薛洪卫 梁 磊 冯同同

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

随着我国高速铁路和城市轨道交通建设的大规模发展，铁路与轨道交通交叉越发频繁，二者之间的相互防护成为城市内铁路及轨道交通工程建设的重点。对于小角度跨越，常规设计一般采用大跨结构，外加钢板桩或者打拔钢轨桩进行既有工程的防护[1-2]。此类设计具有结构跨度大、施工周期长、防护要求高、经济性差等缺点，迫切需要考虑其他结构设计方式。“刚构+钻孔桩”结构形式可有效降低跨越结构跨度及结构高度，减少施工周期，降低防护结构造价。以下结合京张高铁动车所上跨既有轨道交通13号线的跨越点设计，探讨防护刚架这一结构形式的可行性及安全性。

1 工程概况

京张高铁北京北动车所线路轨道上跨既有北京市轨道交通13号线地铁框架结构，其中，既有轨道交通13号线西二旗站-龙泽站区间轨道交通线路平面为直线-缓和曲线-圆曲线，圆曲线半径为400 m。区间结构顶覆土厚度为2～3 m，线间距为4.3 m。区间断面为明挖矩形框架结构[3]。

京张高铁主要技术标准如下(跨越处)。

(1)速度目标值：60 km/h。

(2)轨道形式：有砟轨道，无缝线路，50 kg/m钢轨。

(3)设计活载：CRH3车型空车荷载。

(4)设计使用年限：正常使用条件下梁体结构设计使用年限为100年。

(5)地震烈度：桥址区地震动峰值加速度为0.20g(相当于地震基本烈度Ⅷ度)，场地类别为Ⅲ类。地震动反应谱特征周期为0.45 s。

2 防护设计概述

为保证既有轨道交通的安全，动车所采用采用“刚构+钻孔桩”的结构形式。本工点防护刚构接既有京包线防护框架，采用异形刚构[4-5]。每个刚构体系独立构成防护模块，沿轨道交通13号线保护框架外侧共设25个防护刚构模块及1个异形刚构模块，每个刚构模块之间设置沉降缝。

新建防护刚构与既有13号线平面关系及防护刚架典型断面见图1、图2。

3 防护刚架设计分析

本工点直、曲线段采用跨度16 m刚构进行防护，刚构宽9.9 m，基础采用3根1.25 m钻孔桩，桩长29 m。曲线段刚构扇形布置，曲线外侧加宽[6-9]。泵房处采用跨度20.85 m刚构进行防护，刚构宽度13.2 m，基础采用4-φ1.25 m钻孔桩，桩长29 m。防护刚构采用现浇施工。直、曲线段刚构跨度分别为16 m、20.85 m，刚构宽度分别为9.9 m、13.2 m，结构参数见表1。

表1 防护刚构结构参数

3.1 计算方法及模型

(1)选取不同跨度结构，建立空间模型，利用Midas程序进行全桥结构内力计算。

(2)利用刚度模拟的方法对桥梁基础进行模拟。

采用Midas程序按板单元进行模拟计算，共划分板单元474个。采用承台底桩基模拟点弹性约束，桩基础采用m法进行计算(m为桩侧地基土水平抗力系数的比例系数)，通过分析比较m=2 000、m=5 000、m=45 000弹性约束条件下模型内力[10-11]，再通过模型计算结果提取内力，采用内力结果对梁、墩进行配筋计算，模型如图3所示。

图3 防护刚构midas模型节点单元

(3)荷载组合

分别以主力、主力+附加力、“主+特”进行组合，取最不利组合进行设计。并对特殊荷载进行检算。

3.2 分析计算结果及配筋

利用MIDAS模型进行结构受力分析计算，经计算，得“主+附”为结构设计控制工况，该工况下顶板弯矩如图4所示。

图4 主加附工况下防护刚构顶板弯矩

结合控制工况，进行结构各截面优化设计及配筋设计[12-14]，主要配筋结果如表2所示。

表2 防护刚构结构主加附工况配筋检算

3.3 刚构横梁挠度检算

在防护刚构上铺设京张高铁轨道交通结构，经检算，在多线静活载工况下，防护刚构结构横梁变形挠度符合规范要求(见表3)[15-17]。

为更好与动车所内股线顺接，线位均位于动车所内，空车速度小于60 km/h，在防护刚架与场坪间设置整平块，以保证刚架结构与场坪股道的顺接，满足轨道变形要求。

表3 防护刚构跨中挠度检算结果

3.4 桩基检算

采用B89程序进行桩基受力及配筋计算，经计算，桩基桩长由主力工况控制，桩基配筋由“主+震”工况控制。全部刚构桩基布置及桩基受力检算结果如表4。

表4 防护刚构桩基布置及桩基受力检算结果

通过比选计算，对于单排桩，存在弯矩较大、桩基配筋较多等状况；同时，顶板刚度对桩基配筋影响较大，需反复比选，对二者刚度予以优化匹配。

4 专项安全评估分析

4.1 评估模型建立

根据新建京张高铁动车所防护刚构与轨道交通13号线相对位置关系及影响范围，选取本次评估的范围为沿既有地铁线路纵向方向320 m，线路横向120 m，土层厚度35 m。评估范围示意和模型示意如图5、图6所示。

图5 评估范围示意

图6 结构模型示意

4.2 评估方法及工序模拟

考虑本次防护刚构施工引起的地铁线路结构上浮与地层关系密切，故采用地层-结构模型进行变形分析。采用ANSYS软件，模拟新建京张高铁动车所防护刚构的施工过程对轨道交通13号线西二旗站-龙泽站区间结构及轨道的安全性影响，提供既有结构的变形分析结果，评估轨道交通13号线结构和轨道结构的安全性[18-20]。

根据施工方案，模型开挖分为以下几个阶段，包括基础施工、承台施工、刚构施工等，由于现场施工范围较大，可能多段同时施工，考虑到不同段对地铁施工影响类似，故按最不利工况考虑，模拟具体阶段见表5。

表5 施工模拟工序说明

4.3 评估结果及基本结论

新建京张高铁动车所防护刚构施工会引起临近既有地铁区间结构及附近地表产生一定程度的附加变形和差异沉降，为了评价工程施工对既有地铁区间结构的影响，应对变形进行预测分析。

新建京张高铁动车所防护刚构的施工过程对既有轨道交通13号线区间隧道结构及地表产生一定程度的附加变形，为有效了解这种附加变形，将分析各工序下区间隧道结构的横向变形和竖向变形。为了反映既有结构的变形情况及规律，将提取各阶段施工完成后既有结构的变形云图，以分析既有结构的变形规律。

由ANSYS模型的计算结果可知，既有13号线区间隧道的横向变形最大值为0.090 mm，发生曲线部分主体结构侧墙(偏向曲线外侧)；竖向变形最大值为1.614 mm，最大竖向变形发生在打桩工序，曲线部分主体结构顶部。最大竖向变形云图及变形量见图7～图10及表6。

图10 施工模拟阶段4竖向变形

表6 轨道交通13号线区间隧道结构变形结果

根据三维有限元分析计算，通过13号线区间隧道结构底部两个典型截面的变形趋势来分析轨道结构变形，结果表明，新建京张高铁动车所防护刚构工程引起既有轨道交通13号线区间地铁轨道结构产生一定的变形，轨道交通13号线轨道结构最大竖向变形值为1.444 mm(下沉)。

通过建立三维地层-结构模型，对既有轨道交通13号线隧道结构及轨道结构进行变形计算分析可以看出，由于新建京张高铁动车所防护刚构的施工，既有轨道结构产生了一定程度的竖向变形和横向变形。根据计算所得施工引起的既有地铁结构预测变形值以及变形云图进行分析可以得出如下结论：本项目风险点评级为一级，总体影响较大，应采取一定的轨道防护措施和监测措施，以确保地铁列车安全运行；区间隧道结构本身承载力相对于计算沉降值仍有较大富余，故该工程安全。

5 结论

京张高铁北京北动车所上跨轨道交通13号线工程为京张高铁市内重要节点，此处为多线小角度跨越，结构纵横向跨度要求高，采用“防护刚构+钻孔桩”的防护结构形式，可有效发挥刚构结构桥跨越能力强、整体刚度大、结构稳定性、动力性能好、建筑高度低等优点，可有效解决动车所多线上跨既有轨道交通的安全问题，为此后同类工程提供设计参考。