铁路营业线顶进框架桥两侧过渡段回填筑料的选取*

周国锋 谭生永

(中国铁路济南局集团有限公司 济南 250001)

随着互联互通需求的急剧增加，道路交通建设突飞猛进，公路、城市道路与铁路交叉越来越频繁。在条件允许的情况下，采用道路下穿铁路的立交方式是解决道路与铁路交叉问题的首选。由于下穿铁路立交桥具有与既有道路顺接方便、满足规划要求、后期运营对铁路运输安全影响小等优势，因此在既有铁路线下方顶进框架立交桥施工的形式越来越普遍。然而，由于设计、施工对顶进框架桥两侧路基过渡段重视程度不足，再加上运营过程中对该处过渡段的养护工作暂无具体要求，导致过渡段在运营期间病害较多。特别是进入汛期，经常发生顶进框架桥两侧路基过渡段下沉，影响行车，严重的甚至发生列车脱轨，造成车毁人亡的重大安全事故。而且，路基与框架桥相比，二者刚性差别较大，组成材料的性能、受力结构等方面均不相同，所以很容易会造成路基和桥台连接处的不均匀沉降，产生较大的位移差，形成台阶，发生“桥头跳车”，从而威胁铁路列车的安全行驶。

梁江泽[1]分析了朔黄铁路路桥过渡段的病害原因，其病害形成原因主要是因为在填筑施工过程中，由于压实工艺不完善造成过渡段回填筑料压实强度不均匀，未能达到规范的压实标准。并提出了道床清筛施工、旋喷桩施工、桥梁锥体整修施工等病害整治方法。当路桥过渡段回填筑料采用级配碎石时，付德利[2]通过过渡段路基填筑试验确定了路基过渡段填筑材料虚铺厚度、碾压遍数、碾压速度等各项施工参数。万迪伟[3]通过采用提升路基段刚度的方法、即使用粗颗粒材料填筑过渡段。海涛[4]根据酒泉电厂铁路专用线下穿铁路兰新线铁路立交工程提出分层回填并分层压实及过渡段区域进行注浆来提高路基的承载力及稳定性。代微微[5]梳理了路桥过渡段病害形成机理及技术处理，其中对路桥过渡段结构设计和边坡处理提出想法。刘满林等[6]采用倾斜桩和水平桩的加固处理方式来解决过渡段因为路基填料选用要求低、压实标准低、检测频率小造成的病害问题。然而，大部分解决过渡段差异沉降的方式方法都是从施工工艺、加固方式的角度上研究和处理。故对于不同过渡段的回填筑料对过渡段差异沉降的影响分析是极为必要的。

徐荣娟[7]提到使用EPS、气泡混合混凝土等轻型材料填筑可以减少填料对地基变形的影响。胡汶晗[8]研究了密度大于700 kg/m3的加筋泡沫轻质混凝土作为过渡段的回填筑料能有效减少结构的震动，并且随着加筋泡沫混凝土填料密度的提高，过渡段震动响应逐渐减小。王于等[9-10]依据翟婉明的“车辆-轨道耦合动力学”理论确定了过渡段的长度主要是受列车运行速度的控制，速度越快，过渡段长度应越长。罗强等[11]以车辆与线路的相互作用的动力学关系为基础提出了过渡段的填料及压实标准，其中就包括选取素混凝土、级配碎石及路基土分别作为过渡段回填筑料的情况。但仍未分析由于过渡段回填筑料的不同，而产生的相应静力学作用，尤其是铁路营业线顶进框架桥的情况。

综上所述，回填筑料引起过渡段差异沉降的因素为回填材料的重度、刚度及施工过程中压实程度等。本文利用有限元分析软件midas GTS NX，建立了包含铁路路基、钢轨、枕木等结构构件的铁路营业线顶进框架桥三维有限元模型，在假设施工过程中压实程度良好的情况下研究素混凝土、级配碎石、泡沫轻质混凝土3种不同的材料作为过渡段回填筑料产生的静力学作用，并分析3种不同回填筑料造成的过渡段差异沉降。

1 有限元模型及参数

1.1 定义模型

采用midas GTS NX有限元分析软件建立铁路营业线顶进框架桥三维模型，首先定义模型的方向和分析范围。

模型中X轴为顺既有铁路方向，Y轴为顶进框架桥方向即垂直既有铁路方向，Z轴为重力方向。模型分析范围参考城市轨道交通工程监测技术规范中的可能影响范围，即2～3倍的开挖深度[12-13]。为了涵盖可能影响的范围，模型尺寸设计为X轴方向取70 m，Y轴方向取70 m，Z轴方向取25 m。铁路营业线顶进框架桥的模型见图1。

图1 铁路营业线顶进框架桥计算模型分析范围

1.2 模型条件假定

本文利用有限元软件midas GTS NX进行模拟，在计算模型中假定如下。

1) 计算模型中的土体为连续均质、各向同性。

2) 钢轨、枕木、顶进框架桥、过渡段回填筑料等选用基于胡克定律的弹性本构，土体选用修正摩尔-库仑本构关系。

3) 钢轨、枕木与道砟之间设置界面单元分析。

4) 模型计算过程中不考虑地下水影响。

5) 模型计算过程中不考虑抗震作用影响。

1.3 计算模型

图2为本项目的三维计算模型，根据相关岩土资料确定土层参数见表1，钢轨、枕木、框架桥、过渡段回填筑料等参数见表2。

图2 铁路营业线顶进框架桥计算模型

表1 土层参数(修正摩尔-库仑本构)

表2 结构构件参数(弹性本构)

模型建模顺序：首先建立既有铁路线轨道及枕木等一维单元构件，然后按构件从小到大的顺序建立三维实体单元，接着设置模型边界条件并添加荷载，最后通过施工工况对模型进行模拟计算，比较分析数据结果。模型组成部分如下。

1) 一维梁单元。钢轨和枕木选用软件中的一维梁单元进行模拟，需要注意的是在建模过程中一维梁单元与三维实体单元的耦合问题，两者之间必须建立接触关系。

2) 三维实体单元。除钢轨与枕木之外的结构构件选用三维实体单元进行模拟，例如，土体、道砟、路基、框架桥及过渡段等。本模型选用六节点构成的四面体单元，此建模方法产生的位移和应力结果与实际情况较为接近。结构构件模型见图3。

图3 结构构件模型

3) 静力边界条件。静力边界条件又称为应力分析边界，通常为静力分析时所使用的人工边界条件，用于模拟周围地层对模型选取的分析区域的各个方向的约束作用。

4) 添加荷载。对整个模型设置重力荷载，在钢轨上设置铁路列车荷载、在框架桥底板上添加公路汽车荷载，其中铁轨上动载冲击凭借软件自带的计算模块，通过定义火车的速度、车厢数量、车轮距离等系数进行计算。

5) 设置施工工况。由于本模型重点分析铁路营业线顶进框架桥过渡段受不同过渡段回填筑料的静力作用影响，所以并不对整个顶进框架桥的过程进行工况分析，只对原既有状态与顶进框架后的状态进行比对。

2 工况设定

由于本项目是在既有铁路营业线下顶进框架桥，所以主要考虑顶进框架桥对既有铁路营业线造成的附加沉降的分析。并且考虑模型中土的固结的性质，故将分析工况分为土层初始应力状态、既有铁路现状、位移清零及顶进框架桥4个阶段。其中，土层初始应力状态表示土层上原始的状态即没有任何工程的阶段；既有铁路线现状阶段表示当铁路线施工完成时产生的工后沉降；位移清零是将之前工程造成的影响清零，有助于得到后续工程造成的附加影响；顶进框架桥阶段就是新建道路对既有铁路营业线造成的附加沉降，具体分析工况划分情况见表3。

表3 有限元分析工况

3 计算结果分析

3.1 不同过渡段回填筑料造成的附加沉降分析

图4为顶进框架桥时依次选用级配碎石、C25素混凝土、泡沫轻质混凝土作为过渡段回填筑料产生的过渡段区域附加沉降。

图4 不同回填筑料下过渡段附加沉降云图(单位：mm)

由图4可见，过渡段回填筑料采用泡沫混凝土时造成的过渡段区域附加沉降最小，在靠近顶进框架桥一侧的过渡段附加沉降分别为-1.504 1 mm和-1.485 3 mm，在靠近既有路基一侧的过渡段附加沉降分别为-0.523 7 mm和-0.524 6 mm。

当回填筑料采用C25混凝土和级配碎石时，靠近顶进框架桥一侧过渡段产生的附加沉降基本一致，回填筑料为C25混凝土过渡段产生的附加沉降分别为-3.055 4 mm和-3.062 1 mm，回填筑料为级配碎石过渡段产生的附加沉降分别为-3.032 9 mm和-3.041 0 mm。然而，这2种回填筑料在靠近既有路基一侧的过渡段造成的附加沉降有明显差别，采用C25混凝土比选用级配碎石在靠近既有路基侧产生的附加沉降小约64%。其中，回填筑料为C25混凝土过渡段产生的附加沉降分别为-1.242 3 mm和-1.244 3 mm，回填筑料为级配碎石过渡段产生的附加沉降分别为-1.947 2 mm和-1.942 0 mm。

通过对上述附加沉降的对比分析，可以看出不只是过渡段回填筑料的重度影响附加沉降的大小，回填筑料的弹性模量也是影响过渡段附加沉降值的重要因素。所以重度较轻且弹性模量较高的泡沫轻质混凝土就成为了过渡段回填筑料的最佳选择。

3.2 数值分析结果与现场监测结果比对

为了验证数值分析结果的有效参考性，将数值分析结果与山东某地的顶进框架桥下穿既有铁路路基的现场监测竖向变形结果进行比对。现场项目的过渡段回填材料为C25混凝土，所以本文只对铁路营业线顶进框架桥两侧过渡段回填筑料为混凝土的情况进行比对。图5中只选取了4个节点进行对比，分别是两侧过渡段靠近框架桥的2个点及靠近既有路基的2个点。

图5 数值分析附加沉降与现场监测附加沉降对比图(单位：mm)

由图5可见，在靠近既有路基的2个节点处附加沉降基本吻合。靠近既有路基的2个节点处数值分析的附加沉降为-1.242 3 mm和-1.244 3 mm，现场实际监测附加沉降结果为-1.18 mm和-1.31 mm。但是在过渡段靠近框架桥2个节点处数值模拟分析的结果与现场监测附加沉降结果存在约1倍的差距。靠近框架桥的2个节点处数值分析的附加沉降为-3.032 9 mm和-3.041 mm，现场实际监测附加沉降结果为-1.83 mm和-1.94 mm。

由图5可知，尽管两者从结果上看差距将近1倍，但不过是1.2 mm的差距。通常在实际施工过程中，施工单位会对顶进框架桥处进行地基处理及防护措施，从而造成现场监测结果小于数值分析结果。而且距离施工位置越远实际影响越小，这体现在靠近既有路基的2个节点处附加沉降基本吻合，靠近框架桥的2个节点略有差距。监测结果与数值分析的计算结果的趋势和范围能较好吻合，验证了本文数值计算模型的可靠性。基于数值解与真实解的准确性验证，有理由认为，过度段回填筑料为级配碎石和泡沫轻质混凝土的模型计算结果同样具有较好的可信度。

综上所述，铁路营业线顶进框架桥过程中，由于基坑开挖、土体卸荷、路桥结构刚度不同，会产生附加沉降。过渡段的设置降低了附加沉降的影响。

针对顶进框架桥施工提出以下建议：①顶进框架桥前应加强基坑防护并在开挖过程中对基坑及周围土体位移实施严密监测，若有异常变形及时采取应对措施。②在顶进框架桥过程中做好架空、挖土、清底、测量、顶进、测量顶进、重复顶进施工的施工步骤。面对常见的顶进施工问题，例如：预定不动、后背破坏、顶进偏向或者低、抬头的问题，根据产生的原因进行快速处理，避免更大的危险发生。

4 结语

基于有限元方法对某铁路营业线顶进框架桥过渡段进行了三维数值计算，通过与现场监测结果的对比，验证了模型的有效性，并得到了以下结论。

1) 重度较轻且弹性模量较高的泡沫轻质混凝土是过渡段回填筑料的最佳选择。当选择泡沫轻质混凝土为过渡段回填筑料时，产生的附加沉降明显小于C25混凝土和级配碎石。其中，泡沫轻质混凝土为过渡段回填筑料时，在靠近框架桥处附加沉降比填料为C25混凝土和级配碎石的附加沉降分别减小51%和48.7%；泡沫轻质混凝土为过渡段回填筑料在靠近既有路基处附加沉降比填料为C25混凝土和级配碎石的附加沉降分别减小约57.8%和73%。从而证明材料重度与材料的弹性模量均为影响附加沉降的重要因素。

2) 通过数值模拟的结果与现场监测的结果过对比可知，靠近既有路基的2个节点处附加沉降基本吻合，而过渡段靠近框架桥2个节点处数值模拟分析的附加沉降与现场监测的附加沉降分别增加约68%和57%。原因是在实际施工过程中，施工单位对顶进框架桥处进行地基处理及相应防护措施，从而造成现场监测结果小于数值分析结果。因此有理由认为，过渡段回填筑料为级配碎石和泡沫轻质混凝土的模型计算结果同样具有较好的可信度。不过仍需开展后续相关实际的工程进行比对分析，尤其是过渡段采用泡沫轻质混凝土土时产生的附加沉降的监测值。

3) 为了确保铁路营业线顶进框架桥在实际施工过程中的安全实施，需严格遵守施工规范标准。避免由于施工水平及施工疏忽造成铁路营业线顶进框架桥过渡段严重事故发生。