淤泥地层铁路U型槽设计方案研究

霍思逊

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

0 引言

铁路U 型槽一般应用于地表环境条件复杂的城市深挖路堑中。在某高铁工程中，U 型槽设置于城市隧道出口，地表为深厚淤泥质土，地下水位高，工程场地条件较差，为满足工程实施需求，结构受力性能及使用功能需要，通过模型计算等方式，确定结构方案。

1 工程概况

该高速铁路工程位于广东省湛江市，设计速度250km/h，U 型槽为隧道出口与路基间的接线工程，结构段落总长380m。为保证铁路出地面段与周边环境协调，U 型槽段基坑开挖最大深度10.3m。结构纵向每20m 为一板，由深至浅依次为B1、B2、B3……B19，共19 板。U 型槽临近道路及城市排洪渠，地下水位接近地表。地表向下依次为淤泥（5-1）、松软土（5-3），可塑～硬塑状粉质黏土（5-4）等地层，地震基本裂度为Ⅶ度。

2 结构设计

2.1 U 型槽结构设计

埋深较浅的U 型槽段落采用常规的两边侧墙与底板组成的静定结构。该工程中U 型槽结构最大埋深达10m，且由于所在地层为淤泥质地层，土体的侧压力较大，悬壁高度高，为控制结构变形，侧向土压力按静止土压力计算。结合铁路接触悬挂高度要求，侧墙背后回填土高度超过8m（即实际侧墙悬壁高度h），采用侧墙顶部带横撑的U 型槽，由于结构为超静定结构，可优化结构受力。两种U 型槽结构见图1、图2。

图1 一般U 型槽结构图（单位：cm）

图2 带横撑U 型槽结构图（单位：cm）

由于边墙为静定悬壁梁，其墙底弯矩与实际侧墙悬壁高度h 的三次方成正比；在侧墙厚度随高度线性变化的情况下，侧墙承载力及计算受拉区裂缝宽度所需要的钢筋应力与实际侧墙悬壁高度（h）的平方成正比，因此侧墙采用单斜率的U 型槽，在侧墙受拉区通常配筋的情况下，仅计算侧墙底的配筋即可满足侧墙全高的承载要求。为优化结构尺寸，便于结构两侧回填施工，U 型槽侧墙斜率设计为1∶0.125，墙顶宽度设计为0.5m。U 型槽侧墙顶应平顺过渡，保证侧墙外侧连续过渡，没有错台。U 型槽底板两侧设有脚趾，可起到抗浮作用，同时可减小侧墙底的弯矩，改善受力。

2.2 U 型槽结构竖向变形控制

在U 型槽结构底部设置桩基础，在U 型槽埋深较浅段落，其基底附加应力可起到控制沉降的作用；当U 型槽埋深逐渐加深，地下水位较高时，桩基础可起到抗浮作用。考虑到该工程场地地表范围为深厚的淤泥，厚度达12m，在长期附加荷载或列车振动的作用下，淤泥土有发生蠕变或触变的可能，因此通过对比分析，U 型槽底部采用桩基础，桩基上部荷载取高水位与低水位两种工况的基底附加荷载的最大值。经计算，U 型槽底部桩基采用直径1m 的灌注桩，桩基横向间距5m，每个断面布置3 根，纵向间距4m，桩长见表1。可见，为控制U 型槽的沉降，淤泥质地层中底板桩基础长度较长，工程实施难度大。

表1 U 型槽桩基统计表

板号B1～B6 B7～B13 B14～B16 B17～B19段落长度/m 120 140 60 60桩长/m 33 39 36 41

2.3 U 型槽结构计算

2.3.1 围护结构

（1）围护结构参数

U 型槽放坡段基坑最大深度为8.7m，提前降水后采用放坡开挖方式进行施工，边坡坡率1∶1.5。边坡坡面为网喷锚防护，锚杆长度4m，喷射混凝土厚度0.1m。由于边坡土层为淤泥及松软土，地层条件较差，在边坡设置水泥土搅拌桩，加固范围为坡脚至坡顶外侧5m，加固至基底以下1m，水泥土搅拌桩直径0.5m，间距1m，正三角形布置，搅拌桩28 天无侧限抗压强度应不小于1MPa。围护结构见图3。

图3 U 型槽围护结构断面图

加固后边坡土桩复合地基的抗剪强度按现行《铁路特殊路基设计规范》（TB 10035—2018）中的方法计算，土桩复合地基的等效强度指标计算，见公式（1）、公式（2）。

式（1）中：

c

为复合地基的黏聚力（kPa）；

m

为复合地基置换率；

c

为桩体的抗剪强度（kPa），可取室内无侧限抗压强度的0.2～0.3 倍；

c

为桩间土天然抗剪内摩擦角（）。

式（2）中：

φ

为复合地基的内摩擦角（）；

φ

为桩间土天然抗剪内摩擦角（）。

（2）有限元分析

采用MIDAS GTS 有限元软件进行模拟，基坑边坡稳定性分析采用强度折减法计算边坡稳定安全系数。土体按直剪固结快剪强度指标进行计算。对边坡搅拌桩加固区的每层土进行划分，加固后强度指标按上节提供公式计算，土体结构采用摩尔·库伦模型。材料具体参数见表2。

表2 材料参数表

材料5-1：淤泥5-3：松软土5-1：淤泥5-3：松软土5-4：粉质黏土网喷混凝土锚杆土层厚度/m 3.5 3.5内摩擦角/°4 5 9 6 9 6 9 1 8黏聚力/kPa 11 14 11 14 26复合地基摩擦角/°46.4 48.8 46.4 48.8 58.6 0.1重度/（kN/m3）18 18 18 18 19 25 78.5弹性模量/kPa 5850 9510 5850 9510 15000 28000000 200000000泊松比0.42 0.41 0.42 0.41 0.3 0.2 0.25

按工程实际施工顺序，先进行边坡加固、基坑开挖，再进行有限元静力分析、基于强度折减法分析边坡安全系数。

对于不进行边坡加固的工况，基坑开挖的有限元计算不能收敛，说明该工况下边坡变形过大，计算难于收敛，所以采取边坡加固是必要的。采取边坡加固措施后，基坑开挖完成后的位移情况见图4。

图4 基坑边坡位移矢量图

通过边坡加固及坡面防护措施，坡面加固范围可形成抵抗变形的整体，扩大边坡发生相对滑动的抵抗范围，提高边坡稳定安全系数。其中坡脚有明显的应力集中，变形最大，实际施工时应注意坡脚的稳定性，若出现变形过大的情况，可对坡脚进行加固处理。

2.3.2 两种U 型槽结构计算

（1）一般U 型槽

一般U 型槽考虑将侧墙及底板作为整体进行有限元计算，采用SAP84 有限元软件，将之简化为平面应变杆系，按荷载—结构模型计算。结构计算需选取合适的结构计算模型，同时分析有无列车荷载、地下水位高低、桩基础的组合影响，并计算抗震等特殊工况。

以深埋U 型槽为例，有限元模型考虑桩基础的约束作用后，底板弯矩有显著减小的趋势。因此，计算底板配筋时，结构计算模型中不需要考虑桩基础的约束作用。

另外，由于U 型槽侧墙相当于静定悬壁梁结构，受两侧水土压力作用，沿侧墙高度方向所受弯矩的大小只与侧墙后土体压力有关，与U 型槽截面等其他因素无关。

铁路列车荷载施加与否及地下水位高低需结合计算断面的实际受力形式取最不利工况，而深埋、浅埋对U 型槽的实际受力形式有较大影响。

通过计算，列车荷载单独作用时，底板结构下侧受拉。侧墙背后水位越高，底板下部受拉越明显。比较侧墙高度为2.5m 的浅埋U 型槽及侧墙高度为10m的深埋U 型槽可知，浅埋U 型槽结构主要受两侧侧墙的自重压力，底板上侧受拉，该工况下列车荷载及水压力为有利荷载。而深埋U 型槽结构，底板下侧受拉，列车荷载及水压力为不利荷载。因此，在计算U型槽结构底板弯矩时，应对有无列车荷载及高、低水位的工况分别验算，并取最不利组合。

（2）带横撑U 型槽

该工程中带横撑U 型槽主要用于实际侧墙悬壁高度（h）大于8m 的段落，横撑纵向间距4m，每板U型槽纵向长度20m，均匀布置5 根钢筋混凝土横撑。U 型槽的受力计算，采用MIDAS-GEN 建立三维模型，将侧墙及底板简化为板单元，横撑简化为梁单元。有限元模型如图5 所示。

图5 带横撑U 型槽有限元模型图

通过计算，对深埋U 型槽设置横撑后，变为超静定结构，结构的安全性有所提高，且侧墙底部弯矩大幅度减小，最大为1282kN·m，仅为同样悬壁高度U型槽侧墙最大弯矩的一半。因此，在满足接触网等使用功能的条件下，应尽量对深埋U 型槽设置横撑，改善结构受力状况。

2.4 U 型槽防、排水设计

2.4.1 防水设计

U 型槽防水等级按一级设计，结构外包带自粘层的1mm 厚反粘式防水板，侧墙防水板外侧设置砖砌保护层，防止回填土时破坏防水板（见图6）。

图6 U 型槽防水断面图

2.4.2 排水设计

U 型槽槽顶应高出百年洪水位及内涝水位，综合考虑水位及未来城市发展，该工程U 型槽槽顶比现状地面高出约1.5m，同时保证与U 型槽衔接的路基填高不低于U 型槽侧墙高度，并在U 型槽与路基分界处设置挡水坎，防止地表水从路基段倒灌入U 型槽。

3 结论

经上述分析，得出如下结论：第一，设置于淤泥等地层较差段落的U 型槽，如果埋深较深，则侧墙所受侧压力较大，在满足接触网等使用功能的条件下，可以考虑设置横撑，改善结构受力情况。第二，深厚淤泥地层下，在U 型槽结构底部设置桩基础较为合理，在埋深较浅段落，桩基础可起控制沉降作用；当U 型槽埋深逐渐加深，地下水位较高时，桩基础可起抗浮作用，设计时应分情况进行验算。第三，深厚淤泥地层基坑采用放坡开挖方式时，边坡可采用混凝土桩加固，形成复合地基，提高边坡的黏聚力，有利于边坡稳定。第四，U 型槽结构的受力验算工况较多，需合理选取结构计算模型，分析有无列车荷载、地下水位高低、桩基础的组合影响，取最不利荷载组合进行结构受力验算。