新建公路下穿高鐵對既有高鐵樁基的影響分析

毛 亞 平

(中鐵第五勘察設計研究院集團有限公司鄭州勘察設計院，河南 鄭州 450000)

新建公路下穿高鐵對既有高鐵樁基的影響分析

毛 亞 平

(中鐵第五勘察設計研究院集團有限公司鄭州勘察設計院，河南 鄭州 450000)

結合擬建高速公路連接線下穿鄭西客運專線立交工程，建立了有限元模型，就新建高速公路對既有鄭西客運專線樁基的沉降影響展開了分析，并研究了新建公路工程施工前后對高鐵樁基沉降的影響，得出了一些有益的結論。

高速鐵路，沉降分析，GTS，樁基

0 引言

自中國第一條高速鐵路——京津城際高速鐵路于2008年建成通車后，高速鐵路進入全面迅速的發展時期；先后有鄭西高鐵、武廣高鐵、京滬高鐵等建成通車。高速鐵路的設計速度每小時達到300 km，故其對基礎的沉降要求非常嚴格，以保證高速鐵路運營的安全性。而公路網與鐵路網的遠景規劃不盡一致，規劃中的公路由于既有鐵路網的存在，通常采用上跨或者下穿的立交方式穿越鐵路線。當公路與高鐵交叉時，一般采用下穿方式通過。新建的公路增加了既有高鐵周圍的荷載，改變了高鐵樁既有的應力狀態。

依據《高速鐵路設計規范》[5]，靜定結構無砟軌道高鐵墩臺的工后沉降值應小于20 mm，且其相鄰樁墩臺的沉降差應小于5 mm。很明顯，當新建公路下穿高速鐵路時應對既有高鐵樁基進行受力分析，否則下穿高速鐵路的公路有可能引起高鐵樁基的沉降量超過《高速鐵路設計規范》限制值，這將危害高鐵運營的安全。

本文結合新建洛嵩連接線公路工程下穿鄭西高鐵客運專線立交工程，采用Midas/GTS有限元分析程序建立模型，開展對既有高鐵的沉降分析。

1 工程概況

新建洛陽至嵩縣高速公路連接線工程分幅設計，左幅下穿鄭西客運專線洛河特大橋92孔，右幅下穿93孔。擬建工程采用“U”槽結構，“U”形槽結構長度為75 m，底板厚為0.5 m，邊墻厚為0.5 m。寬度分別為22.75 m，下部基礎為：15 cm厚C20混凝土墊層+30 cm厚三七灰土(換填)，交角90°。斷面設計為雙向六車道。

洛河特大橋92號～94號樁基為10根樁徑為1.0 m的鉆孔灌注樁，樁長分別為18.5 m，17.5 m和24.5 m，樁間距為2.8 m。根據巖土體物理力學性質及分布特征，各層巖土工程性能評價如表1所示。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

Midas/GTS程序應用性非常強，廣泛應用于巖土工程中，可分析巖土工程學中2D和3D的變形、穩定性以及地下水滲流等，能夠模擬復雜的工程地質條件，尤其適合于變形、穩定性分析、沉降分析等。

Midas/GTS中，本工程土體單元采用映射法劃分單元網格，劃分后單元為八節點的六面體單元，土體尺寸為100 m×35 m×40 m(分別為洛河特大橋的順橋向、橫橋向和土層厚度)，建立如表2所示的五個施工階段；通過施工階段的分析，建立有限元模型進行數值模擬計算，主要的簡化如下：

1)初始應力場的模擬：根據勘察報告提供的不同土層剖面，考慮不同的土體分層條件和重度，計算基坑開挖前土體初始應力場分布；考慮了既有鄭西鐵路客運專線橋墩對初始應力場的影響。

2)連續介質的模擬：有限元數值計算中土體采用“摩爾—庫侖(M—C)”土體彈塑性模型，鄭西客專線鐵路橋樁基礎采用線彈性樁單元模型，同時建立摩擦界面單元(考慮了土體和樁結構之間的相互作用)。

3)邊界條件：對計算土體的底面約束豎向z的位移，側面分別約束橫向x、縱向y的位移，地表為自由面；鐵路橋樁基礎約束z方向的轉角。新建洛嵩高速公路與洛河特大橋空間位置圖和建模分析圖分別見圖1～圖3。

表1 地質土層資料表

表2 施工工序表

表3 洛河特大橋92號～94號橋墩中心處沉降量(一) mm

2.2 有限元分析

采用Midas/GTS建模，假定樁基初始應力場為零，采用“激活、鈍化”模型中路面結構單元，改變樁基所在的應力環境；車輛荷載等效換算為均布荷載，以面荷載的形式作用于路面結構上；通過計算分析，得到各個階段樁底沉降位移，如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6斷面云圖中分析可知，洛河特大橋92號～94號樁基礎在洛嵩高速公路建成及運營階段新增加沉降值分別為0.694 mm，1.499 mm，0.574 mm，由以上有限元計算結果可以得到表3。

由表3可得圖7，在不同階段樁底豎向位移變化圖。

從圖7及表3中可知，洛嵩高速公路建成后，高鐵樁基沉降值有所增加，但其值較小，均在《高速鐵路設計規范》[5]限制值之內。同時，可知93號樁基沉降值稍大，主要原因在于93號樁基兩側均新增附加荷載值。

3 采用經驗公式法計算沉降量

參考TB 10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范(以下簡稱為“規范”)，由規范可知：摩擦樁樁基的總沉降量可將樁基視作實體基礎計算，其附加應力應為樁底平面處的附加應力[4]。

簡化原理：把“U”槽結構自身恒載按應力擴散角原理，依次擴散至相應各個土層。洛河特大橋92號～94號基礎為10根樁徑1 m的摩擦樁，根據規范，我們把其簡化為以邊樁和角樁外輪廓連線構成的整體基礎計算其整體沉降；按規范分層總和法的沉降計算公式，計算由新建公路引起的新增沉降量。

鐵路橋基底及公路橋樁尖以下各層土的附加應力的計算參考規范[4]進行計算。按分層總和法計算基礎沉降量均可簡化為以下公式[4]：

依據規范的經驗公式，求得新建公路新增荷載產生的附加應力值，可得到表4。

表4 洛河特大橋92號～94號橋墩中心處沉降量(二) mm

通過計算可知，92號～94號樁基新增加沉降值為0.727 mm，1.619 mm，0.653 mm。對比表3和表4可知，采用有限元軟件計算與采用經驗公式計算結果基本一致。

有限元法和經驗公式法的計算存在差異，其主要原因在于：經驗公式法未能考慮土的粘聚性，只是采用內摩擦角簡化經驗系數，且經驗公式法計算基礎底面以下同一土層各點的附加應力均相等。同時在計算新建左、右幅路面結構及車輛荷載引起93號樁基的沉降值時，只是附加應力簡單的疊加，故其計算結果均較有限元數值計算結果偏大。

4 結語

通過以上的分析，可以得到以下幾點結論：

1)以實際工程項目為背景，采用經驗公式和大型有限元軟件分別計算分析，較為詳細的分析了下穿既有鐵路的新建公路對既有高速鐵路基礎的影響，通過兩種方法的計算分析，可知采用有限元法與經驗公式法計算的結果基本一致。

2)計算結果表明，新建公路下穿鄭西高速鐵路對既有高鐵樁基影響均較小，樁基沉降量均在《高速鐵路設計規范》設計值之內。

3)公路下穿高速鐵路時盡量避免下穿路基區段，下穿高速鐵路橋區段應控制基礎附加沉降的大小。

4)本論文的計算分析結果將結合實際施工作進一步深化，其結果對同類下穿高鐵的公路工程起一定的借鑒作用。

[1] 包德勇.近距離交疊隧道施工影響的數值模擬[J].地下空間與工程學報，2011，7(1)：127-132.

[2] 劉志祥，郭永樂，周士霖.隧道下穿橋梁的橋墩穩定性未確知測度評價研究[J].中國安全科學學報，2011，21(4)：97.

[3] 徐而進，陳 偉，褚 峰．樁基沉降對緊鄰地鐵隧道的影響分析[J].結構工程師，2009(8)：119-123.

[4] TB 10002.5—2005，鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].

[5] TB 10621—2009，高速鐵路設計規范[S].

On analysis of influence of down-traversing express railway on existing express railway pile foundation under the newly-built roads

Mao Yaping

(ZhengzhouSurveyandDesignInstitute,ChinaRailwayNo.5SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

Combining with the plan for expressway connection line down-traversing Zhengzhou-Xi’an Passenger Special Line interchange project, the paper analyzes the influence of the newly-built expressway on the settlement of Zhengzhou-Xi’an Passenger Line, researches the influence of the road project on the settlement of the express railway pile foundation, and achieves some better conclusion.

express railway, settlement analysis, GTS, pile foundation

1009-6825(2015)07-0154-03

2014-12-23

毛亞平(1985- )，女，助理工程師

U213.1

A