新建车站对既有线路路基变形分析

黄波赵越

（ 中铁二院工程集团有限责任公司土建二院，成都，邮编：610031）

摘要：针对软土地区新建车站大量的填方填筑导致并行既有区间路基变形大影响线路运营的问题，传统填料难以满足工程需求，轻质混凝土与隔离桩措施对此种并行既有线路的工况具有较好的适用性，运用Midas GTS NX数值模拟软件建立模型，以西南某一车站路基工程为研究背景，通过改变新建车站内轻质混凝土的填方量与隔离桩措施的长度综合考虑两种措施对既有区间路基的变形影响，讨论车站路基影响既有路基变形的最优方案，多组分析表明：轻质混凝土与隔离桩的组合措施能够有效的控制既有线路的变形，合理的选择轻质混凝土的填量以及隔离桩的桩长可以获得较好的控制效果。

关键词：轻质混凝土，隔离桩，数值模拟，车站路基

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1概述

随着国内铁路的飞速发展，截止2023年底铁路运营里程已经达到15.9万公里，中国铁路基建成果世界瞩目，飞速发展的同时，部分既有铁路的运力上限已经不能满足日新月异的运力要求，对部分经济发展地区既有线路扩能改造的需求日益迫切，增建二线面临征地难，征地费用高，建造环境复杂的困难，往往通过经济比选后，考虑对既有线路路基邦宽的设计较为节省投资。邦填路基的填料标准一般不低于既有路基，然而车站路基由于其填方量与规模远大于区间路基，大量的填料等效于超大的堆载，对软土区靠近的既有线路的变形影响较大，现阶段的铁路路基设计规范与站场规范并未对既有线路变形的要求做出明确的规定，因此参考以往工程经验以及区间路基的沉降变形要求，一般考虑5mm的变形上限。为达到控制变形的目的，现在多采用轻质混凝土和支挡工程措施，通过减少填料容重，隔离变形的方式减少新建车站路基修建过程中对既有线路的变形影响。

本文以某新建车站为研究对象，使用数值模拟软件分析讨论使用轻质混凝土与隔离桩措施对既有线路路基变形的影响。

1.1工程概况

①工程地质

某新建铁路项目路基车站，车站场地属浅丘台地地貌，地形稍有起伏，台面开阔平坦，局部沟壑深切达2～10m。该段地层从上到下主要分布有由细圆砾土和建筑垃圾组成的建筑填土，受季节影响明显的软塑粉质黏土以及工程力学性质较差的中密粗圆砾土。

②车站概况

车站长度1.183km，为填方车站，最高填方高度12.7m，最宽处（含场坪）118m，车站内有四根股道，右侧中部紧临一条铁路，车站，车站Ⅰ股道顶距离既有铁路左线顶最小距离为31.5m，此里程下的车站路基高度为9m。

2数值模拟

选取车站与既有线路路基间距最小的断面为研究对象，车站第Ⅳ股道距离既有线路路基左线21m，既有线路设计标准为Ⅰ级电气化铁路，控制变形要求较高，此断面下新建车站右侧邦填在既有区间路基之上，为不影响既有线路运营，控制其变形，现以此最不利断面使用MidasGTS NX岩土数值模拟软件建立数值模型，通过改变轻质混凝土的填量结合不同长度的隔离桩措施控制车站路基施工期间对既有线路路基的变形，设计断面见图 1。图中的车站路基以虚线位置分成三个部分，施工顺序从右至左，其中标注的“1/3轻质混凝土”代表车站路基只此区域填筑轻质混凝土，其余部分填筑一般路基填料。隔离桩桩顶设置于距离车站Ⅰ股道右侧20.3m地面处。

图 1 断面方案

2.1 模拟参数

为将数值模拟的位移结果与实际工程的位移结果相匹配，需对地质参数中的弹性模量参数进行调整。

李群[1]通过数值模拟及现场检测，采用的地质参数模量为实际模量的3倍，杨敏[2]通过理论论证以及数值模拟，认为上海地区的弹性模量应取实际的2.5～3.5倍，贾堤[3]采用数值模拟及理论计算的方法，认为天津地区岩土的弹性模量应取压缩模量的8.2倍，罗生明[4]通过理论推导，数值模拟，监测数据反演，得到了不同土的实际弹性模量与计算用的弹性模量之间的换算系数。

综上，为使数值模拟结果与真实工程的结果相对应，数模中的参数可以通过试验得到的物理参数反演得到。

本文根据现场试验获得的试验数据，使用反演法，最终工程地质参数中的弹性模量按照实际压缩模量的2.9倍取值，数值模拟参数见表 1，使用的本构模型为莫尔库伦。

表 1 地质参数

参数	路堤填土	人工填土	粉质粘土	粗圆砾土
本构类型	Mohr-Coulomb
重度γ（kN/m3）	21	18	19	21
弹性模量（kN/m2）	58000	58000	17400	72500
粘聚力c（kPa）	20		25
内摩擦角φ	25	30	12	40
泊松比v	0.22	0.28	0.3	0.28

轻质混凝土参数参考文献[5]，并通过等效刚度法，将三维状态下的参数等效为二维状下的参数，结果见下表2。

表 2 混凝土参数相关参数

参数	轻质混凝土	悬臂式挡墙	隔离桩
本构类型	Elastic		桩间距/m	3
重度γ（kN/m3）	8	25	桩径/m	1.5
弹性模量（MPa）	568	31500	弹性模量（MPa）	31500
泊松比v	0.1	0.2	等效弹性模量（MPa）	9278

2.2工况模拟

模型网格划分如图 2，根据圣维南原理，周边受影响的区域一般为结构物尺寸的2～3倍，模型全为实体单元，尺寸0.5m，网格单元数量7876

图 2 网格划分

个，施工顺序工况按照既有路基，新建车站路基从右往左的先后顺序设置，同时在图 1 中既有线路的左线顶设置监测点，监测既有路基的变形情况。所有计算工况云图如图3～图6。

图3 不同填量的轻质混凝土云图结果

  图4 1/3填筑轻质混凝土+隔离桩工况位移云图

  （隔离桩长度从上到下分别为15m，20m，30m）

图5 2/3填筑轻质混凝土+隔离桩工况位移云图

（隔离桩长度从上到下分别为15m，20m，30m）

图6 全填筑轻质混凝土+隔离桩工况位移云图

（隔离桩长度从上到下分别为15m，20m，30m）

2.3 结果整理

将2.2节的所有工况下对既有线路路基的位移结果提取整理见表3。

表 3 计算结果

措施	总位移/mm	竖向位移/mm	水平位移/mm
全填一般土	20.1	15.3	13
1/3轻质混凝土（无隔离桩）	13.4	8.7	10.3
1/3轻质混凝土+15m隔离桩	12.8	8.2	9.8
1/3轻质混凝土+25m隔离桩	10	7.3	6.8
1/3轻质混凝土+30m隔离桩	8.7	6.6	5.6
2/3轻质混凝土（无隔离桩）	11.2	6.9	8.8
2/3轻质混凝土+15m隔离桩	10.4	6.4	8.2
2/3轻质混凝土+25m隔离桩	8.3	5.7	6
2/3轻质混凝土+30m隔离桩	7.2	5.2	5.1
全轻质混凝土（无隔离桩）	9.9	6.2	7.7
全轻质混凝土+15m隔离桩	9.2	5.6	7.4
全轻质混凝土+25m隔离桩	7.4	5	5.5
全轻质混凝土+30m隔离桩	6.6	4.5	4.8

2.4模拟结果分析

首先，只考虑轻质混凝土的用量对临近路基的影响，根据图3以及表3结果可以明显的发现，与普通填料相比，轻质混凝土由于其重度小，弹模大的特点有效的控制了位移，对比总位移来看，一般路基填料是20.1mm，而只填1/3轻质混凝土的是13.4mm，总位移减小了33.3%，随着轻质混凝土的填筑量增大总位移越小。

同时发现全填轻质混凝土的工况，竖向以及横向的位移分别是6.2mm以及7.7mm，位移并未低于经验值的5mm，因此考虑再结合隔离桩措施，一同控制既有路基的变形。

图 7 全填筑轻质混凝土+隔离桩工况总位移对比

隔离桩考虑15m，25m，30m三种桩长，结合不同轻质混凝土填量的工况，由表3结果可知，加入隔离桩措施后，总位移获得进一步控制。根据图7对比图可以看出，不考虑轻质混凝土用量的情况下，随着隔离桩的增长，总位移的控制效果越好，并发现“全轻质混凝土+25m隔离桩”与“全轻质混凝土+30m隔离桩”的两种工况均以达到经验值要求。

3 结论与讨论

（1）在车站路基中使用轻质混凝土填筑，能有效降低对临近既有路基的变形影响。

（2）在车站路基中使用隔离桩措施，随着隔离桩的长度增长，对临近既有路基的变形控制效果越好。

（3）现行铁路设计规范未规定新建铁路对既有线路的影响标准，希望对此种接近施工的工程进一步研究提出更为合理的标准。

参考文献

[1]泡沬轻质土在既有软基道路扩建中的应用及沉降预测研究:李群[D]. 北京科技大学, 2019.

[2]杨敏朱碧堂. 堆载下土体侧移及对邻桩作用的有限元分析[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2003(07):772-777.

[3]贾堤, 石峰, 郑刚, 等. 深基坑工程数值模拟土体弹性模量取值的探讨[J]. 岩土工程学报, 2008,30(S1):155-158.

[4]罗生明, 屈俊童, 贾毅. 基于不同方法换算的弹性模量对深基坑支护工程的数值模拟分析[J]. 四川建筑, 2014,34(05):115-119.

[5]高性能轻质混凝土路桥过渡段材料特性与数值分析,周川滨[D]. 西南交通大学, 2016.

作者简介：黄波，男，高级工程师，1990年毕业于长沙铁道学院工民建专业（2009年西南交通大学运输专业），学士，主要从事路基工程工作，E-mail:[e-mail]