，桥头路基的填筑高度较大，产生的基础应力也较高，因此，地基在路桥过渡段产生的沉降较其他路段要大一些。

（3）桥台后路堤填料性质及施工影响，导致路桥过渡段在运营过程中出现了沉降病害现象。当路桥过渡段沉降差发展到一定程度时，线路平顺性急剧下降，不仅降低旅客乘坐舒适性，甚至会影响列车行车安全。

《铁路路基设计规范》（TB10001-2016）中对新建铁路的桥后过渡段有了详细规定，对于既有线顶进施工桥涵过渡段无明确相关要求。本文以既有线顶进施工桥涵路桥过渡段回填处理实际工程为分析背景，通过建立其精细的MIDAS GTS 有限元分析模型，对其关键回填处理措施进行了分析，验证此类回填处理方式在设计和施工上的可行性，为相似路桥过渡段回填处理设计及施工提供理论依据。

1、工程概况

济南市某市政道路下穿京沪铁路、水白铁路共四股道，既有铁路为电气化铁路，路基高度约3m，道路与铁路夹角为90°；道路等级为城市主干道，设计车速为60km/h。道路边孔框架桥为1-12.0m钢筋混凝土框架桥，采用顶进施工，出入口挡墙采用U 型槽。

1.1 桥后过渡段路基开挖边坡处理

1.2 路桥过渡段回填措施

由于施工原因，作业面（尤其是桥梁开挖基坑的底面）相对狭小，过渡段回填材料碾压质量难以控制，实际压实度达不到设计要求。即使施工时压实度全部达到设计要求，但因铁路运营时路堤填土本身自重和动荷载作用，路基土进一步压缩变形，使得桥后过渡段产生沉降差。

本工程为框架桥顶进就位后在D 型便梁防护下施工路桥过渡段，对顶进路基开挖面底层回填C25 混凝土（且满足底层回填混凝土宽度D 大于2m），实际开挖面开挖台阶处理，其上回填级配碎石掺水泥后注浆加固，至路基表层回填1.5m 厚C25 混凝土保证与路肩同宽，级配碎石回填过程中注意预埋注浆管；过渡段每压实层均应形成路拱，路拱横向排水坡宜2%～4%，表面无积水。桥后过渡段常产生细小伸缩缝，经过地表水或雨水的渗透后，水的渗透流动带走填料中的细颗粒土，会使路堤填土强度降低，产生沉降变形。因此有效的路基排水设计并避免雨季施工，能减小桥后过渡段的病害[6]。

路基基床表层以下过渡段回填级配碎石，其级配范围应符合规范要求；同时，颗粒中针状、片状碎石含量不应超过20%，质软、易破碎的碎石含量不应超过10%，黏土团及有机物含量不应超过2%。根据《铁路路基设计规范》（TB10001-2016）中规定设计时速160km/h 客货共线铁路基床表层若采用级配碎石填料压实标准，压实系数K ≥0.95，地基系数K30 ≥150MPa/m。掺水泥级配碎石应在填筑压实工艺性试验要求的时间内压实完毕，且应内在密实、板结良好。基床表层以下过渡段填层压实质量标准要符合规范的相关规定，过渡地段路基重压时，应该与相邻的结构物同时施工，并且保证相同的水平分层高度同步填充建筑，而且均匀压实[7-8]。

1.3 扰动面路基土体小导管注浆处理

（1）注浆过程应遵循探灌结合的原则，根据地质钻孔结合施工现场勘探成果，确定注浆钻孔深度及注浆量。

（2）钢管可采用外径42mm，厚3.5mm 的热轧无缝钢管，钢管长度为5.0 ～10m（可根据实际开挖边坡坡度调整）。为便于超前小导管插入路基内，钢管前端做锥状，尾部焊上钢筋，搭接长度≮30cm。

（3）根据场地条件，注浆孔可选择垂直、水平及斜向成孔。

5)为了准确判断温度和风速对辣椒干燥速率的影响程度，并得出最优的辣椒干燥工艺，对表3进行方差分析和极差分析，如表4和表5所示。

（4）配合比依据现场试验确定；注浆水泥采用Po42.5 快硬水泥，掺入水玻璃（水泥与水玻璃的重量比为1:0.2 ～1:0.1，体积比为1:0.1 ～1:0.05），水泥浆液水灰比为0.8:1 ～1:1。

（5）注浆压力：由于单位注浆量与注浆孔距、注浆压力、浆液浓度密切相关，注浆施工前应进行现场注浆试验，合理选择注浆工艺，合理确定注浆压力、浆液配比、单位注浆量等相关参数，确定停止注浆条件等。严格控制注浆压力，以防止既有路基及铁路设备的隆起。

注浆施工前应详细查明各类管线、电力、通讯线缆及架空线路的位置，并作妥善保护，对埋地线缆，可采用槽钢对扣的保护措施，对架空线路，应预留足够的安全距离，确保安全。施工时注意接触网立柱基础周围2m 范围内禁止施钻和注浆作业。

2、有限元建模

采用Midas GTS NX 建立三维模型，为便于描述，首先给出计算模型中拟采用的坐标系：顺既有铁路路基方向为Y轴；垂直铁路路基方向为X 轴；竖直方向为Z 轴。计算模型取其有效影响范围，即模型沿X 方向取80m，沿Y 方向取90m，土层总深度24m。

2.1 边界条件

土体模型边界选用地面支承边界，即在左右边界约束x方向的自由度，在前后边界约束y 方向的自由度，在底面边界约束z 方向的自由度，地面不约束自由度。

另一种边界条件采用的修改材料属性边界条件，即模拟施工阶段时结构物由一种属性变成另外属性。

2.2 荷载形式

自重：程序根据建立的单元材料容重；

铁路荷载：按原铁路路基设计荷载查取，并换算为等效均布荷载施加在钢轨上。

土体采用摩尔- 库仑模型来模拟土的本构关系，土体左右边界采用水平约束，不发生渗流；底边界采用固定约束，允许发生渗流。对于铁路钢轨，考虑平面应变中对轨枕和铁路路基道碴效应进行等效处理，考虑刚度换算，用1D 梁单元模拟[9-11],同理，框架与出入口U 型槽、路桥过渡段、铁路路基采用3D 单元模拟并赋予其实际结构的刚度[12-13]。

2.3 参数选择

根据地质资料，将地面以下划分为7 个土层，铁路路基以及路桥相关结构物视为弹性材料。

3、桥后过渡段回填对既有铁路路基变形影响模拟分析

本阶段铁路路基施工已完成的基础上激活和钝化路桥过渡段相关结构物，并清空铁路路基施工产生的位移。

竖向变形结果负值表示沉降，正值表示隆起。

纵向水平变形结果正值表示指向铁路大里程，负值表示指向铁路小里程。

横向水平变形结果正值表示指向铁路左侧（面向大里程），负值表示指向铁路右侧。

竖向变形：

桥后过渡段回填处理施工对既有铁路的沉降变形；

可以看出，路基工后沉降最大值为4.647mm，远小于《铁路路基设计规范》中新建铁路过渡段路基工后沉降不大于100mm 要求；钢轨竖向位移最大值为4.33749mm。

4、轨道平顺性汇总分析

4.1 横向水平变形

提取钢轨在铁路路基及桥后过渡段回填施工横向水平位移结果汇总。

根据上述图表可知，路桥过渡段回填处理施工时，钢轨横向位移最大值为0.791mm，满足《普通铁路线路修理规则》（TG/GW102-2019）中规定的线路轨道静态水平容许偏差管理值≤5mm，线路轨道动态水平容许偏差管理值≤5mm的要求。

4.2 轨向水平变形

提取钢轨在铁路路基及路桥过渡段回填施工纵向水平位移结果汇总，形成曲线见图2。

图2 钢轨纵向水平变形曲线图

路桥过渡段回填处理施工时，钢轨纵向位移最大值为0.537mm，满足《普通铁路线路修理规则》线路轨道静态轨向容许偏差管理值采≤4mm；线路轨道动态轨向容许偏差管理值≤6mm 的要求。

图1 钢轨横向水平变形曲线图

4.3 竖向变形

提取钢轨在铁路路基及路桥过渡段回填施工竖向位移结果汇总，形成曲线见图3。

图3 钢轨竖向变形曲线图

路桥过渡段回填处理施工时，钢轨竖向位移值为4.3375mm，满足《普通铁路线路修理规则》线路轨道静态高低容许偏差管理值采≤5mm；线路轨道动态高低容许偏差管理值≤6mm 的要求。

综上所述，路桥过渡段回填处理方式满足规范沉降以及平顺性要求，能够保证既有铁路的运营方式。

结语：

本文以实际项目为研究背景，通过对桥后过渡段回填处理方式进行数值模拟分析，得到以下结论：

（1）路桥过渡段回填措施：过渡段基坑底至自然地面线范围内（基坑深≥2m），回填C25 混凝土，框架顶以下1.5m范围内的路桥过渡段采用回填C25 混凝土，中间部分采用级配碎石掺水泥并满足规范要求压实度并满足规范要求压实度，来减小基础设施结构物之间沉降差，保证铁路的运营的安全。

（2）桥后过渡段回填对既有铁路路基变形影响模拟分析结果中，路基工后沉降最大值为4.647mm，远小于《铁路路基设计规范》中新建铁路过渡段路基工后沉降不大于100mm 要求。

（3）根据上述图表可知，路桥过渡段回填处理施工时，钢轨横向最大水平位移值为0.791mm，纵向最大位移值为0.537mm，竖向位移最大值为4.3375mm，均满足《普通铁路线路修理规则》要求，路桥过渡段回填处理方式满足规范沉降以及平顺性要求，能够保证既有铁路的运营方式。