鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋兩側(cè)過(guò)渡段回填筑料的選取*

周國(guó)鋒 譚生永

(中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南 250001)

隨著互聯(lián)互通需求的急劇增加，道路交通建設(shè)突飛猛進(jìn)，公路、城市道路與鐵路交叉越來(lái)越頻繁。在條件允許的情況下，采用道路下穿鐵路的立交方式是解決道路與鐵路交叉問(wèn)題的首選。由于下穿鐵路立交橋具有與既有道路順接方便、滿足規(guī)劃要求、后期運(yùn)營(yíng)對(duì)鐵路運(yùn)輸安全影響小等優(yōu)勢(shì)，因此在既有鐵路線下方頂進(jìn)框架立交橋施工的形式越來(lái)越普遍。然而，由于設(shè)計(jì)、施工對(duì)頂進(jìn)框架橋兩側(cè)路基過(guò)渡段重視程度不足，再加上運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)該處過(guò)渡段的養(yǎng)護(hù)工作暫無(wú)具體要求，導(dǎo)致過(guò)渡段在運(yùn)營(yíng)期間病害較多。特別是進(jìn)入汛期，經(jīng)常發(fā)生頂進(jìn)框架橋兩側(cè)路基過(guò)渡段下沉，影響行車，嚴(yán)重的甚至發(fā)生列車脫軌，造成車毀人亡的重大安全事故。而且，路基與框架橋相比，二者剛性差別較大，組成材料的性能、受力結(jié)構(gòu)等方面均不相同，所以很容易會(huì)造成路基和橋臺(tái)連接處的不均勻沉降，產(chǎn)生較大的位移差，形成臺(tái)階，發(fā)生“橋頭跳車”，從而威脅鐵路列車的安全行駛。

梁江澤[1]分析了朔黃鐵路路橋過(guò)渡段的病害原因，其病害形成原因主要是因?yàn)樵谔钪┕み^(guò)程中，由于壓實(shí)工藝不完善造成過(guò)渡段回填筑料壓實(shí)強(qiáng)度不均勻，未能達(dá)到規(guī)范的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。并提出了道床清篩施工、旋噴樁施工、橋梁錐體整修施工等病害整治方法。當(dāng)路橋過(guò)渡段回填筑料采用級(jí)配碎石時(shí)，付德利[2]通過(guò)過(guò)渡段路基填筑試驗(yàn)確定了路基過(guò)渡段填筑材料虛鋪厚度、碾壓遍數(shù)、碾壓速度等各項(xiàng)施工參數(shù)。萬(wàn)迪偉[3]通過(guò)采用提升路基段剛度的方法、即使用粗顆粒材料填筑過(guò)渡段。海濤[4]根據(jù)酒泉電廠鐵路專用線下穿鐵路蘭新線鐵路立交工程提出分層回填并分層壓實(shí)及過(guò)渡段區(qū)域進(jìn)行注漿來(lái)提高路基的承載力及穩(wěn)定性。代微微[5]梳理了路橋過(guò)渡段病害形成機(jī)理及技術(shù)處理，其中對(duì)路橋過(guò)渡段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和邊坡處理提出想法。劉滿林等[6]采用傾斜樁和水平樁的加固處理方式來(lái)解決過(guò)渡段因?yàn)槁坊盍线x用要求低、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)低、檢測(cè)頻率小造成的病害問(wèn)題。然而，大部分解決過(guò)渡段差異沉降的方式方法都是從施工工藝、加固方式的角度上研究和處理。故對(duì)于不同過(guò)渡段的回填筑料對(duì)過(guò)渡段差異沉降的影響分析是極為必要的。

徐榮娟[7]提到使用EPS、氣泡混合混凝土等輕型材料填筑可以減少填料對(duì)地基變形的影響。胡汶晗[8]研究了密度大于700 kg/m3的加筋泡沫輕質(zhì)混凝土作為過(guò)渡段的回填筑料能有效減少結(jié)構(gòu)的震動(dòng)，并且隨著加筋泡沫混凝土填料密度的提高，過(guò)渡段震動(dòng)響應(yīng)逐漸減小。王于等[9-10]依據(jù)翟婉明的“車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)”理論確定了過(guò)渡段的長(zhǎng)度主要是受列車運(yùn)行速度的控制，速度越快，過(guò)渡段長(zhǎng)度應(yīng)越長(zhǎng)。羅強(qiáng)等[11]以車輛與線路的相互作用的動(dòng)力學(xué)關(guān)系為基礎(chǔ)提出了過(guò)渡段的填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，其中就包括選取素混凝土、級(jí)配碎石及路基土分別作為過(guò)渡段回填筑料的情況。但仍未分析由于過(guò)渡段回填筑料的不同，而產(chǎn)生的相應(yīng)靜力學(xué)作用，尤其是鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋的情況。

綜上所述，回填筑料引起過(guò)渡段差異沉降的因素為回填材料的重度、剛度及施工過(guò)程中壓實(shí)程度等。本文利用有限元分析軟件midas GTS NX，建立了包含鐵路路基、鋼軌、枕木等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋三維有限元模型，在假設(shè)施工過(guò)程中壓實(shí)程度良好的情況下研究素混凝土、級(jí)配碎石、泡沫輕質(zhì)混凝土3種不同的材料作為過(guò)渡段回填筑料產(chǎn)生的靜力學(xué)作用，并分析3種不同回填筑料造成的過(guò)渡段差異沉降。

1 有限元模型及參數(shù)

1.1 定義模型

采用midas GTS NX有限元分析軟件建立鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋三維模型，首先定義模型的方向和分析范圍。

模型中X軸為順既有鐵路方向，Y軸為頂進(jìn)框架橋方向即垂直既有鐵路方向，Z軸為重力方向。模型分析范圍參考城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范中的可能影響范圍，即2～3倍的開(kāi)挖深度[12-13]。為了涵蓋可能影響的范圍，模型尺寸設(shè)計(jì)為X軸方向取70 m，Y軸方向取70 m，Z軸方向取25 m。鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋的模型見(jiàn)圖1。

圖1 鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋計(jì)算模型分析范圍

1.2 模型條件假定

本文利用有限元軟件midas GTS NX進(jìn)行模擬，在計(jì)算模型中假定如下。

1) 計(jì)算模型中的土體為連續(xù)均質(zhì)、各向同性。

2) 鋼軌、枕木、頂進(jìn)框架橋、過(guò)渡段回填筑料等選用基于胡克定律的彈性本構(gòu)，土體選用修正摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系。

3) 鋼軌、枕木與道砟之間設(shè)置界面單元分析。

4) 模型計(jì)算過(guò)程中不考慮地下水影響。

5) 模型計(jì)算過(guò)程中不考慮抗震作用影響。

1.3 計(jì)算模型

圖2為本項(xiàng)目的三維計(jì)算模型，根據(jù)相關(guān)巖土資料確定土層參數(shù)見(jiàn)表1，鋼軌、枕木、框架橋、過(guò)渡段回填筑料等參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋計(jì)算模型

表1 土層參數(shù)(修正摩爾-庫(kù)侖本構(gòu))

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)(彈性本構(gòu))

模型建模順序：首先建立既有鐵路線軌道及枕木等一維單元構(gòu)件，然后按構(gòu)件從小到大的順序建立三維實(shí)體單元，接著設(shè)置模型邊界條件并添加荷載，最后通過(guò)施工工況對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，比較分析數(shù)據(jù)結(jié)果。模型組成部分如下。

1) 一維梁?jiǎn)卧ｄ撥壓驼砟具x用軟件中的一維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，需要注意的是在建模過(guò)程中一維梁?jiǎn)卧c三維實(shí)體單元的耦合問(wèn)題，兩者之間必須建立接觸關(guān)系。

2) 三維實(shí)體單元。除鋼軌與枕木之外的結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，例如，土體、道砟、路基、框架橋及過(guò)渡段等。本模型選用六節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的四面體單元，此建模方法產(chǎn)生的位移和應(yīng)力結(jié)果與實(shí)際情況較為接近。結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型

3) 靜力邊界條件。靜力邊界條件又稱為應(yīng)力分析邊界，通常為靜力分析時(shí)所使用的人工邊界條件，用于模擬周圍地層對(duì)模型選取的分析區(qū)域的各個(gè)方向的約束作用。

4) 添加荷載。對(duì)整個(gè)模型設(shè)置重力荷載，在鋼軌上設(shè)置鐵路列車荷載、在框架橋底板上添加公路汽車荷載，其中鐵軌上動(dòng)載沖擊憑借軟件自帶的計(jì)算模塊，通過(guò)定義火車的速度、車廂數(shù)量、車輪距離等系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

5) 設(shè)置施工工況。由于本模型重點(diǎn)分析鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋過(guò)渡段受不同過(guò)渡段回填筑料的靜力作用影響，所以并不對(duì)整個(gè)頂進(jìn)框架橋的過(guò)程進(jìn)行工況分析，只對(duì)原既有狀態(tài)與頂進(jìn)框架后的狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)。

2 工況設(shè)定

由于本項(xiàng)目是在既有鐵路營(yíng)業(yè)線下頂進(jìn)框架橋，所以主要考慮頂進(jìn)框架橋?qū)扔需F路營(yíng)業(yè)線造成的附加沉降的分析。并且考慮模型中土的固結(jié)的性質(zhì)，故將分析工況分為土層初始應(yīng)力狀態(tài)、既有鐵路現(xiàn)狀、位移清零及頂進(jìn)框架橋4個(gè)階段。其中，土層初始應(yīng)力狀態(tài)表示土層上原始的狀態(tài)即沒(méi)有任何工程的階段；既有鐵路線現(xiàn)狀階段表示當(dāng)鐵路線施工完成時(shí)產(chǎn)生的工后沉降；位移清零是將之前工程造成的影響清零，有助于得到后續(xù)工程造成的附加影響；頂進(jìn)框架橋階段就是新建道路對(duì)既有鐵路營(yíng)業(yè)線造成的附加沉降，具體分析工況劃分情況見(jiàn)表3。

表3 有限元分析工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同過(guò)渡段回填筑料造成的附加沉降分析

圖4為頂進(jìn)框架橋時(shí)依次選用級(jí)配碎石、C25素混凝土、泡沫輕質(zhì)混凝土作為過(guò)渡段回填筑料產(chǎn)生的過(guò)渡段區(qū)域附加沉降。

圖4 不同回填筑料下過(guò)渡段附加沉降云圖(單位：mm)

由圖4可見(jiàn)，過(guò)渡段回填筑料采用泡沫混凝土?xí)r造成的過(guò)渡段區(qū)域附加沉降最小，在靠近頂進(jìn)框架橋一側(cè)的過(guò)渡段附加沉降分別為-1.504 1 mm和-1.485 3 mm，在靠近既有路基一側(cè)的過(guò)渡段附加沉降分別為-0.523 7 mm和-0.524 6 mm。

當(dāng)回填筑料采用C25混凝土和級(jí)配碎石時(shí)，靠近頂進(jìn)框架橋一側(cè)過(guò)渡段產(chǎn)生的附加沉降基本一致，回填筑料為C25混凝土過(guò)渡段產(chǎn)生的附加沉降分別為-3.055 4 mm和-3.062 1 mm，回填筑料為級(jí)配碎石過(guò)渡段產(chǎn)生的附加沉降分別為-3.032 9 mm和-3.041 0 mm。然而，這2種回填筑料在靠近既有路基一側(cè)的過(guò)渡段造成的附加沉降有明顯差別，采用C25混凝土比選用級(jí)配碎石在靠近既有路基側(cè)產(chǎn)生的附加沉降小約64%。其中，回填筑料為C25混凝土過(guò)渡段產(chǎn)生的附加沉降分別為-1.242 3 mm和-1.244 3 mm，回填筑料為級(jí)配碎石過(guò)渡段產(chǎn)生的附加沉降分別為-1.947 2 mm和-1.942 0 mm。

通過(guò)對(duì)上述附加沉降的對(duì)比分析，可以看出不只是過(guò)渡段回填筑料的重度影響附加沉降的大小，回填筑料的彈性模量也是影響過(guò)渡段附加沉降值的重要因素。所以重度較輕且彈性模量較高的泡沫輕質(zhì)混凝土就成為了過(guò)渡段回填筑料的最佳選擇。

3.2 數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)

為了驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果的有效參考性，將數(shù)值分析結(jié)果與山東某地的頂進(jìn)框架橋下穿既有鐵路路基的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)豎向變形結(jié)果進(jìn)行比對(duì)?，F(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目的過(guò)渡段回填材料為C25混凝土，所以本文只對(duì)鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋兩側(cè)過(guò)渡段回填筑料為混凝土的情況進(jìn)行比對(duì)。圖5中只選取了4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，分別是兩側(cè)過(guò)渡段靠近框架橋的2個(gè)點(diǎn)及靠近既有路基的2個(gè)點(diǎn)。

圖5 數(shù)值分析附加沉降與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)附加沉降對(duì)比圖(單位：mm)

由圖5可見(jiàn)，在靠近既有路基的2個(gè)節(jié)點(diǎn)處附加沉降基本吻合?？拷扔新坊?個(gè)節(jié)點(diǎn)處數(shù)值分析的附加沉降為-1.242 3 mm和-1.244 3 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)附加沉降結(jié)果為-1.18 mm和-1.31 mm。但是在過(guò)渡段靠近框架橋2個(gè)節(jié)點(diǎn)處數(shù)值模擬分析的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)附加沉降結(jié)果存在約1倍的差距?？拷蚣軜虻?個(gè)節(jié)點(diǎn)處數(shù)值分析的附加沉降為-3.032 9 mm和-3.041 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)附加沉降結(jié)果為-1.83 mm和-1.94 mm。

由圖5可知，盡管兩者從結(jié)果上看差距將近1倍，但不過(guò)是1.2 mm的差距。通常在實(shí)際施工過(guò)程中，施工單位會(huì)對(duì)頂進(jìn)框架橋處進(jìn)行地基處理及防護(hù)措施，從而造成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果小于數(shù)值分析結(jié)果。而且距離施工位置越遠(yuǎn)實(shí)際影響越小，這體現(xiàn)在靠近既有路基的2個(gè)節(jié)點(diǎn)處附加沉降基本吻合，靠近框架橋的2個(gè)節(jié)點(diǎn)略有差距。監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值分析的計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)和范圍能較好吻合，驗(yàn)證了本文數(shù)值計(jì)算模型的可靠性?；跀?shù)值解與真實(shí)解的準(zhǔn)確性驗(yàn)證，有理由認(rèn)為，過(guò)度段回填筑料為級(jí)配碎石和泡沫輕質(zhì)混凝土的模型計(jì)算結(jié)果同樣具有較好的可信度。

綜上所述，鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋過(guò)程中，由于基坑開(kāi)挖、土體卸荷、路橋結(jié)構(gòu)剛度不同，會(huì)產(chǎn)生附加沉降。過(guò)渡段的設(shè)置降低了附加沉降的影響。

針對(duì)頂進(jìn)框架橋施工提出以下建議：①頂進(jìn)框架橋前應(yīng)加強(qiáng)基坑防護(hù)并在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)基坑及周圍土體位移實(shí)施嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，若有異常變形及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。②在頂進(jìn)框架橋過(guò)程中做好架空、挖土、清底、測(cè)量、頂進(jìn)、測(cè)量頂進(jìn)、重復(fù)頂進(jìn)施工的施工步驟。面對(duì)常見(jiàn)的頂進(jìn)施工問(wèn)題，例如：預(yù)定不動(dòng)、后背破壞、頂進(jìn)偏向或者低、抬頭的問(wèn)題，根據(jù)產(chǎn)生的原因進(jìn)行快速處理，避免更大的危險(xiǎn)發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

基于有限元方法對(duì)某鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋過(guò)渡段進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性，并得到了以下結(jié)論。

1) 重度較輕且彈性模量較高的泡沫輕質(zhì)混凝土是過(guò)渡段回填筑料的最佳選擇。當(dāng)選擇泡沫輕質(zhì)混凝土為過(guò)渡段回填筑料時(shí)，產(chǎn)生的附加沉降明顯小于C25混凝土和級(jí)配碎石。其中，泡沫輕質(zhì)混凝土為過(guò)渡段回填筑料時(shí)，在靠近框架橋處附加沉降比填料為C25混凝土和級(jí)配碎石的附加沉降分別減小51%和48.7%；泡沫輕質(zhì)混凝土為過(guò)渡段回填筑料在靠近既有路基處附加沉降比填料為C25混凝土和級(jí)配碎石的附加沉降分別減小約57.8%和73%。從而證明材料重度與材料的彈性模量均為影響附加沉降的重要因素。

2) 通過(guò)數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果過(guò)對(duì)比可知，靠近既有路基的2個(gè)節(jié)點(diǎn)處附加沉降基本吻合，而過(guò)渡段靠近框架橋2個(gè)節(jié)點(diǎn)處數(shù)值模擬分析的附加沉降與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的附加沉降分別增加約68%和57%。原因是在實(shí)際施工過(guò)程中，施工單位對(duì)頂進(jìn)框架橋處進(jìn)行地基處理及相應(yīng)防護(hù)措施，從而造成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果小于數(shù)值分析結(jié)果。因此有理由認(rèn)為，過(guò)渡段回填筑料為級(jí)配碎石和泡沫輕質(zhì)混凝土的模型計(jì)算結(jié)果同樣具有較好的可信度。不過(guò)仍需開(kāi)展后續(xù)相關(guān)實(shí)際的工程進(jìn)行比對(duì)分析，尤其是過(guò)渡段采用泡沫輕質(zhì)混凝土土?xí)r產(chǎn)生的附加沉降的監(jiān)測(cè)值。

3) 為了確保鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋在實(shí)際施工過(guò)程中的安全實(shí)施，需嚴(yán)格遵守施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。避免由于施工水平及施工疏忽造成鐵路營(yíng)業(yè)線頂進(jìn)框架橋過(guò)渡段嚴(yán)重事故發(fā)生。