周惠贤

（中国铁路兰州局集团有限公司 建设部，甘肃 兰州 730000）

0 引言

新建中兰铁路北起宁夏回族自治区中卫市，向南经白银市平川区、靖远县、白银区，继续向西经兰州新区接至既有中川线树屏线路所，正线全长219.707 km。中兰铁路引入既有中川城际铁路，需对中川城际铁路路基进行帮宽，对既有涵洞进行接长。在涵洞接长施工中，需拆除既有涵洞八字翼墙。为确保既有线行车安全，拆除“八”字翼墙前，采用人工挖孔桩对路基进行防护。由于挖孔桩在路基边坡上，距线路中心4.2 m，进一步明确人工挖孔桩施工过程中塌孔对运营安全的影响，同时明确施工过程中列车限速值，采用有限元分析方法，对人工挖孔桩周边路基土体受力和土体位移情况进行分析［1］。

1 工程概况

中兰铁路引入中川城际铁路需接长K48+438.1 处1 1-4.0 m钢筋混凝土框架涵，该涵洞位于缓和曲线及-8‰的斜坡道上，与线路正交。施工时需拆除接长侧既有涵八字翼墙及帽石再接长，新旧涵连接处做好防水层及沉降缝处理。该涵翼墙采用整体式基础，出入口涵节采用整体式基础，中间涵节无基础，做10 cm 厚C40混凝土垫层。涵洞基底铺设60 cm厚三七灰土垫层，垫层中间设置2 层土工格栅，垫层以下采用桩径0.5 m 的高压旋喷桩进行地基处理，桩穿过砂质黄土层，桩长15.0 m，桩间距1.4 m，行列式布置［2］。

为保证既有线运营安全，该涵洞基坑开挖前采用直径125 cm 挖孔桩对既有线进行防护，挖孔桩桩间距180 m，单根桩长13.0 m，沿既有路基在涵洞接长侧大、小里程侧均布置4 根，共布置8 根。挖孔桩采用15 cm厚C25 钢筋混凝土护壁。地基处理方式立面示意见图1，涵洞出口正面示意见图2，涵洞纵断面及平面示意见图3，涵洞地质情况见表1。

表1 一般岩土参数

图1 地基处理方式立面示意图

图2 涵洞出口正面示意图

图3 涵洞纵断面及平面示意图

2 有限元计算

（1）计算方法。新建工程施工过程采用有限元分析软件Midas-GTS进行模拟计算，在Midas-GTS中采用单元三维模型分析技术，有效模拟围岩土体开挖。岩土的塑性本构模型采用修正摩尔-库伦模型，该模型主要适用于单调荷载作用下颗粒状材料，在岩土工程中应用广泛。材料参数主要包含黏聚力、内摩擦角、切线和割线模量以及卸载模量等，可以参考地勘报告取值。

（2）有限元模型。有限元计算采用三维空间模型，土体、路基、钢筋混凝土框架涵、防护桩均采用实体单元模拟。为消除约束边界对计算结果的影响，计算模型范围距离主体工程40 m 以外。模型尺寸为150 m×900 m×40 m（长×宽×高），有限元模型见图4。

图4 有限元模型

（3）边界条件。边界约束条件施加在土体上，在模型底面限制竖向位移，在模型侧面限制水平方向位移。

（4）计算荷载。计算荷载主要考虑以下5种：土体自质量、路基自质量及道砟自质量、既有涵洞自质量、防护工程质量、新建工程质量。

（5）施工过程模拟。岩土工程与其他结构工程相比，计算时有些不同，周围的天然土体施工前均经过了多年沉降，施工前，土体本身存在初始应力场，计算时必须考虑土体初始地应力场的平衡，首先计算土体在自质量作用下产生初始位移，后续分析中通过减去自质量下的初始位移得到实际位移。这种方法存在一定不足，由于土体材料刚度较小，自质量作用下一般会产生较大位移，针对开挖过程涉及到单元激活和杀死，会出现位移变化不协调，容易造成计算不收敛。

Midas-GTS在计算时先根据实际工程情况计算得到重力作用下的应力场，然后将得到的应力场定义为初始应力场，和重力荷载一起施加给原始模型，可以得到既满足平衡条件又不违背屈服准则的初始应力场，可以保证各节点的初始位移近似为0。

计算通过单元应力模拟开挖的应力释放过程，计算工况根据施工工序进行单元移除与激活。

依据设计文件，新建接长涵洞工程的模拟具体施工工序见表2。

表2 施工工序

（6）有限元计算云图。中川城际铁路竣工为工程施工前的初始工况，后续各个施工工况位移云图均需要减去初始工况，以获得施工引起的附加位移值。有限元计算云图见图5—图11。

图5 中川城际铁路竣工位移云图

图6 防护桩挖孔位移云图

图7 防护桩施工位移云图

图8 拆除既有涵洞八字翼墙位移云图

图9 接长涵洞地基处理位移云图

图10 接长涵洞基坑开挖位移云图

图11 接长涵洞施工位移云图

3 有限元计算结果分析

（1）中川城际铁路路基竖向线形图（见图12）。图12 中结果均为施工引起的路基附加变形，每条曲线均代表某个施工阶段的路基线型；数值不包括路基的工后沉降，纵轴表示路基各个点的变形数值，横轴表示路基从北向南的相对距离；每个数据点之间的相对距离均为5 m；正值代表路基较开工前向上隆起，负值代表路基较开工前向下沉降。从图中数据可以看出，项目施工过程中中川城际铁路受施工影响引起路基上浮最大值为0.171 mm，下沉最大值为-5.376 mm。

图12 中川城际铁路路基竖向线形图

（2）中川城际铁路路基横向线形图（见图13）。图13 中正值代表线路向东侧变形，负值代表线路向西侧变形。从图中数据可以看出，项目施工过程中中川城际铁路受施工影响引起路基附加横向变形最大值为0.202 mm。

图13 中川城际铁路路基横向线形图

（3）中川城际铁路路基段轨道高低、轨向十米弦长不平顺值。经过数据分析，接长涵洞施工全过程中路基段轨道高低和轨向十米弦长不平顺最大值见表3。

表3 中川城际铁路轨道不平顺性最大值

4 控制标准

（1）线路不平顺控制标准依据TG/GW 102—2019《普速铁路线路修理规则》表6.2.1中关于线路轨道静态几何不平顺容许偏差管理的规定［3］。

中川城际铁路设计速度为160 km/h，采用有砟轨道形式，且为路基段跨越工程所在位置，应采用的控制标准是120 km/h

（2） 路基沉降控制标准。依据TB 10314—2021《邻近营业线施工安全检测技术规程》9.3.6中的路基沉降控制标准［4］。

有关沉降的控制标准中，此项控制标准较严格，因此，中川城际铁路的路基沉降标准参考此标准。中川城际铁路采用碎石道床，不限速运营采用的沉降累计值控制值为20～30 mm；变化速率为1.5 mm/d。

（3）结合以上相关条文，最终确定项目评估相关标准见表4。

表4 评估标准

5 结论

（1）中川城际铁路接长涵洞人工挖孔桩施工全过程中，轨道产生的最大竖向变形值为5.376 mm，轨道十米弦长高低不平顺为0.666 mm，轨道最大横向变形值为0.202 mm，轨道十米弦长轨向不平顺为0.157 mm，满足TG/GW 102—2019《普速铁路线路修理规则》6.2.1中关于轨道静态几何不平顺容许偏差标准，即满足轨道高低不平顺性6 mm，轨向不平顺性6 mm的控制标准。

（2）最大路基沉降是5.376 mm，满足GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》9.3.6 中的路基沉降控制标准，即满足路基沉降累计值为20～30 mm的控制标准［5］。

因此，中兰铁路引入中川城际铁路接长涵洞防护桩施工能满足中川城际铁路运营要求，人工挖孔桩施工过程中，列车通行该区段时可以不限速［6］。