L型墙对邻近铁路沉降影响分析方法对比研究★

王亚飞,李慈航

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

1 概述

随着我国铁路建设的迅速发展，路网交汇与不断加密使新建线与既有线交叉、并行等邻近营业线施工的情况越来越多[1]。相应的，新建铁路路基施工和运营期间产生的荷载可能会改变既有线路基的应力和变形分布，造成既有线路基沉降变形和轨道静态几何不平顺，给既有线的运营品质带来不利影响。

目前，国内诸多学者针对新建铁路路基施工对既有线路基应力、变形影响问题进行了大量研究，通过解析法和数值模拟的方法对比分析了不同类型路基帮宽结构对邻近既有铁路路基的沉降影响，相应的通过现场工程实践对新建铁路施工和运营期间邻近既有铁路路基的沉降进行了监测，一定程度上对理论分析和数值模拟结果进行了验证。

刘源浩等[2]通过构建既有线动静荷载作用下路基帮宽施工模型，建立了5种不同工况条件下路基施工帮填方案，研究结果表明：路基帮宽施工时,其水平位移主要集中在新填路基坡脚处以及旧路基的路基面层，附加竖向位移主要集中在新旧路基结合的底部，且旧路基的竖向位移较小。张红等[3]通过建立路基三维数值模型研究了新建线不同路基填料对既有路基的附加沉降影响，结果表明采用轻质混凝土进行填筑相较于采用A，B组填料，附加沉降可减少60%～70%。梁伟[4]利用ABAQUS有限元软件对既有线地基沉降变形机理进行了研究，认为采用两线间设置隔离桩方案可以减小既有线沉降的1/3左右，但是随着两线坡脚的靠近，其对既有线沉降控制能力逐渐减弱。胡润乾[5]运用有限元软件Midas GTS-NX模拟路基填筑普通填料和轻质混凝土情况下旋喷桩、钢管微型桩的加固效果。结合施工技术的合理性，最后确定该工程条件下“钢管微型桩+轻质混凝土”更为合适。韩健[6]在软土地区路基帮宽地段采用了桩基+托梁+U形结构加固措施，实践表明，可以有效控制路基工后沉降，减小施工及运营期间对既有线的影响。

本文以某新建高速铁路引入既有高铁车站为工程实例，采用沉降影响解析法和数值模拟软件Midas GTS研究了桩基L型墙对邻近既有高铁车站路基沉降的影响。

2 工程概况

2.1 设计概况

新建高速铁路接轨既有高铁站原设计为2台4线规模，Ⅰ，Ⅱ，3，4股道均为无砟轨道路基，新建铁路引入既有高铁站5/6道，5，6股道均为有砟轨道路基。其中6股道已在前期同步实施完成线下工程(部分路基宽度不足处进行帮宽)，本次新建工程主要为5股道线下及5/6股道线上铺轨工程。

场址区为黄河冲积平原深厚第四系中等偏低压缩性土地基，既有路基填高约6 m～8 m。根据新建路基与既有路基的相对位置关系、路基填高、地基加固及地层情况，选取了代表性最不利断面K444+305进行帮宽路基沉降影响研究。

既有高铁站路基填高约6.6 m，边坡坡率1∶1.5。正线基床表层填料采用厚0.4 m级配碎石填筑，基床底层采用A,B组填料厚2.3 m，路堤本体为改良土。地基加固采用预应力管桩桩网结构加固，桩径0.4 m，正方形布置，桩长28 m，桩间距2.2 m，并采用堆载预压处理。右侧6股道坡脚基底采用CFG桩加固，桩径0.5 m，桩长为24.5 m，桩间距1.9 m，正三角形布置。

路基左侧为新建高铁引入既有高铁站到发线5股道路基接长(范围K444+277～K444+342，段落长度65 m)。基床表层填料采用0.6 m厚砾石类、碎石类中A组填料(砂类土除外)，基床底层采用1.9 m厚砾石类、碎石类中A,B组填料。临既有线一侧采用L型扶壁墙收坡，L型扶壁墙采用C40钢筋混凝土结构，墙厚1 m，底板厚1 m；基底采用钻孔桩加固，桩径1 m，桩长35 m，桩间距4 m，正方形布置。新建路基左外侧坡脚采用3排旋喷桩加强稳定性。

2.2 工程地质概况

表1 路堤填料及地层土工参数表

3 解析法计算原理及结果

3.1 计算原理

针对上述断面，新建铁路桩基L型挡墙收坡后对既有铁路路基本体应力分布无影响，因而仅考虑附加荷载对地基变形的影响。根据TB 10106—2010铁路工程地基处理技术规程及经典沉降计算解析理论，刚性桩桩网、桩板结构等地基可采用L/3法验算地基总沉降。地基应力采用Boussinesq法，地基沉降采用分层总和法。

3.2 计算结果

根据TB 10035—2018铁路特殊路基设计规范3.2.6节规定，软土、松软土地基压缩层计算深度应按附加应力等于0.1倍自重应力确定，沉降计算深度为48 m。

填筑完成及列车运营工况条件下新建路基对既有车站路基的沉降影响见表2。

表2 断面沉降影响计算值

4 数值模拟计算模型及结果

4.1 计算模型

由于解析法沉降影响计算无法考虑地基不同加固区的桩型和桩长差异性，计算存在一定的误差。本文采用Midas GTS软件建立新建桩基L型墙路基与临近既有路基的三维数值模型，采用数值仿真方法，进一步模拟新建路基对既有路基的影响。

地层、路基采用摩尔-库仑本构模型，地基处理桩采用梁单元进行模拟，取线弹性模型。施加荷载为列车静荷载，新建铁路荷载分布宽度为3.4 m，荷载强度为67.81 kPa；预压荷载同样换算为荷载土柱进行施加，根据不同预压高度得到对应的荷载强度。综合考虑到数值模拟的尺寸效应，有限元模型长为131 m，高45 m，最下层为硬塑粉质黏土层。新建高速铁路L型墙路基高度约为6.6 m。模型网格主要采用四边形和少量三角形剖分。共剖分单元11 126个，节点10 201个。

4.2 计算工况

数值模拟严格按照施工的先后顺序，采用分步计算的方式：1)初始地应力计算：激活各原始地层的信息，加入边界条件和重力，计算结束后位移清零。2)既有高铁站路基填筑：激活既有高铁站路基单元，并将位移清零。3)旋喷桩、钻孔桩地基加固：在地层中加入桩单元。4)新建L型墙及上部路基填筑：激活L型墙及上部路基单元。5)列车运营荷载：激活新建高速铁路列车运营荷载。

4.3 计算结果

经数值模拟计算，得到断面K444+305新建高铁L型墙路基填筑工况、列车运营工况下既有高铁车站路基表面的沉降值，如表3所示。

表3 各股道有限元计算沉降影响值

断面K444+305 L型墙路基填筑工况下，既有无砟轨道Ⅰ，Ⅱ，3，4股道沉降变形分别为2.2 mm，1.5 mm，3.3 mm，0.7 mm；列车运营工况下，既有无砟轨道Ⅰ，Ⅱ，3，4股道沉降变形分别为2.3 mm，1.6 mm，3.5 mm，0.7 mm。可以看出，新建高速铁路路基采用桩基L型墙的形式，对临近既有铁路路基的影响主要出现在L型墙路基填筑过程中，通车运营后对既有线路基的影响较小。同时，结合数值模拟结果中路基本体竖向位移云图可以发现，L型墙路基对既有线路基沉降的影响范围分布在既有线路基坡脚到Ⅱ，4股道之间的范围，越靠近路基坡脚，产生的影响相对越大。

5 结果分析

针对解析法和数值模拟两种不同的计算方法，将计算结果进行对比，代表性断面在不同工况下，各股道的沉降影响统计结果见表4。对比同种工况下Midas/GTS计算结果和解析法计算结果可以看出，既有路基沉降规律是大体一致的，3股道→Ⅰ股道→Ⅱ股道→4股道竖向沉降值逐渐减小，沉降最大值均出现在3股道位置处。L型墙路基填筑工况下，Midas/GTS计算结果最大值为3.3 mm，解析法计算结果最大值为2.46 mm；运营工况下Midas/GTS计算结果最大值为3.5 mm，解析法计算结果最大值为2.75 mm。

表4 各股道的沉降影响统计结果

6 结语

本文以某新建高速铁路引入既有高铁车站为例，采用解析法和数值模拟方法研究了桩基L型墙对邻近既有高铁车站路基沉降的影响。对比分析了两种不同计算方法下新建铁路桩基L型墙路基在填筑阶段和运营阶段对临近既有高铁站路基沉降的影响和分布规律,得出如下主要结论：

1)两种不同的计算方案得到路基沉降分布规律和最大影响位置是一致的，总体上两种不同的计算方法都是合理可行的。2)采用数值分析方法和解析法得到的既有路基沉降趋势均表现为：距离L挡墙路基越远，受沉降影响越小；与Midas/GTS计算方法相比，解析法计算得到的既有路基沉降值较小，约为Midas/GTS计算结果的75%，但是其计算得到的沉降影响范围要大于Midas/GTS计算结果。从工程角度考虑，采用Midas/GTS计算结果对运营安全管理更加有利。3)两种不同的计算方案得到路基沉降均满足《铁路路基设计规范(极限状态法)》的路基沉降容许偏差管理值要求，表明采用桩基L型墙路基方案在减小地基沉降和消除路基放坡对既有路基附加荷载影响等方面具有明显的效果。