收稿日期:20200106
作者简介：薛洪卫(1982 )，男,2008年毕业于中南大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，高级工程师㊂
文章编号:1672
7479(2021)02
0114
05
京张高铁北京北动车所上跨轨道交通13号线
薛洪卫㊀梁㊀磊㊀冯同同
(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京㊀100055)
㊀㊀摘㊀要：随着城市轨道交通建设快速发展，新建铁路与轨道交通交叉跨越越发频繁，为更好解决此
类工程防护问题，结合京张高铁北京北动车所上跨北京市轨道交通13号线交叉工程，对铁路跨越既有轨道交通的防护刚构的进行研究㊂针对跨越工点，利用MIDAS 等有限元软件建立防护结构有限元模型，对比选取不同基础刚度，分析研究防护刚架各设计参数，进行结构配筋并提出设计注意事项；另外，利用ANSYS 软件建立全场地模型，对结构整体施工工序进行模拟，提取变形㊁应力等重要结果，进行跨越防护方案专项安全评估，论证防护方案的可靠度及可行性㊂ 衣架制作
关键词：京张高铁；上跨轨道交通；防护刚构；设计要点分析;
安全评估中图分类号:U238;U448.23㊀㊀文献标识码:A
DOI:10.ki.tdkc.202001060003
开放科学(资源服务)标识码(OSID):
The Design of Protective Rigid Frame for Beijing North Bullet
Train Station of Beijing -Zhangjiakou High-speed
Railway with Metro 13Underneath
Xue Hongwei㊀Liang Lei㊀Feng Tongtong
(China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)背景广播系统
Abstract :With the rapid development of urban rail transit construction,the crossover between railway and rail
transit becomes more and more frequent.In order to find a better way to design the protection measures,the
protective rigid frame used in the crossover project of Beijing north high speed railway station which crossing
metro line 13were studied.The finite element model of the protective structure was established by MIDAS and
other software,and different foundation stiffness values were compared and adopted.The design parameters were carried out and the structural reinforcement was calculated.In addition,ANSYS software was adopted to build a full -field model to simulate the overall construction process of the structure,important factors such as
deformation and stress were carried out.Safety assessment was made to analyze the reliability and feasibility of
the scheme.
Key words :Beijing -Zhangjiakou High-speed Railway;cross rail transit;protective rigid frame;analysis of
design key points;safety assessment of physical engineering
㊀㊀随着我国高速铁路和城市轨道交通建设的大规
模发展，铁路与轨道交通交叉越发频繁，二者之间的相互防护成为城市内铁路及轨道交通工程建设的重点㊂对于小角度跨越，常规设计一般采用大跨结构，外加钢板桩或者打拔钢轨桩进行既有工程的防
护[1-2]㊂此类设计具有结构跨度大㊁施工周期长㊁防护要求高㊁经济性差等缺点，迫切需要考虑其他结构设计方式㊂ 刚构+钻孔桩 结构形式可有效降低跨越结构跨度及结构高度，减少施工周期，降低防护结构造价㊂以下结合京张高铁动车所上跨既有轨道交通13号线的跨越点设计，探讨防护刚架这一结构形式的可行性及安全性㊂
1㊀工程概况
京张高铁北京北动车所线路轨道上跨既有北京市轨道交通13号线地铁框架结构，其中，既有轨道交通13号线西二旗站-龙泽站区间轨道交通线路平面为直线-缓和曲线-圆曲线，圆曲线半径为400m㊂区间结构顶覆土厚度为2~3m，线间距为4.3m㊂区间断面为
钢轨㊂
(3)设计活载:CRH3车型空车荷载㊂
(4)设计使用年限：正常使用条件下梁体结构设计使用年限为100年㊂
(5)地震烈度：桥址区地震动峰值加速度为0.20g (相当于地震基本烈度Ⅷ度)，场地类别为Ⅲ类㊂地震动反应谱特征周期为0.45s㊂
2㊀防护设计概述
为保证既有轨道交通的安全，动车所采用采用 刚构+钻孔桩 的结构形式㊂本工点防护刚构接既有京包线防护框架，采用异形刚构[4-5]㊂每个刚构体系独立构成防护模块，沿轨道交通13号线保护框架外侧共设25个防护刚构模块及1个异形刚构模块，每个刚
3㊀防护刚架设计分析
本工点直㊁曲线段采用跨度16m 刚构进行防护，刚构宽9.9m，基础采用3根1.25m 钻孔桩，桩长
29m㊂曲线段刚构扇形布置，曲线外侧加宽[6-9]㊂泵房处采用跨度20.85m 刚构进行防护，刚构宽度13.2m，基础采用4-ϕ1.25m 钻孔桩，桩长29m㊂防护刚构采用现浇施工㊂直㊁曲线段刚构跨度分别为
16m㊁20.85m，刚构宽度分别为9.9m㊁13.2m，结构参数见表1㊂
表1㊀防护刚构结构参数
刚构号
刚构跨度/m
刚构宽度(含断缝)/m
2㊁7~13㊁15~24
169.9
3㊁4㊁2516
13.25㊁620.8513.21420.85
9.93.1㊀计算方法及模型
(1)选取不同跨度结构，建立空间模型，利用Midas 程序进行全桥结构内力计算㊂
(2)利用刚度模拟的方法对桥梁基础进行模拟㊂
采用Midas 程序按板单元进行模拟计算，共划分板单元474个㊂采用承台底桩基模拟点弹性约束，桩基础采用m 法进行计算(m 为桩侧地基土水平抗力系数的比例系数)，通过分析比较m =2000㊁m =5000㊁m =45000弹性约束条件下模型内力[10-11]，再通过模型计算结果提取内力，采用内力结果对梁㊁墩进行配筋计算，模型如图3所示
㊂
图3㊀防护刚构midas 模型节点单元
㊀
(3)荷载组合
分别以主力㊁主力+附加力㊁ 主+特 进行组合，取
最不利组合进行设计㊂并对特殊荷载进行检算㊂3.2㊀分析计算结果及配筋
利用MIDAS 模型进行结构受力分析计算，经计算，得 主+附 为结构设计控制工况，该工况下顶板弯
矩如图4所示㊂
结合控制工况，进行结构各截面优化设计及配筋
设计[12-14]，主要配筋结果如表2所示
㊂
图4㊀主加附工况下防护刚构顶板弯矩㊀表2㊀防护刚构结构主加附工况配筋检算
位置
跨中主梁墩顶
负弯矩区
墩顶截面项目16m 防护刚构计算结果20.85m 防护刚构计算结果限值钢筋应力/MPa 171.7176.7270混凝土应力/MPa 7.609.4516.2裂缝宽度/mm
0.170.160.24钢筋应力/MPa
145.5161.1270混凝土应力/MPa
4.668.6116.2裂缝宽度/mm
0.140.150.24钢筋应力/MPa
138.51150.6270混凝土应力/MPa
4.4110.7616.2裂缝宽度/mm
0.13
0.122
0.24
3.3㊀刚构横梁挠度检算
在防护刚构上铺设京张高铁轨道交通结构，经检
算，在多线静活载工况下，防护刚构结构横梁变形挠度符合规范要求(见表3)[15-17]㊂
为更好与动车所内股线顺接，线位均位于动车所
内，空车速度小于60km /h，在防护刚架与场坪间设置整平块，以保证刚架结构与场坪股道的顺接，满足轨道变形要求㊂
表3㊀防护刚构跨中挠度检算结果
跨度/m 跨中挠度值/mm
草率的爆破挠跨比挠跨比规范限值
16
2.0671/77401/135020.85
3.622
1/5756
1/1350
3.4㊀桩基检算
采用B89程序进行桩基受力及配筋计算，经计算，桩基桩长由主力工况控制，桩基配筋由 主+震 工况控制㊂全部刚构桩基布置及桩基受力检算结果如表4㊂
表4㊀防护刚构桩基布置及桩基受力检算结果
墩号桩基布置桩长/m 控制容许承载力/kN 桩头力/kN 2
2-3ϕ1.2532338130663~6
2-4ϕ1.2532347233417~242-3ϕ1.25323474306625
2-4ϕ1.25
32
3502
3066
㊀㊀通过比选计算，对于单排桩，存在弯矩较大㊁桩基配筋较多等状况；同时，顶板刚度对桩基配筋影响较大，需反复比选，对二者刚度予以优化匹配㊂
4㊀专项安全评估分析4.1㊀评估模型建立
根据新建京张高铁动车所防护刚构与轨道交通
13号线相对位置关系及影响范围，选取本次评估的范围为沿既有地铁线路纵向方向320m，线路横向
120m，土层厚度35m㊂评估范围示意和模型示意如图5㊁图6所示
㊂
图5㊀评估范围示意
㊀
图6㊀结构模型示意
㊀
4.2㊀评估方法及工序模拟
考虑本次防护刚构施工引起的地铁线路结构上浮与地层关系密切，故采用地层-结构模型进行变形分析㊂采用ANSYS 软件，模拟新建京张高铁动车所防护刚构的施工过程对轨道交通13号线西二旗站-龙泽站区间结构及轨道的安全性影响，提供既有结构的变形分析结果，评估轨道交通13号线结构和轨道结构的安全性[18-20]㊂
根据施工方案，模型开挖分为以下几个阶段，包
括基础施工㊁承台施工㊁刚构施工等，由于现场施工范围较大，可能多段同时施工，考虑到不同段对地铁施工影响类似，故按最不利工况考虑，模拟具体阶段见表5㊂
表5㊀施工模拟工序说明
工序说明
第一阶段开挖地铁上方表层土
第二阶段桩基施工第三阶段承台土方开挖第四阶段
施加框架桥荷载
4.3㊀评估结果及基本结论
新建京张高铁动车所防护刚构施工会引起临近既
有地铁区间结构及附近地表产生一定程度的附加变形和差异沉降，为了评价工程施工对既有地铁区间结构的影响，应对变形进行预测分析㊂
新建京张高铁动车所防护刚构的施工过程对既有轨道交通13号线区间隧道结构及地表产生一定程度的附加变形，为有效了解这种附加变形，将分析各工序下区间隧道结构的横向变形和竖向变形㊂为了反映既有结构的变形情况及规律，将提取各阶段施工完成后既有结构的变形云图，以分析既有结构的变形规律㊂
由ANSYS 模型的计算结果可知，既有13号线区间隧道的横向变形最大值为0.090mm，发生曲线部分
主体结构侧墙(偏向曲线外侧)；竖向变形最大值为
1.614mm，最大竖向变形发生在打桩工序，曲线部分主体结构顶部㊂最大竖向变形云图及变形量见图7~图10及表
6㊂
图7㊀施工模拟阶段1竖向变形
㊀图8㊀施工模拟阶段2竖向变形
㊀
图9㊀施工模拟阶段3竖向变形
㊀
图10㊀施工模拟阶段4竖向变形
㊀
表6㊀轨道交通13号线区间隧道结构变形结果
变形
竖向变形
横向变形
工序
变形值/mm
变形方向变形部位
第一阶段0.298
上浮曲线部分主体结构顶部第二阶段 1.320下沉曲线部分主体结构顶部第三阶段 1.280上浮曲线部分主体结构顶部第四阶段 1.614下沉
曲线部分主体结构顶部
第一阶段0.001
偏向曲线外侧曲线部分主体结构侧墙第二阶段0.086偏向曲线外侧曲线部分主体结构侧墙第三阶段0.088偏向曲线外侧曲线部分主体结构侧墙第四阶段0.090
偏向曲线外侧曲线部分主体结构侧墙
根据三维有限元分析计算，通过13号线区间隧道结构底部两个典型截面的变形趋势来分析轨道结构变形，结果表明，新建京张高铁动车所防护刚构工程引起既有轨道交通13号线区间地铁轨道结构产生一定的变形，轨道交通13号线轨道结构最大竖向变形值为
1.444mm(下沉)㊂
通过建立三维地层-结构模型，对既有轨道交通
13号线隧道结构及轨道结构进行变形计算分析可以看出，由于新建京张高铁动车所防护刚构的施工，既有轨道结构产生了一定程度的竖向变形和横向变形㊂根据计算所得施工引起的既有地铁结构预测变形值以及变形云图进行分析可以得出如下结论：本项目风险点评级为一级，总体影响较大，应采取一定的轨道防护措施和监测措施，以确保地铁列车安全运行；区间隧道结
构本身承载力相对于计算沉降值仍有较大富余，故该工程安全㊂
5㊀结论
京张高铁北京北动车所上跨轨道交通13号线工程为京张高铁市内重要节点，此处为多线小角度跨越，结构纵横向跨度要求高，采用 防护刚构+钻孔桩 的防护结构形式，可有效发挥刚构结构桥跨越能力强㊁整体刚度大㊁结构稳定性㊁动力性能好㊁建筑高度低等优
整流桥堆
点，可有效解决动车所多线上跨既有轨道交通的安全问题，为此后同类工程提供设计参考㊂
参
波纹片焊接机
考
文
献
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