刘明宇,肖　宏

(北京交通大学土木建筑工程学院,北京　100044)

随着高速铁路运营里程的增加及成网，既有线将更多的投入到货物运输中。根据调研，我国运营的既有线路基普遍没有采用级配碎石或者A组填料对基床表层结构进行强化，且C组填料较多，很多地段路基处于临界状态。随着列车轴重增加，直接导致基床表层产生基床外挤、沉降变形等病害发生，并且持续恶化，甚至路基破坏，由此也直接导致养护维修工作量显著增大。为了保持线路运营安全，在不大幅增加养护人员的情况下，最有效的方式就是对路基承载力不足和病害区段进行合理加固。

许多研究学者对既有线路基结构加固进行了深入研究，叶朝良、朱永全等探讨了既有线路基基床加固方法，针对一些常用的加固方法进行了比较分析[1]；狄宏规等结合朔黄重载铁路路基加固前后检测试验数据，对斜向高压旋喷桩技术加强既有线路基的综合效果进行了探索研究[2]；陈学喜等依托宝中铁路路基下沉病害治理工程，对斜向高压旋喷桩治理路基病害的设计方法进行了探索，研究了桩体布设形式、间距等加固参数对加固效果的影响[3]；李晓建、王连俊等运用数值分析手段对重载铁路路基挤密桩加强效果进行了研究[4]；宋绪国等还对斜向旋喷桩加固路基的设计方法进行了探讨[5]，并从水泥土桩法的施工技术、加固效果等方面进行了深入研究[6-10]，众多研究表明斜向和水平旋喷桩具有加固效果较好，不影响行车等优点，但是这些加固手段为横向加固，工程量大，成本高。随着高速铁路建设及运营，运用非开挖成孔技术和孔内旋喷技术在基床内形成纵向连续加固体被尝试采用。

本文主要针对这一路基加固新方法，采用有限元数值仿真方法，建立三维列车-轨道-加固路基动力耦合分析模型，对纵向旋喷桩加固效果进行研究分析，提出使用非开挖旋喷技术加固既有路基的有效建议和方法。

1　非开挖旋喷加固机理

非开挖旋喷加固技术是一种综合非开挖成孔技术和孔内高压喷射注浆技术的既有铁路基床加固新技术[11]。该技术首先利用非开挖成孔设备在既有铁路基床内沿线路方向钻进形成导向孔，在钻进过程中通过智能控制系统对钻进轨迹进行实时监控和纠正；在导向孔形成后，利用高压喷射注浆技术在导向孔内进行旋喷加固，在路基中形成连续纵向旋喷桩对既有铁路路基进行加固。非开挖旋喷加固施工工艺流程如图1所示。

图1　非开挖旋喷施工工艺流程

其中，非开挖成孔技术最早兴起于欧美国家，被广泛运用于地下管线铺设、更新、修复等市政工程领域。近年来，该技术凭借施工扰动小、环境污染低[12]等诸多优势，取得了巨大的发展，在许多其他国家得到日益广泛的应用[13]。利用非开挖成孔技术可以极大程度减少施工对既有线路正常运营的影响，具有良好的应用前景。

孔内旋喷成桩是整个加固过程中最重要环节之一，其原理是利用特定的旋喷钻机及其配套设备，在铁路路基基床的导向孔中利用喷嘴将浆液以一定的压力喷射出来，冲击破坏土体。当能量大、速度快的高压喷射流的动压超过土体结构强度时，土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，按一定的浆土比例和质量大小有规律的重新排列[14]，在土体与浆液充分搅拌凝固后，基床内形成具有一定强度的圆柱形固结体，即为纵向旋喷桩。合理布置的旋喷桩可以改善路基受力特性，有效提高路基承载力。旋喷桩成桩质量主要取决于注浆材料、旋喷方法以及喷射技术参数等，一般旋喷形成固结体主要由浆液主体部分、搅拌混合部分组成，固结体横断面结构如图2所示。

图2　路基中旋喷固结体横断面示意

2　列车-轨道-路基相互作用模型

2.1　计算模型

本文采用ABAQUS软件建立列车-轨道-加固路基系统的三维有限元动力分析模型，有限元模型主要包括列车模型、轨道模型、路基模型以及轮轨接触模型等四部分组成，为减少边界影响，模型全长取100 m，非开挖旋喷路基加固区在模型中间位置，加固区长50 m，如图3所示。

(1)车辆模型

车辆模型参考普通25 t轴重货车模型建立，车辆系统是由车体、转向架、轮对和一系悬挂、二系悬挂组成的多自由度振动体系。整个车辆模型按照刚体考虑，在计算中忽略车体变形，一、二系悬挂利用MPC梁单元来实现悬挂系统的刚度及阻尼特性。

图3　列车-轨道-加固路基分析模型

(2)轨道模型

轨道模型由钢轨、轨枕、道床及扣件等部分组成，模型中扣件及弹性垫板采用笛卡尔弹簧-阻尼单元模拟，该单元具有刚度和阻尼两个参数，其余部分均采用实体单元模拟。

(3)路基模型

路基包括基床表层、基床底层和路基填土层，根据《铁路路基设计规范》(TB2005—10001)中关于单线铁路路基设计要求[15]，模型中路基顶面宽7.9 m，基床表层厚0.9 m，基床底层厚1.6 m，路基填土层厚1.5 m，为保持各层间变形协调，将各层交界面视为无相对滑动，采用tie接触模拟。

(4)接触模型

整个模型中接触模型主要分为轮轨接触模型和桩土接触模型，参考翟婉明的研究成果[16]，为充分考虑车辆在运行过程中可能因为钢轨不平顺产生轮对脱空现象，轮轨接触模型中选用Hertz接触模拟，如图4所示；轮轨法向接触力可由下式计算[17]

式中，G为轮轨接触常数；R为轮轨接触点的车轮滚动半径，m；ΔZ(t)为轮轨接触点处的弹性压缩量，m。

桩土接触模型采用经典库伦摩擦模型模拟，计算中考虑桩土摩擦与相对滑移。

图4　轮轨接触模型

2.2　模型参数

根据我国铁路相关设计规范及调研成果，既有线路基普遍没有采用级配碎石或者A组填料强化基床表层结构，基床主要采用C组填料。模型中路基部分采用摩尔-库伦本构模型模拟，钢轨、轨枕等采用线弹性材料模拟，具体材料参数如表1所示。另外，参考旋喷施工实例和既有设备条件，施工过程中旋喷喷射压力为15～25 MPa，成桩直径为0.3～0.4 m[18]，故模型中旋喷桩直径取0.35 m，同时模型中考虑旋喷作用对周围土体挤密作用。

表1　材料参数

2.3　计算工况

分4种计算工况对非开挖旋喷法路基加固效果进行分析，其中工况1路基不采取加固措施；工况2和工况3分别在钢轨正下方的路基不同深度处用1排旋喷桩进行加固；工况4在钢轨正下方的路基不同深度处用2排旋喷桩进行加固，工况具体情况见表2和图5。

表2　计算工况

图5　加固桩体布置示意

3　计算结果分析

3.1　路基动应力

当25 t轴重普通货车以80 km/h通过时，各工况下基床动应力分布云图如图6～图9所示。

图6　工况1路基动应力云图

图7　工况2路基应力云图

图8　工况3路基动应力云图

图9　工况4路基动应力云图

从动应力横向分布来看，路基未加固情况下工况1，基床表层动应力最大值为76.96 kPa，动应力沿基床横断面呈现明显的马鞍形分布特征，最大动应力点出现在轨下位置，枕端及中心处动应力较小，约为钢轨下方动应力的40%。工况2及工况4在路基面以下0.9 m处采用旋喷桩对路基进行加固后，钢轨下方位置动应力明显增大，分别达到了99.21 kPa和104.2 kPa，相比路基未加固情况下(工况1)，分别增大了28.91%和35.39%，且桩体动应力远大于周围土体动应力。工况3在基床底层对应位置采用旋喷桩对路基进行加固，由于加固位置较深，所以对基床表层动应力分布影响较小。

从动应力沿基床深度方向传递来看，路基未加固情况下工况1，动应力在基床表层内衰减迅速，幅度达到了37.38%。在基床表层采用旋喷桩体加固后，动应力最大值出现在旋喷桩位置，而不是基床表层顶面上。

表3为路基加固前后动应力对比，可以看出，在路基表层采用旋喷桩加固后，使加固区域刚度变大，导致基床表层动应力均有所增大，但由于旋喷桩桩体抗压强度可达到2.0 MPa，桩体相比于路基土体抗压强度增大约200倍，而加固后桩体位置动应力仅增大了1.9倍，增加的动应力与材料强度比值有所减小，所以加固后路基结构受力有所改善。在路基底层采用旋喷桩加固也会使区域内刚度变大，但由于其加固位置较深，动应力经过沿深度方向衰减后传至加固区域时数值较小，所以对路基结构受力影响较小。

表3　不同工况下路基动应力结果对比

3.2　路基动位移

当25 t轴重普通货车以80 km/h通过时，各工况下基床动位移分布云图如图10～图13所示。

图10　工况1路基动位移云图

图11　工况2路基动位移云图

图12　工况3路基动位移云图

图13　工况4路基动位移云图

从路基动位移云图可以看出，路基未加固时，轨道-路基系统竖向动位移沿横向的分布较为平缓，位移最大值出现在钢轨下方位置。在基床表层采用旋喷桩加固后，竖向动位移减小明显，且动位移最大值位于线路中心位置。

表4为路基加固前后动位移对比，从表4可以看出，采用纵向旋喷桩加固后路基垂向变形大幅度减小。同时，对比工况2和工况3可以看出，在基床表层进行加固明显优于基床底层进行加固。其中，在基床表层加固后，路基面竖向动位移减少了41.2%，整体路基抗变形能力得到增强。

表4　不同工况下路基动位移结果对比

4　结论

(1)纵向加固是一种新的路基基床加固技术，本文充分考虑旋喷桩与土体接触作用，率先建立了精细化耦合动力分析模型，可对行车作用下，路基结构受力特性及动应力、动位移分布规律进行分析。

(2)正常情况下，动应力沿基床横截面呈马鞍形分布，在路基表层采用旋喷桩加固会改变动应力分布规律，一定程度上增大路基面动应力；在基床底层采用旋喷桩体加固对动应力影响较小。

(3)在路基中沿钢轨下方位置采用纵向旋喷桩加固可以使整体路基结构受力有所改善。在基床表层钢轨下方位置采取旋喷桩加固能使路基面竖向动位移降低41.2%，在基床底层对应位置加固竖向动位移仅降低26.6%，所以优先考虑在基床表层采用旋喷桩加固。

(4)设置多排旋喷桩可以更好加固整体路基结构，但加固效果相对于基床表层中单排桩加固效果并不明显，所以从经济性角度考虑，建议实际过程中尽量考虑在基床表层采用单排非开挖旋喷加固手段对路基结构加固。

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