周惠賢

（中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 建設(shè)部，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

新建中蘭鐵路北起寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市，向南經(jīng)白銀市平川區(qū)、靖遠(yuǎn)縣、白銀區(qū)，繼續(xù)向西經(jīng)蘭州新區(qū)接至既有中川線樹屏線路所，正線全長(zhǎng)219.707 km。中蘭鐵路引入既有中川城際鐵路，需對(duì)中川城際鐵路路基進(jìn)行幫寬，對(duì)既有涵洞進(jìn)行接長(zhǎng)。在涵洞接長(zhǎng)施工中，需拆除既有涵洞八字翼墻。為確保既有線行車安全，拆除“八”字翼墻前，采用人工挖孔樁對(duì)路基進(jìn)行防護(hù)。由于挖孔樁在路基邊坡上，距線路中心4.2 m，進(jìn)一步明確人工挖孔樁施工過(guò)程中塌孔對(duì)運(yùn)營(yíng)安全的影響，同時(shí)明確施工過(guò)程中列車限速值，采用有限元分析方法，對(duì)人工挖孔樁周邊路基土體受力和土體位移情況進(jìn)行分析［1］。

1 工程概況

中蘭鐵路引入中川城際鐵路需接長(zhǎng)K48+438.1 處1 1-4.0 m鋼筋混凝土框架涵，該涵洞位于緩和曲線及-8‰的斜坡道上，與線路正交。施工時(shí)需拆除接長(zhǎng)側(cè)既有涵八字翼墻及帽石再接長(zhǎng)，新舊涵連接處做好防水層及沉降縫處理。該涵翼墻采用整體式基礎(chǔ)，出入口涵節(jié)采用整體式基礎(chǔ)，中間涵節(jié)無(wú)基礎(chǔ)，做10 cm 厚C40混凝土墊層。涵洞基底鋪設(shè)60 cm厚三七灰土墊層，墊層中間設(shè)置2 層土工格柵，墊層以下采用樁徑0.5 m 的高壓旋噴樁進(jìn)行地基處理，樁穿過(guò)砂質(zhì)黃土層，樁長(zhǎng)15.0 m，樁間距1.4 m，行列式布置［2］。

為保證既有線運(yùn)營(yíng)安全，該涵洞基坑開挖前采用直徑125 cm 挖孔樁對(duì)既有線進(jìn)行防護(hù)，挖孔樁樁間距180 m，單根樁長(zhǎng)13.0 m，沿既有路基在涵洞接長(zhǎng)側(cè)大、小里程側(cè)均布置4 根，共布置8 根。挖孔樁采用15 cm厚C25 鋼筋混凝土護(hù)壁。地基處理方式立面示意見圖1，涵洞出口正面示意見圖2，涵洞縱斷面及平面示意見圖3，涵洞地質(zhì)情況見表1。

表1 一般巖土參數(shù)

圖1 地基處理方式立面示意圖

圖2 涵洞出口正面示意圖

圖3 涵洞縱斷面及平面示意圖

2 有限元計(jì)算

（1）計(jì)算方法。新建工程施工過(guò)程采用有限元分析軟件Midas-GTS進(jìn)行模擬計(jì)算，在Midas-GTS中采用單元三維模型分析技術(shù)，有效模擬圍巖土體開挖。巖土的塑性本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫(kù)倫模型，該模型主要適用于單調(diào)荷載作用下顆粒狀材料，在巖土工程中應(yīng)用廣泛。材料參數(shù)主要包含黏聚力、內(nèi)摩擦角、切線和割線模量以及卸載模量等，可以參考地勘報(bào)告取值。

（2）有限元模型。有限元計(jì)算采用三維空間模型，土體、路基、鋼筋混凝土框架涵、防護(hù)樁均采用實(shí)體單元模擬。為消除約束邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算模型范圍距離主體工程40 m 以外。模型尺寸為150 m×900 m×40 m（長(zhǎng)×寬×高），有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型

（3）邊界條件。邊界約束條件施加在土體上，在模型底面限制豎向位移，在模型側(cè)面限制水平方向位移。

（4）計(jì)算荷載。計(jì)算荷載主要考慮以下5種：土體自質(zhì)量、路基自質(zhì)量及道砟自質(zhì)量、既有涵洞自質(zhì)量、防護(hù)工程質(zhì)量、新建工程質(zhì)量。

（5）施工過(guò)程模擬。巖土工程與其他結(jié)構(gòu)工程相比，計(jì)算時(shí)有些不同，周圍的天然土體施工前均經(jīng)過(guò)了多年沉降，施工前，土體本身存在初始應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算時(shí)必須考慮土體初始地應(yīng)力場(chǎng)的平衡，首先計(jì)算土體在自質(zhì)量作用下產(chǎn)生初始位移，后續(xù)分析中通過(guò)減去自質(zhì)量下的初始位移得到實(shí)際位移。這種方法存在一定不足，由于土體材料剛度較小，自質(zhì)量作用下一般會(huì)產(chǎn)生較大位移，針對(duì)開挖過(guò)程涉及到單元激活和殺死，會(huì)出現(xiàn)位移變化不協(xié)調(diào)，容易造成計(jì)算不收斂。

Midas-GTS在計(jì)算時(shí)先根據(jù)實(shí)際工程情況計(jì)算得到重力作用下的應(yīng)力場(chǎng)，然后將得到的應(yīng)力場(chǎng)定義為初始應(yīng)力場(chǎng)，和重力荷載一起施加給原始模型，可以得到既滿足平衡條件又不違背屈服準(zhǔn)則的初始應(yīng)力場(chǎng)，可以保證各節(jié)點(diǎn)的初始位移近似為0。

計(jì)算通過(guò)單元應(yīng)力模擬開挖的應(yīng)力釋放過(guò)程，計(jì)算工況根據(jù)施工工序進(jìn)行單元移除與激活。

依據(jù)設(shè)計(jì)文件，新建接長(zhǎng)涵洞工程的模擬具體施工工序見表2。

表2 施工工序

（6）有限元計(jì)算云圖。中川城際鐵路竣工為工程施工前的初始工況，后續(xù)各個(gè)施工工況位移云圖均需要減去初始工況，以獲得施工引起的附加位移值。有限元計(jì)算云圖見圖5—圖11。

圖5 中川城際鐵路竣工位移云圖

圖6 防護(hù)樁挖孔位移云圖

圖7 防護(hù)樁施工位移云圖

圖8 拆除既有涵洞八字翼墻位移云圖

圖9 接長(zhǎng)涵洞地基處理位移云圖

圖10 接長(zhǎng)涵洞基坑開挖位移云圖

圖11 接長(zhǎng)涵洞施工位移云圖

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

（1）中川城際鐵路路基豎向線形圖（見圖12）。圖12 中結(jié)果均為施工引起的路基附加變形，每條曲線均代表某個(gè)施工階段的路基線型；數(shù)值不包括路基的工后沉降，縱軸表示路基各個(gè)點(diǎn)的變形數(shù)值，橫軸表示路基從北向南的相對(duì)距離；每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的相對(duì)距離均為5 m；正值代表路基較開工前向上隆起，負(fù)值代表路基較開工前向下沉降。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，項(xiàng)目施工過(guò)程中中川城際鐵路受施工影響引起路基上浮最大值為0.171 mm，下沉最大值為-5.376 mm。

圖12 中川城際鐵路路基豎向線形圖

（2）中川城際鐵路路基橫向線形圖（見圖13）。圖13 中正值代表線路向東側(cè)變形，負(fù)值代表線路向西側(cè)變形。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，項(xiàng)目施工過(guò)程中中川城際鐵路受施工影響引起路基附加橫向變形最大值為0.202 mm。

圖13 中川城際鐵路路基橫向線形圖

（3）中川城際鐵路路基段軌道高低、軌向十米弦長(zhǎng)不平順值。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，接長(zhǎng)涵洞施工全過(guò)程中路基段軌道高低和軌向十米弦長(zhǎng)不平順最大值見表3。

表3 中川城際鐵路軌道不平順性最大值

4 控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）線路不平順控制標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》表6.2.1中關(guān)于線路軌道靜態(tài)幾何不平順容許偏差管理的規(guī)定［3］。

中川城際鐵路設(shè)計(jì)速度為160 km/h，采用有砟軌道形式，且為路基段跨越工程所在位置，應(yīng)采用的控制標(biāo)準(zhǔn)是120 km/h

（2） 路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)TB 10314—2021《鄰近營(yíng)業(yè)線施工安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》9.3.6中的路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)［4］。

有關(guān)沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)中，此項(xiàng)控制標(biāo)準(zhǔn)較嚴(yán)格，因此，中川城際鐵路的路基沉降標(biāo)準(zhǔn)參考此標(biāo)準(zhǔn)。中川城際鐵路采用碎石道床，不限速運(yùn)營(yíng)采用的沉降累計(jì)值控制值為20～30 mm；變化速率為1.5 mm/d。

（3）結(jié)合以上相關(guān)條文，最終確定項(xiàng)目評(píng)估相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)論

（1）中川城際鐵路接長(zhǎng)涵洞人工挖孔樁施工全過(guò)程中，軌道產(chǎn)生的最大豎向變形值為5.376 mm，軌道十米弦長(zhǎng)高低不平順為0.666 mm，軌道最大橫向變形值為0.202 mm，軌道十米弦長(zhǎng)軌向不平順為0.157 mm，滿足TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》6.2.1中關(guān)于軌道靜態(tài)幾何不平順容許偏差標(biāo)準(zhǔn)，即滿足軌道高低不平順性6 mm，軌向不平順性6 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）最大路基沉降是5.376 mm，滿足GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》9.3.6 中的路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，即滿足路基沉降累計(jì)值為20～30 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)［5］。

因此，中蘭鐵路引入中川城際鐵路接長(zhǎng)涵洞防護(hù)樁施工能滿足中川城際鐵路運(yùn)營(yíng)要求，人工挖孔樁施工過(guò)程中，列車通行該區(qū)段時(shí)可以不限速［6］。