新建连镇铁路施工对邻近沪宁城际铁路的影响

2022-10-11范剑雄王海峰陕耀

铁道建筑 2022年9期

范剑雄王海峰陕耀

1.中国铁路上海局集团有限公司南京铁路枢纽工程建设指挥部，南京 210042；2.中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司，上海 200071；3.同济大学上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，上海200092

随着高速铁路线网规模不断扩大，不可避免出现大量新建线路与既有高速铁路线路的并轨、并线需求，涉及一系列轨道结构改造、既有高速铁路路基帮宽、地基处置和站场改造工程，同时要满足高速铁路严苛的变形控制要求，如何有效控制接轨工程施工对既有高速铁路线路结构及行车安全的影响已成为高速铁路建设中必须面对的新问题［1-5］。接轨工程面临两大关键技术难点：施工期变形控制和运营期路基长期变形控制，后者关系到新旧线路长期服役性能，具有重要意义。

针对线路周边加载、卸载引发既有高速铁路线下基础变形问题以及路基帮宽工程的研究较多［6-10］。孙明超［6］依托工程实际，运用有限元仿真技术和简化复合模量法对既有无砟铁路路基处理方案进行研究。胡润乾［7］利用有限元软件MIDAS GTS-NX模拟路基填筑普通填料和轻质混凝土情况下旋喷桩、钢管微型桩的加固效果，提出了高速铁路无砟轨道帮宽后既有路基的沉降控制方案。国内外关于接轨工程施工对既有高速铁路影响的研究较少。廖进星［11］对张吉怀铁路引入沪昆场方案（简单接入方案、无砟轨道方案、增加一条到发线方案）及对沪昆高速铁路既有路基的影响进行了研究。李井元等［12］以鲁南高速铁路引入京沪高速铁路曲阜东站为背景，针对接轨段路基的临界距离、路基填料、地基处理、施工安全等技术进行了分析。李帆等［13］基于鲁南高速铁路曲阜东站联络线接轨工程，采用ABAQUS软件建立有限元模型对既有路基附加沉降隔离效果的影响进行了研究。左坤［14］采用静压预应力管桩加固沪宁铁路软土地基并进行路基稳定性监测，减少了新建沪宁城际铁路对邻近既有京沪普速铁路路基的影响。

本文依托连镇铁路镇江站接轨沪宁城际铁路工程，针对现场监测布置及主要施工步骤流程进行了介绍，利用自动光纤监测系统对地层分层沉降以及桩板结构内力进行监测分析，以期为类似接轨工程施工对既有高速铁路线路结构的变形控制提供参考。

1 工程概述

新建连镇铁路地处我国东部沿海软土地区，位于江苏省南北纵向中轴线上，正线全长304.537 km，设计区段列车速度为250 km/h。镇江站是镇江市的主要高速铁路车站，车站自南向北依次为沪宁城际客专场、京沪铁路普速场。本工程涉及的连镇铁路镇江联络线位于镇江站接轨沪宁城际客专场。镇江联络线正线线间距4.2 m，设计时速160 km，采用有砟轨道。接轨工程现场如图1所示。

图1 接轨工程实景

接轨段既有沪宁城际铁路地基主体区域采用水泥粉煤灰碎石桩（Cement Fly-ash Gravel，CFG）加固，桩径0.5 m，桩间距1.6～1.8 m，桩长5～28 m（桩长嵌入粉质黏土③层内不小于1 m），按正方形布置。新建连镇铁路地基主体区域采用桩板结构加固，桩径1.0 m，桩长16～35 m，按矩形布置，横向桩间距3～4 m，纵向桩间距5 m，筏板厚度1.0 m，纵向长度每节14.98 m。现场主要地层参数见表1。

表1 相关土层物理力学参数

2 监测方案

由于新旧路基强度差异、列车动荷载、降雨、地下水等原因，接轨工程在长期运营中容易产生新旧路基差异性沉降、路基结构稳定性破坏等问题，危及线路运行安全，因此需进行长期变形及内力监测。本工程监测内容包括地层沉降及桩板结构内力。

2.1 地层沉降监测

地层沉降测点位于新建桩板结构筏板中央，用于测量新建线路路基长期沉降变形，测点布置如图2所示。

图2 地层水平位移及沉降监测测点布置示意（单位：m）

监测依托自动光纤监测系统进行，该系统由光纤沉降管、解调仪、无线传输模块、云端平台和在线软件模块组成。光纤沉降管由长标距光纤光栅位移计首尾相连串联组成，每支传感器标距3 m，即可实现钻孔中每3 m布置1个测点。光纤光栅位移计采用光纤光栅作为位移敏感元件，测量精度不受光纤传输距离及电磁干扰的影响，满足长期监测要求。在传感器内部安装了1个光纤光栅温度传感器，用以补偿温度对测量的影响。

在选定位置钻孔埋设光纤光栅沉降管，测量不同深度的地层水平位移，所测数据通过现场的光纤解调仪采集后经无线网络传输至云端平台。在线软件模块为用户提供项目的监测内容信息、整体布设信息以及报警统计信息、各监测内容的传感器布设点位信息、实时更新监测数据并显示传感器的测量状态。监测数据采集频率可自由设定，运营期长期监测时可设定为每天一次。

地层沉降监测方案的现场实施主要包括管线整理、钻孔、下放管线、回填密实、测点保护等。所有的光纤传感器件布设完毕后，通过线路引入就近建立的监测站内，最终实现整体监测单元的网络化控制。配合相关软件系统开发，进行自动化测量、储存和分析，通过无线传输网络及客户端软件可以实时在线监测、查看监测结果，最终达到自动化监测的目的。

2.2 桩板结构内力监测

桩板结构内力监测采集的数据包括筏板温度、筏板轴力、桩端轴力，用于监控新建桩板结构基础的长期结构安全。

测量传感器采用光纤光栅钢筋传感器及温度计，如图3所示。在承载板上下表面布置钢筋应力计及温度计，钢筋应力计沿承载板宽度方向间隔为1.5 m，钢筋应力计方向平行于承载板走向。每层合计需要4支钢筋应力计和2支温度计。在桩顶和桩底测量其桩端应力，钢筋应力计方向平行于桩基方向，布置如图4所示。每根桩需要8支钢筋计2支温度计。

图3 桩板结构内力监测传感器布置（单位：m）

图4 光纤光栅钢筋传感器安装过程

在桩基钢筋笼绑扎过程中，用电焊机将一段主筋端切割下来，将光纤光栅钢筋应力计放在原主筋切割段的位置，用焊接的方式将钢筋应力计取代原钢筋笼的一段主筋，随钢筋笼一同浇筑在混凝土梁中。安装时注意用湿毛巾将钢筋应力计包裹住，且在焊接过程中应频繁更换湿毛巾，防止因温度过高而损坏传感器。

3 监测结果及分析

3.1 地层沉降监测

地层沉降监测结果见图5。可知：在监测系统调试期，路基上部无列车荷载，沉降很小；进入联调联试期后，受测试列车荷载作用，沉降逐渐增大；进入正式运营期后，地层总沉降进一步发展，在正式运营9个月后约达7 mm，结果表明在软土地区桩板结构路基长期沉降主要受列车运行荷载影响，沉降在较长时间内持续发展。

图5 沉降测点地层总沉降变化情况

根据测点所处地层自然分层为分界点提取了不同深度处的沉降，各项数值表示该深度区间内的总地层沉降，见图6。可知：各地层沉降总体呈现上部大下部小的规律，这是由于地层沉降主要受列车荷载产生的附加应力影响，而附加应力随深度不断衰减；较为特殊的9～13 m区间地层沉降较大，这是因为该深度范围为淤泥质粉质黏土层②1（参见表1），该类土的压缩模量及抗剪强度参数显著小于区域内的其他土体，因而产生了相对较大的沉降变形；0～6 m区间地层沉降较小，这是因为该地层为人工填土，经过压密压实处理，其工后变形较小。

图6 沉降测点不同深度处的分层沉降变化情况

3.2 桩板结构内力监测

3.2.1 筏板温度

桩板结构路基中筏板内力与温度关系密切，因此对筏板温度进行分析。筏板温度随当地气温变化情况，见图7。可知：筏板温度与当地气温总体成正相关，且筏板温度的变化相对于当地气温变化有1~2 d滞后。总体而言，筏板温度略高于当地平均气温，这是因为位于筏板下部的路基土比热容较大，其在一天中气温较高时吸收环境热辐射存储热量，在气温较低时通过热传导将热量传递给筏板，使得筏板温度高于环境的平均气温。筏板底板温度比顶板温度高2~3℃，同样是由于路基土对环境热辐射进行吸收存储后传导至筏板，使得直接与路基土接触的底板的温度略高于顶板。

图7 筏板温度随当地气温变化情况

3.2.2 筏板轴力

筏板断面顶板处轴力见图8。可知：筏板作为承压结构，与梁结构类似，顶板处总体是受压的，在监测系统调试和联调联试期，筏板轴力基本稳定，而进入正式运营期后，筏板顶板压力先减小后增大。这是因为筏板轴力受上部荷载和结构温度共同影响。当结构温度降低时，根据热胀冷缩原理，筏板产生收缩趋势，但由于外部结构约束，筏板无法自由收缩变形，故在外部结构的约束下产生拉伸，从而使得板内的压应力减小。反之，当结构温度升高时板内压应力增大。另一方面，在上部荷载作用下筏板受压向下弯曲，筏板顶板受压、底板受拉，上部荷载越大则应力越大。联调联试期与监测系统调试期相比，筏板上部荷载增加，但受当地气温影响，筏板结构温度降低，筏板轴力总体变化不大；进入正式运营期后，上部荷载基本不变但筏板温度进一步降低，筏板受压轴力显著降低，在当地气温最低日附近达到最小值；此后，随着气温回暖，筏板温度升高，筏板受压轴力相应增大。

图8 筏板断面顶板处轴力变化情况

3.2.3 桩端轴力

现场桩顶和桩底轴力的变化情况见图9。可知：从监测系统调试期开始，桩底轴力逐渐增大，进入正式运营期后达到稳定，约为85 kN；桩顶轴力先是逐渐增大，在正式运营一段时间后达到峰值533 kN，然后逐渐降低。桩端轴力主要受桩板结构体系、上部荷载、桩板结构桩土分担比、桩侧摩阻力等因素影响。初期桩板结构尚未完全成型，桩的承载能力不足，上部荷载主要由土承担，故此时桩端轴力较小。随着桩板结构逐渐成型，原先由板下土体承担的荷载转移到了桩上，由桩承担的荷载比例逐渐增大，桩端轴力随之增大，同时桩顶轴力增大但桩底轴力不变，说明桩侧摩阻力在发挥作用，承担了更多的竖向荷载；正式运营一段时间后，随着桩板结构进一步下沉，板下土体被压密，其承载能力进一步提高，土承担了更多上部荷载，桩土分担比逐渐减小，桩端轴力随之逐渐减小。