运营铁路增线帮宽路基变形和稳定性问题综述

2023-10-14吴红刚李德柱隋成文

铁道勘察 2023年5期

庞军吴红刚张辉唐宁李德柱隋成文

(1. 兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070; 2. 中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730099;3. 中铁九局集团有限公司,沈阳 110013)

引言

强国富民,铁路先行,随着我国交通运输总流通量的迅猛增加,多数未充分考虑到可持续发展和区域性平衡发展的运营铁路存在运能不足等问题[1-3]。为此从“十一五”开始,我国交通运输体系发展规划(以下简称规划)明确提出要加大推进运营铁路的扩能。目前,增线方案是提高运营铁路现期运输能力、补足近远期运输能力的最有效办法[4-6]。但增线扩能方案中新建线引入既有线,分离式帮宽并行或交叉既有线,以及整体式帮宽都面临路基帮宽产生的附加应力会导致新旧路基产生差异变形和稳定性降低,进而威胁着运营铁路轨道的平顺性和安全性[7-8]。因此,帮宽引起的差异变形和稳定性问题是铁路扩能改造中所面临的重大难点问题和突出性矛盾。

目前,国内外关于运营铁路帮宽变形及稳定性问题的研究还处于发展阶段,并且在内容上多以影响因素和控制技术研究为主,研究范围小、深度浅。基于此,对运营铁路帮宽变形和稳定性问题的研究历程和研究内容进行总结归纳,并从影响因素及规律、帮宽下运营铁路安全性评估方法、帮宽变形及稳定性控制技术3 个方面,对运营铁路增线扩能的帮宽变形和稳定性问题进行综述,以期为类似帮宽工程的建设及未来研究提供借鉴。

1 研究现状

1.1 帮宽变形及稳定性问题研究历程

关于运营铁路增线扩能的帮宽变形和稳定性问题研究多从2003 年开始,以“铁路帮宽、铁路拓宽、紧邻/邻近既有线、紧邻/邻近运营铁路、既有线增线”为关键词,对知网文献进行检索;其次结合检索文献的参考文献,较全面地整理归纳2003 ～2023 年的相关文献,并基于历年文献数量对运营铁路增线扩能的帮宽变形和稳定性问题研究划定发展阶段。历年文献数量统计及发展阶段划分与占比如图1 所示。

图1 历年文献数量统计及发展阶段划分与占比

由图1 可知,“十五”规划施行至“十二五”规划提出阶段,只有零星相关文献发表,数量少,仅占总文献量10.8%,且呈现出间断性,说明只有少部分学者注意到运营铁路帮宽的差异沉降和稳定性问题,因此这十年是该问题研究的萌芽期;从“十二五”规划施行至“十三五”规划提出阶段,连续有较多的相关文献发表,占比为33.8%,说明运营铁路帮宽的差异沉降和稳定性问题已经引起了较多学者的关注,因此这5 年是该问题研究的正式起步期;从“十三五”规划实施至“十四五”规划提出阶段,连续有大量相关文献发表,占比高达55.4%,说明运营铁路帮宽的差异变形和稳定性问题已得到广大学者的普遍关注,因此这5 年是该问题研究的快速发展期。

由图1 可知,运营铁路帮宽变形和稳定性相关理论研究在整体上呈现出上升的趋势,已取得了一定的发展,但由于还没有进入到成熟期,因此相关研究及相应规范标准还有待进一步深入完善。

1.2 运营铁路帮宽变形及稳定性问题研究内容

为了认识运营铁路帮宽变形和稳定性问题研究的主要内容,按照表1 的分类依据对历年文献进行细致分类,运营铁路帮宽变形及稳定性研究内容数量及占比如图2 所示。

表1 运营铁路帮宽变形及稳定性问题研究内容划分

图2 运营铁路帮宽变形及稳定性研究内容数量及占比

由图2 可知,第一类和第四类的数量及占比最多,第五类次之,说明目前运营铁路帮宽变形和稳定性问题研究主要集中在影响因素、控制技术及效果对比或评价2 个方面,研究范围小且深度浅,多为帮宽过程中对施工技术的总结;第三类和第六类数量和占比较少,说明目前研究对运营铁路帮宽变形下的既有路基安全性评估关注度不够,并且在宏观上对运营铁路帮宽工程从地质勘察→控制技术施工的整体前后流程还认识不清,因此提出了运营铁路帮宽变形和稳定性问题的整体研究思路,如图3 所示;第二类的数量及占比为零,说明目前研究在帮宽变形对路基-轨道-车辆耦合系统的力学影响方面还处于空白状态因此,研究其对路基-轨道-车辆耦合系统的力学影响很有必要。

图3 运营铁路帮宽变形和稳定性问题的整体研究思路

2 运营铁路帮宽变形和稳定性影响因素

运营铁路帮宽工程受施工、环境、地质、列车荷载、帮填尺寸、填料性质等因素的综合影响,因此掌握影响因素的种类,了解各因素的影响规律,是进行运营铁路安全性评估、控制技术优效选取的基础,因此有必要对运营铁路帮宽变形和稳定性问题的影响因素和影响规律进行归纳。

2.1 帮宽变形和稳定性影响因素的分类

整理目前影响运营铁路帮宽变形和稳定性的各种因素,得到运营铁路帮宽变形和稳定性的影响因素分类,如图4 所示。

图4 运营铁路帮宽变形和稳定性的影响因素分类

2.2 各因素的影响规律

(1)基坑开挖深度

黄建凌等分别以沪宁高铁并行京沪铁路DK80+835～935 段、DK95+650 处、DK91 ～DK93 段帮宽工程为依托,通过现场测试和数值模拟方法探究基坑开挖深度对运营铁路帮宽变形和稳定性的影响,影响规律如图5～图6 所示[9-11]。

图5 基坑开挖深度对运营铁路坡脚水平变形的影响

图6 基坑开挖深度对运营铁路稳定性的影响

由图5 可知,随着基坑开挖深度的增大,运营铁路坡脚的水平位移增大,这与罗锟以沪宁城际铁路交叉沪宁铁路帮宽工程所得出的影响规律一致[12]。但由于帮宽工程所在区域地层条件、环境因素等的不同,不同研究者得到的坡脚位移值均不相同。

由图6 可知,随着基坑开挖深度的增大,运营铁路的稳定性降低,并且降低幅度十分显著,因此基坑开挖施工是运营线帮宽施工过程中的最危险阶段。

(2)桩基施工

吕阳采用数值模拟软件ABAQUS 分析桩土摩擦系数、既有桩体模量和新建桩体模量对运营铁路路基沉降的影响,影响规律如图7、图8 所示[13]。

图7 桩土摩擦系数对运营路基沉降的影响

图8 桩体模量对运营路基沉降的影响

由图7 可知,随着桩土摩擦系数的增大,运营铁路路基的沉降值减小,呈现出非线性负相关关系,桩土摩擦系数小于0.25 时,影响敏感性较大;桩土摩擦系数超过0.25 时,影响敏感性较小。整体上,桩土摩擦系数对运营铁路路基沉降值的影响程度较小。

由图8 可知,运营铁路路基沉降随着桩体模量的增加呈现出非线性减小,并且新建桩体模量的影响程度在整体上较小,而既有桩体模量的影响程度十分显著。当桩体模量小于2 000 MPa 时,桩体模量对运营铁路路基沉降的影响敏感性很大,桩体模量大于2 000 MPa 以后,敏感性较小。

李帆等以新建鲁南高速铁路并行引入京沪铁路曲阜东站帮宽工程为依托,采用数值模拟软件ABAQUS分别研究隔离桩施工参数对运营铁路附加沉降的影响,影响规律如图9 所示[14]。

图9 隔离桩施工参数对运营铁路路基附加沉降的影响

由图9 可知,随着桩长、桩径、桩排数量的增大,运营铁路路基的附加沉降减小,呈现出非线性负相关关系;随着桩间距的增大,运营铁路路基的附加沉降增大,呈现出非线性正相关关系,在影响程度上,桩排数量＞桩间距和桩长＞桩径。

杨生等利用FLAC3D数值模拟软件研究隔离桩排数对路基顶面水平位移的影响,影响规律如图10所示[15]。

图10 桩排数量对运营铁路路基顶面水平位移的影响

由图10 可知,随着隔离桩桩排数的增加,运营铁路路基顶面的水平位移减小,且减小的幅度越来越大。

(3)路基填筑尺寸

张燕以弃土并行堆填沪昆南新环线帮宽工程为依托,采用GeoStudio 软件和理正软件分析堆载高度、堆载间距对运营铁路轨顶变形和路基稳定性的影响,影响规律如图11、图12 所示[16]。

图11 堆填高度对运营铁路轨顶变形的影响

图12 堆填高度对运营铁路路基稳定性的影响

由图11 可知,随着堆填高度的增加,运营铁路轨顶的水平位移和竖向位移均增大,呈现出线性正相关关系,且影响程度较大;随着堆填荷载与运营铁路路基间距的增大,运营铁路轨顶的水平和竖向位移均减小,呈现出负相关关系。

由图12 可知,随着堆填高度的增大,运营铁路路基最小稳定性系数减小,呈现出负相关关系,并且影响程度显著。

周川滨以某新建高铁引入既有高铁站帮宽工程为依托,采用数值分析方法研究帮填宽高比对运营铁路路基面附加沉降的影响,影响规律如图13 所示[17]。

图13 帮宽路基宽高比对运营铁路路基附加沉降的影响

由图13 可知,运营铁路路基的附加变形与帮填路基宽高比近似呈线性正相关关系,随着帮填路基宽高比的增大,运营铁路路基附加沉降增大,且影响显著。

综合以上,说明帮填路基尺寸、与既有线间距对运营铁路路基变形、稳定性以及轨道结构平顺性影响较大。

(4)路基填料性质

张红等以鲁南高铁曲阜东站联络线引入京沪高铁帮宽工程为依托,采用数值模拟分析了帮填路基重度对运营铁路中心顶面附加沉降的影响,影响规律如图14 所示[18]。

图14 帮填路基重度对运营铁路中心顶面附加沉降的影响

由图14 可知,随着帮填路基填料重度的增加,运营铁路路基中心顶面的附加沉降增大,呈现出正相关关系。

李克甲依托中兰铁路接入中川城际铁路对称帮宽工程,采用ABAQUS 数值模拟软件研究路基帮填填料强度和刚度对运营铁路路基变形的影响,发现越靠近帮填位置,强度和刚度对运营路基变形的影响越明显,影响规律如图15 所示[19]。

图15 帮填路基填料刚度对运营路基顶面变形的影响

由图15 可知,运营路基顶面的变形位移与帮填路基平均模量间呈现出负相关关系,随着平均模量的增大而减小,影响程度较小,且越靠近帮填路基位置,帮填路基填料刚度对运营路基变形的影响越明显。帮填路基填料强度指标黏聚力和内摩擦角对运营铁路路基顶面变形的影响规律和帮填路基填料刚度的影响规律类似,不过在影响程度大小上,强度＞内摩擦角＞黏聚力。

(5)台阶开挖尺寸

李克甲研究台阶开挖坡率为1 ∶1.5 时,台阶开挖宽度/高度对运营路基变形的影响规律如图16 所示[19]。刘源浩依托邯济至胶济段运营铁路帮宽工程,采用数值模拟ABAQUS 分析出台阶开挖坡率在1 ∶1.25～1 ∶1.5 之间时,对运营铁路路基顶面变形的影响较小,台阶开挖合理高度为0.8～1.0 m,合理宽度为1.0～1.5 m。

图16 台阶开挖宽度对运营铁路路基顶面变形的影响

由图16 可知,在台阶开挖坡率一定的情况下,运营铁路路基顶面的变形与台阶开挖宽度呈现出正相关关系,随着台阶开挖宽度的增大而增大,但影响程度较小,并且台阶宽度为0.6～1.5 m 的增长幅度小于台阶宽度为1.5～2.1 m,说明最佳台阶开挖宽度为0.6 ～1.5 m,刘源浩得出的合理开挖尺寸就位于该区间[20]。

(6)加筋层铺设参数

李克甲研究了土工格栅铺设对运营铁路路基顶面变形的影响,发现在加筋材料性质参数相同的条件下,加筋层铺设位置对运营铁路变形的控制效果从大到小为:基床表层＞基床底层以下＞基床底层。运营铁路路基的顶面变形与加筋层铺设层数、模量和长度间呈负相关关系,即随着加筋层铺设层数、模量和长度的增加,运营铁路路基顶面的水平位移和沉降值减小,变化规律类似于图15。运营铁路路基的顶面变形与加筋层铺设间距呈正相关关系,即随着加筋层铺设间距的增大,运营铁路路基顶面的水平位移和沉降值增大,变化规律类似于图16。总体上,加筋层铺设层数、模量、长度和间距对运营铁路路基变形的影响程度均很小。

(7)环境因素

左珅研究了降雨对运营铁路路基坡脚水平位移和稳定性的影响,影响规律如图17 所示。

图17 降雨对运营路基坡脚水平位移和稳定性的影响

由图17 可知,降雨使运营铁路路基坡脚的水平位移和稳定性急剧降低,影响非常显著,因此运营铁路帮宽工程施工之前,应建立完善健全的防排水系统;其次施工过程中要紧密关注天气预报,避免在雨天进行帮宽施工;最后要做好降雨期间路基安全的防控措施和应急预案。

(8)列车荷载因素的影响

Georgy Lazorenko 等采用PLAXIS 2D 数值模拟软件分析列车荷载对运营路基变形和稳定性的影响,影响规律如图18、图19 所示[21]。

图18 列车荷载对运营路基稳定性的影响

图19 列车荷载对运营路基路肩沉降的影响

由图18、图19 可知,随着列车荷载的增加,运营路基的稳定性下降,呈现出负相关关系,运营路基路肩沉降值增大,呈现出正相关关系。由此可见,运营铁路帮宽施工时对列车的安全运行存在很大威胁。

3 帮宽下运营铁路安全性评估方法

目前,运营铁路的安全性评估方法复杂多样,呈现出“百花齐放”的现状,以评估对象、方法、指标的不同,组合出现了各种各样的评估方法。按照评估对象→评估方法→评估指标的顺序,归纳帮宽下运营铁路的安全性评估方法,如图20 所示。

图20 帮宽下运营铁路安全性评估方法

(1)稳定系数法

稳定系数法是指通过某方法计算出运营路基在某状态下的稳定系数,将其与规范阈值进行比较,以此来确定运营路基稳定状态的方法。该方法对运营路基稳定状态的确定具有不确定性,如刘维正在帮宽工程中发现,稳定系数大于1 的运营路基发生了垮塌,而小于1 的却未发生垮塌。相关规范要求的运营路基稳定阈值是1.15,不稳定阈值是1.0,1.0 ～1.15 为欠稳定状态。

(2)变形累计量法与速率法

变形累计量法是指将现场监测、理论计算或数值模拟等方法得出的运营路基累计变形量与设计阈值进行比较,以此来确定运营路基变形程度的方法。该方法无法反映运营路基变形的快慢,且理论和数值计算结果有时与现场实测值出入较大,易造成评估结果的失真[22]。

速率法定义为单位时间内的累计变形量,可反映出运营路基变形速率的快慢。速率法和变形累计量法的水平变形阈值及分级如图21 所示[23]。

图21 速率法和变形累积量法的水平变形阈值及分级

(3)差异变形量法

差异变形量法是指通过理论计算、数值计算或现场实测得到运营路基或运营轨道相邻两测点的差异变形量,将其与确定的预警值进行对比,以此对运营铁路安全性进行预警评估的方法,该方法无法反映出运营铁路的变形协调程度。运营铁路基于差异变形法的预警阈值和分级如图22 所示[24-26]。

(4)评分法和标准差法

评分法是指将轨检车测得的轨道高低、水平、轨向、轨距及三角坑等轨道平顺性指标参数进行扣分,根据扣分值大小对轨道平顺性进行评估的方法。但只能评估轨道局部区域,无法反映轨道不平顺的变化率、超限长度与周期性连续不平顺。

标准差法(TQI值法)是对轨检车测得的轨道平顺性指标参数以200 m 为一个区段进行标准差计算,进而根据标准差对区段轨道质量进行评估的方法。

标准差法和评分法常常被结合使用来评估区段与局部轨道质量状态。帮宽时运营铁路轨道质量指数标准值如表2 所示[27]。

表2 帮宽时运营铁路轨道质量指数标准值

(5)强度法

强度法指将拟静力法、数值计算法等得到的基床表层、基床底层、路基本体的动总应力减去40 kPa 后,按照线性内插的方法转化成沿路基深度变化的K30标准,然后将其与路基不同深度处的实测K30值进行比较,以此来判定运营路基强度是否满足列车通行条件的方法[28]。该方法考虑了列车通行时的动力放大效应,可确定出运营铁路帮宽时的列车通行条件。强度法思路如图23 所示。

图23 运营铁路服役状态的强度评估法示意

(6)动力响应指标法

针对稳定系数法评估结果的不确定性,左珅提出动力响应指标法[29],是指以运营路基稳定性为评估对象,以反映路基稳定性能的振动位移、振动加速度等参数为评估指标,再将现场试验获得的动力响应指标大小与数值计算获得的路基稳定状态阈值进行比较,以此实现帮宽施工期间对运营路基稳定性评估的方法。该方法属于综合评估指标的动力法,可实现基坑开挖、桩基施工和路基填筑全过程的动力评估,具有一定的优越性。帮宽时运营路基稳定评估的动力指标阈值如表3 所示。

表3 帮宽时运营路基稳定评估的动力指标阈值

(7)灰色聚类法

以上方法的评估对象都是单一的,针对运营路基变形小却发生滑塌、变形大却未发生滑塌的现象,以上方法不能很好进行评估,为此左珅提出灰色聚类法。该方法是将不同施工期间的现场实测和理论计算TQI值、振动水平位移、振动加速度、路基稳定系数值和振动垂向位移值换算为百分制评分值, 形成样本矩阵,然后以评价标准等级划分表为依据建立白化指标函数,求取各灰类权值,最后求取灰色聚类系数与灰色聚类矩阵,以灰聚类系数的最大值作为评判标准,进而对运营铁路安全性作出评估。

(8)总体风险值法

灰色聚类法虽然综合标准差法、动力响应指标法和稳定系数法的评估指标,对帮宽时运营路基的变形和稳定性进行了评估,但其无法反映运营铁路帮宽工程的整体风险,为此廖进星将总体风险值法引入到运营路基安全性的评估中[30],该方法以地质环境条件、帮宽工程设计、组织、施工全过程及运营路基状态等为评估指标,把帮宽路基风险划分为5 个等级,将计算得到的总体风险值R与帮宽路基风险阈值进行比较,进而对帮宽路基的风险等级作出评估。帮宽路基总体风险分级阈值如表4 所示。