朱兴运

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

随着我国高速铁路的快速发展，截至2019年，中国高铁运营总里程已经达35 000 km。近年来，国家大力推进京津冀一体化、长三角经济区的建设，依托既有京沪高铁、沪杭客专、京石客专、石济客专等将建设大量高速铁路，在此过程中，难以避免发生大量邻近既有线施工[1]。研究如何降低新建铁路对既有铁路沉降变形的影响具有重要意义。

针对新建铁路对既有铁路路基沉降变形的影响，已有多位学者进行相关研究[2-5]。以下基于前人的研究成果，依托某项目，采用数值分析方法对比分析按比例放坡与设置挡墙提前收坡、正常填土与换填轻质土对既有线竖向沉降和水平变形的影响。

2 工程概况

某既有铁路站台规模为两台四线，无砟轨道，平均填高7.5 m，地基处理采用“CFG桩+桩网”结构形式，桩径0.5 m，桩长19～23 m，正方形布置，桩间距1.6～2.0 m。新建线与既有线正线间距为39.5 m，其规模也为两台四线，无砟轨道，地基处理采用“螺杆桩+桩网”结构形式，桩径0.4 m，正方形布置，桩间距2.2 m，桩长与既有站对应里程CFG桩长保持一致。

该地区地质钻探结果揭示，该地区地层以粉质黏土和粉土为主，承载力范围为140～180 kPa；中间夹杂多层粉砂、中粗砂，承载力为90～550 kPa，地下水埋深27～32.8 m。

2.1 断面数据

选用DK247+687.92、DK247+830、DK248+453.64处3个横断面进行数值分析，这3个横断面分别处于咽喉区、站台区以及正线并行段落(见图1)。其中，DK247+687.92处新建路基与既有线路基坡脚发生搭接；DK247+830处新建线与既有线共路基面，为最不利断面。

图1 断面位置示意

2.2 土层及材料参数

本次计算断面的地层参数见表1。

表1 土层参数

桩基的侧摩阻力系数按照公式tan(φ×0.65)取平均值，二维模型采用桩基的弹性模量按照等抗压刚度进行折减。路堤填筑所需材料及桩基材料参数见表2。高铁无砟轨道荷载分布宽度为3.1 m，轨道荷载13.7 kPa，列车普通荷载40.4 kPa，列车特种荷载50.4 kPa[6]。

表2 路基本体及桩基材料参数

3 数值模拟

李阳提出，在计算路基沉降时，采用二维模型精度较高[7]，故利用二维模型进行模拟。其中，弹性模量的取值将直接影响数值模拟的计算结果，通过对DK248+453.64断面的理论计算结果与数值模拟结果进行对比，通过反分析方法获得较准确的土体弹性模量参数[8]。

3.1 确定弹性模量

依据建筑桩基设计规范等，本工程桩中心距不大于6倍桩径，采用等效作用分层总和法[9-12]，理论计算公式为

(1)

(2)

其中，nb为短边布桩数；C0、C1、C2为群桩基础计算等效沉降系数时对应的系数。

在相同断面利用数值模拟方法，分别采用3倍压缩模量及6倍压缩模量模拟基底位置的竖向位移，位移云图见图2、图3。

图2 路基竖向位移场(3倍压缩模量)

图3 路基竖向位移场(6倍压缩模量)

沉降对计算结果见表3，由表3可知，在进行数值模拟时，采用6倍于压缩模量作为弹性模量参数，其计算结果偏差较小，仅为6.4%。故本次模拟地层弹性模量的最终取值为压缩模量的6倍。

表3 沉降计算结果对比

采用理论计算的值与数值模拟的值进行对比的方法可以相对较好的对压缩模量进行取值。当需要精确预测沉降量时，建议采用实际沉降量与数值计算结果对比的方法获得模拟时使用的压缩模量。

3.2 数值分析结果

本次选取具有代表性的3个横断面分析新建线对既有线的影响，为减少模型边界效应，应保证模型横向及竖向尺寸大于新建线基底宽2.0倍[13]。

(1)DK247+687.92横断面位移云图见图4～图7。

图4 DK247+687.92断面竖向位移云图(放坡)

图5 DK247+687.92断面水平位移云图(放坡)

图6 DK247+687.92断面竖向位移云图(设挡墙)

图7 DK247+687.92断面水平位移云图(设挡墙)

路基变形计算结果见表4。

表4 DK247+687.92断面路基变形计算结果汇总

由表4可知，轻质土填料能够更好控制既有线的竖向沉降，距离新建线越近，竖向沉降越明显，在远离新建线的一侧会发生轻微隆起现象。设置挡墙相较于常规放坡方法，能够显著控制既有线的水平位移。

(2)DK247+830横断面位移云图见图8～图9。

图8 DK247+830断面竖向位移云图

图9 DK247+830断面水平位移云图

该断面为共路基面路基，新建线需要搭接在既有线护坡上。目前，常见的办法为换填轻质土，以减少既有线对既有线的影响[14]。数值计算得到的路基变形结果见表5，从分析结果可知，正常土填筑时，到发线范围内均会发生沉降，且沉降值较大；轻质土填筑时，沉降拐点发生变化，仅在既有线路肩范围内发生沉降，且明显低于正常土填筑时的沉降量，在远离新建线的一侧，轻质土隆起更高。

表5 DK247+830断面路基变形计算结果汇总

(3)DK248+453.64横断面位移云图见图10～图13。

图10 DK248+453.64断面竖向位移云图(设挡墙)

图11 DK248+453.64断面水平位移云图(设挡墙)

图12 DK248+453.64断面竖向位移云图(放坡)

图13 DK248+453.64断面水平位移云图(放坡)

路基变形计算结果见表6，由于该位置新建线与既有线之间的距离较远，故该处既有线发生的竖向位移和水平位移相对较小。挡墙方案相较于放坡方案，两者既有线路基面竖向沉降都控制在1 mm以内，但两者水平向变形控制效果差异巨大，两者既有线路基面水平向变形分别为1 mm、9 mm，设置挡墙收坡明显有助于既有线水平向变形的控制。

表6 DK248+453.64断面路基变形计算结果汇总

为了进一步验证既有线邻近新建线一侧发生沉降，而在远离新建线的一侧发生隆起的现象。模拟过程中补充增加了DK247+500、DK248+030两个断面进行分析。5个断面的竖向位移结果见图14。

图14 不同位置竖向位移数值模拟数据

由图14可知，既有线距离新建线越近，其发生的竖向变形越大，轻质土较正常填料能够更好控制竖向位移。在远离新建线的一侧，均会发生相对隆起的现象。

3.3 相对隆起现象验证

在新建线施工时，既有线远离新建线的一侧路基会发生相对隆起的现象。某客专并入某高铁时，横断面自动化监测数据见图15。由图15可知，5-34测点为远离新建线的一侧，在施工前期，该测点沉降相较于6-03测点处于相对隆起状态，与数值分析得出的规律一致；在施工后期，5-34测点发生的沉降大于6-03测点，可见在施工快结束、沉降即将稳定之前，该处由相对隆起急剧变为下沉。因此，新建线并入既有线时，应重视全周期监测既有线的沉降，依据监测结果指导施工决策[15]。当发生急剧沉降的现象时，应及时采取相应措施消除影响。

图15 某横断面监测数据

4 结论

(1)设置挡墙可以有效控制既有线水平位移，但是无法显著控制竖向位移的影响。

(2)采用轻质土时，既有线沉降影响范围更小，可以有效控制既有线的竖向位移(<2 mm)，并满足运营平顺性要求；在远离新建线的一侧，会发生轻微隆起，在实际施工过程中应予以重视。

(3)施工过程中应采取措施对既有线进行保护，并做好全生命周期的监测。当发现既有线发生明显沉降时，可采用抬高轨道板或注浆的方式抬升轨面高度，以保证既有铁路的正常运营。