高速铁路并站路基设计方案探讨

2018-04-16曾宪明

铁道标准设计 2018年4期

曾宪明

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京　100055)

1　概述

在高速铁路网络逐渐完善的今天，新建高速铁路不可避免地接入既有高速铁路，甚至会与既有高速铁路部分并行。高速铁路尤其是无砟轨道对路基工后沉降要求十分严格，邻近既有高速铁路进行的工程建设活动(如开挖、填筑及地基处理)会对既有高铁产生附加沉降，造成无砟轨道不均匀变形，威胁到既有高速铁路运营安全。

由于已运营无砟轨道高速铁路对线路的平顺性要求更高，其平顺性是保证列车高速、平稳、舒适运营的关键，要求十分严格[1]。常用的轨道扣件在垂向和水平方向的可调量分别为15 mm和6 mm[2]。高铁路基一旦变形超限将严重影响线路的安全运营，造成巨大的负面社会影响和经济损失。因此，如何控制既有高铁的变形，成为路基设计的关键。

目前，并行既有高铁新建设线路基一般采用填筑轻质土+桩(筏)板复合地基处理等措施，以降低新建工程荷载对既有铁路附加沉降变形的影响。如石济客专引入京沪高铁德州东站，两相邻线的最小线间距6.9 m，在两线间搭接地段宽约20 m范围路基填筑泡沫轻质土，地基采用预应力管桩加固[3]。正在设计的鲁南高铁，在曲阜市与京沪高铁曲阜东站接轨，其接轨段及并场段路基工程采用的也是填轻质土+管桩桩筏结构方案[4-5]。

但由于新建线特别是并站段工程一般临近既有线较近，大面积路基填土附加应力影响范围广、深度大，对既有线附加沉降变形不可避免；同时临近既有线地基加固施工扰动的影响也不可小视。泡沫轻质土材料长期强度稳定性也存在不确定性[6]。从经济性角度，轻质土、桩板(筏)复合地基的投资也较高，有必要进一步研究路基设计新措施。

2　工程概况

新建郑济客专正线速度目标值350 km/h，采用CRTSIII型板式无砟轨道。在河南新乡引入京广客专，并行京广客专东侧南北向引入，并于新乡东站(京广场)设郑济场[7](图1)。

图1　郑济场引入新乡东站平面布置示意

新乡东站地处黄河冲积平原，地势平坦、开阔。地表覆盖第四系Q4粉砂、粉质黏土，为厚8～12 m的松软土(a0.1～0.2=0.35～0.4)，其下是第四系Q3中密至密实的细砂层。区内沉积了巨厚的松散堆积物，构造多呈隐伏状态。沿线地震动峰值加速度为0.20g，地震烈度为Ⅷ度。地下水主要为第四系孔隙潜水，主要赋存于透水性好的粉砂、细砂、中砂等砂层中，水位埋深4.8～8.7 m。

郑济客专与京广客专相邻到发线最小线间距10.5 m(京广场7(5)股道与郑济场渡线股道)，车站新增3座站台，5条到发线，2条正线，于京广客专左侧帮宽路基83 m，车站平均填高约7.5 m。郑济场按三台八线，预留城际场按两台六线规模设计(图1)。郑济场正线为无砟轨道，其余到发线均为有砟轨道。既有京广场正线及与正线相邻的到发线均采用无砟轨道，其余到发线、站线采用有砟轨道。正线基底采用CFG桩处理，桩间距1.5 m，正方形布置；站线及站台基底采用水泥砂浆桩处理，桩间距1.5 m，正方形布置；CFG桩及砂浆桩桩长约17 m，桩顶设置碎石垫层及格栅。

3　设计方案

结合郑济高铁与京广客专并行，引入新乡东站并站的线路方案，从减载、减沉、控制荷载的侧向传递及减少施工扰动等角度出发，重点研究了路基方案及架空结构两大方案。其中路基方案提出了填筑轻质高强的轻质土+CFG桩或管桩方案(图2)；同时研究了对地基扰动小、结构刚度与整体刚度大的填筑轻质土+桩板(筏)结构方案(图3)。架空结构方案主要有框架结构及刚架结构两个方案(图4、图5)。

图2　轻质土+CFG桩或管桩方案示意

图3　轻质土+桩板(筏)方案示意

图4　框架结构方案示意

图5　刚架结构方案示意

泡沫轻质土为新材料，20世纪七八十年代日本开始将泡沫轻质土大规模应用于替代填土的工程领域。国内公路系统引进后经多年实际运用，2015年已正式纳入泡沫轻质土技术[8]。但由于泡沫轻质土费用较高，为降低投资，补充研究了减少泡沫轻质土填筑范围的加筋陡坡方案(图6、图7)。

图6　加筋陡坡+CFG桩或管桩方案示意

图7　加筋陡坡+桩板(筏)结构方案示意

4　有限元数值分析

为分析新建路基对既有高铁沉降变形的影响，分别考虑不同性质的填料及填筑范围、不同的路基设计方案，采用Plaxis有限元程序进行数值分析[9]。选择内置摩尔-库伦弹塑模型，边界取足够大范围，两侧边界限定其水平位移，底部限定其水平与竖向位移。采用二维简化，平面应变的方式进行模拟计算[10]。

4.1　不同路基填料对既有高铁路基附加沉降变形的影响

调整路基填料重度，r取6、8、12、16、20 kN/m3，从轻质土至普通填料，计算不同重度填料附加荷载下的应力影响范围、沉降变形影响区域及沉降大小，分析不同填料对既有高铁沉降变形的影响规律。有限元沉降云图见图8(为节省篇幅，仅列轻质土r=6 kN/m3及普通填料，其余略)，有限元计算结果见图9。

图8　有限元沉降云图

图9　不同路基填料荷载下既有高铁路基附加沉降

根据上述计算结果分析，路堤填料为轻质土时，路基面产生的附加沉降明显小于普通填料，沉降减小比例在30%～50%；且普通填料填筑时需分层压实，对既有线扰动较大，而填轻质土不存在碾压过程。因此，采用轻质土作为路堤填料在减沉及免扰方面优势明显。

社区矫正在降低刑罚执行成本、防止交叉感染、帮助犯罪人回归社会，降低犯罪人员的重新犯罪率、维护社会和谐稳定等方面发挥了重要作用，在完善我国非监禁刑罚执行制度方面做出了有益探索。但是，在我国广大的西部地区，社区矫正发展相对落后。下面笔者就以西宁市“康川新城”为例，展示西部社区矫正的工作现状。

4.2　轻质土填筑范围对既有高铁附加沉降变形的影响

调整轻质土填筑范围，以坡率1∶0.75斜线为分界线，从既有线坡脚开始，逐步向左侧移动，逐渐增加填轻质土范围，直至京广线7(5)股道与郑济线11股道间全填轻质土。分别计算轻质土不同填筑范围不同附加荷载下的应力影响范围、沉降变形影响区域及沉降大小，分析轻质土不同填筑范围对既有高铁沉降附加变形的影响程度。有限元计算结果见图10。

图10　轻质土不同填筑范围下既有高铁路基附加沉降

根据图10沉降曲线分析，全填轻质土时，对既有铁路的沉降影响最小。随着轻质土的填筑范围增加，既有铁路的位移不断减小。填筑区范围超过5.5 m后，对既有线路基面沉降的影响差别不大，存在减少轻质土填筑范围，控制工程造价的可能。

4.3　不同的路基设计方案对既有高铁沉降变形的影响

采用有限元软件对各设计方案分别进行附加沉降计算，有限元沉降云图见图11(为节省篇幅，仅附轻质土+CFG桩及加筋陡坡+桩筏结构，其余略)，计算结果见图12及表1。

图11　有限元计算附加沉降云图

图12　各路基结构设计方案既有线路基面附加沉降曲线

序号路基结构设计方案京广客专路基面附加沉降/mm7(5)道6(3)道渡线IV(II)道3(4)道有砟轨道无砟轨道1轻质土+CFG桩19.061.770.930.761.132轻质土+桩筏20.251.910.860.480.883轻质土+桩板18.692.591.451.050.694加筋陡坡+CFG桩243.392.061.742.115加筋陡坡+桩筏24.433.311.791.311.786加筋陡坡+桩板24.664.772.962.361.497框架结构13.71.10.30.30.68刚架结构18.43.72.72.41.8

根据工务维修一般要求，无砟轨道变形控制参数为通报、预警、报警值分别为3、4 mm和5 mm[11]。上述有限元计算结果中，除距新建线最近的7(5)股道(有砟轨道)附加沉降较大外，其余各方案对既有京广客专无砟轨道正线6(3)、渡线股道的附加沉降基本均在预警值范围内。但方案1及方案7对既有线无砟轨道附加沉降控制效果最好，对既有高铁安全运营影响最小。

5　创新设计

5.1　架空结构

5.2　加筋陡坡

利用新型土工筋材与压实填料间的摩阻力，构成土-筋复合体[15]，以平衡填料水平土压力，形成加筋土陡坡，控制普通填土侧向荷载传递，路堤稳定边坡坡率可从1∶1.5调整至1∶0.5甚至更陡，可以有效减少轻质土填筑范围，显著提高其经济性。研究提出的“加筋陡坡+桩筏结构”适用性强，较目前常用的并站路基结构形式投资省，具有明显的社会经济效益。