新建建筑條形基礎對既有高速鐵路高架站橋梁的影響

段　鈜

(中鐵第四勘察設計院，湖北武漢 443000)

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新建建筑條形基礎對既有高速鐵路高架站橋梁的影響

段鈜

(中鐵第四勘察設計院，湖北武漢 443000)

【摘要】由于高速鐵路設計時速快，對線路的平順性有著極其嚴格的要求。在既有高速鐵路橋梁附近修筑建筑結構物會不可避免地引起區域內的土體沉降，繼而引起鐵路橋墩變形，影響鐵路行車安全。文章以一處位于鐵路下方采用條形基礎布置的新增庫房結構為主要分析對象，通過ABAQUS軟件建立有限元數值實體分析模型。研究了該結構施工及使用過程中引起既有鐵路橋梁基礎的受力、變形變化情況，為該類涉鐵工程的設計和施工提供參考。

【關鍵詞】既有高鐵橋梁；數值模擬；ABAQUS；影響評估

高速鐵路多采用高架形式布置，其橋下空間為綜合保養點的擴建工程提供了場地條件。但眾所周知，高速鐵路由于車輛設計速度快，對軌道的平順性要求較高，需要嚴格控制其建成后的不均勻沉降。在高速鐵路橋梁下方修建建筑，其附加荷載必然會引起局部土體下沉，繼而引起臨近的既有鐵路橋墩、基礎產生變形，影響既有鐵路的行車安全。因此，有必要分析新建建筑的施工及運營過程對既有鐵路的影響程度。

本文結合國內綜合保養點改造擴建工程，通過有限元仿真技術，分析了新建的條形基礎庫房結構對既有鐵路橋梁所產生的影響。

1工程概況

本次綜合保養點改造工程位于某高速鐵路樞紐范圍內，新增工程總建筑面積共724m2，其中對既有橋梁影響較大的主要為新增庫房建筑。本區域共有3座橋梁，分別隸屬于京滬高鐵、滬漢蓉鐵路、寧安城際鐵路。庫房結構結構下穿上述3條鐵路高架橋梁，均為簡支梁形式，上覆軌道形式均為無砟軌道，其平面布置見圖1。

圖1　庫房結構與既有鐵路橋梁的平面關系

如圖1所示，庫房建筑采用地上一層結構設計，無地下室，結構采用鋼筋混凝土框架結構，基礎形式為柱下條形基礎，基礎平面布置圖如圖2所示，房屋高度4.200m。條形基礎邊緣與既有鐵路橋墩中心邊緣最小距離為7.49m。

該區域地質條件較好，庫房下臥持力土層為硬塑粉質黏土，基本承載力σ0=180kPa；橋梁樁底土層為弱風化砂巖，基本承載力σ0=600kPa。

2影響因素分析

由圖3可知，建筑基礎底面設計標高位于現狀地面以下1.3m處位置，需要開挖施工，考慮到基底墊層等因素，其開挖最大深度可達1.5m，需要考慮基坑開挖對既有鐵路橋梁產生的影響；其次，建筑建成后其自身荷載通過建筑基礎傳遞到下臥土層，使土體產生變形，繼而引起鐵路橋梁樁基礎的變形；第三，在使用階段，庫房內部的各種使用荷載均會對土體產生一定程度的擠壓。

圖2　庫房結構基礎平面布置

圖3　庫房結構及基礎與既有鐵路橋梁的立面關系

3變形控制標準

新建站房改造工程對高鐵橋梁的影響主要集中在對墩身、基礎的強度和變形的影響，其影響值不能超過《高速鐵路設計規范》[2](以下簡稱高規)和現行鐵路橋涵相關設計規范的規定。因高速鐵路設計標準高，行車速度快，對線路穩定性及平順性要求高，對結構剛度及變形控制嚴格。關于墩身、基礎變形的評判技術標準限值主要有以下兩項。

(1)墩臺變形。墩臺剛度是影響車橋耦合振動體系的關鍵因素之一，而橋梁下部結構的橫向剛度對車橋耦合振動體系的影響較為明顯，尤其是對橫向動位移的影響更大。因此《高規》中規定墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應不大于1.0 ‰弧度，第7.3.3條規定，無砟軌道橋梁相鄰端兩側的鋼軌支點橫向相對位移不應大于1mm。

基礎沉降。橋梁墩臺基礎工后沉降限值主要是為滿足高速列車運營安全和舒適要求。高鐵規范對高速鐵路橋梁墩臺基礎的沉降提出了嚴格的要求。根據7.3.10 條，墩臺基礎的沉降應按恒載計算，其工后沉降量不應超過表1的限值。

表1　靜定結構墩臺基礎工后沉降限值　mm

新建庫房工程影響范圍內只有高鐵幾個橋墩，從大范圍來講，其沉降為不均勻沉降。橋梁基礎不均勻沉降滿足表1的沉降限值后，可以不通過扣件或支座高度調整予以消除或減弱即可滿足軌道平順性要求。但由于新建庫房工程為高鐵施工完成后的后建工程，上限值原本不包含后建工程的影響值，所以只能在原設計富余量中考慮實際影響。

綜合以上兩點，從高鐵結構物變形控制嚴格的角度和后期維修養護的角度考慮，以本工程施工、運營對高鐵橋梁的墩頂橫向、縱向位移以及基礎沉降的影響值不超過1mm為評判標準[3]，從而將本工程實施對高鐵的不利影響控制在最低程度。

4計算分析

根據上述影響因素和變形控制標準，建立了有限元模型進行計算分析。受限于現有的計算機計算能力，建立整個受條形基礎影響區域內的土體及橋墩基礎有限元模型是不現實的。考慮到各個橋墩在附近條形基礎作用下的受力和變形機制相同，選取最不利位置建立單個橋墩的模型即可滿足要求。經過分析比較，特選取了距離條形基礎較近且墩頂線剛度最小的橋墩為主要分析對象。

4.1計算模型

采用有限元軟件ABAQUS建立數值分析實體模型，在該模型中模擬了上述橋墩基礎及其附近的條形基礎開挖、施工、承載、等工況，模型布置圖如圖4所示，模型土體尺度為60m×60m×50m。

圖4　數值模型示意圖

該模型共有130 078個節點，121 630個單元。模型中包括了土體、橋墩基礎、庫房條基3個部分，全部由六面體單元C3D8R組成。土體與基礎之間采用面對面接觸形式連接以模擬樁土作用。建筑基礎開挖則采用modelchange技術實現，條形基礎的激活則采用了追蹤單元法模擬。

4.2計算工況

分析步驟如下：工況0地應力平衡。工況1開挖建筑基坑，根據建筑設計單位所提供的資料，基坑采用1∶1坡度放坡開挖，開挖深度為1.5m。工況2條形基礎建成。在該工況中，將建筑條形基礎在模型中激活，使其在重力作用下對土體產生作用。工況3模擬基礎回填。將之前殺死的土體單元再次激活，使其對周圍土體產生作用，模擬基礎土體回填。工況4施加建筑荷載。在該步驟中模擬整個建筑建成，將建筑產生的最大荷載施加到條形基礎相應位置。工況5模擬建筑使用階段，在建筑范圍的土面上施加活載，用于計算建筑考慮共計20t的貨物平均堆放于庫房地面上，即在庫房區域內的土面上施加900Pa的均布壓力。

4.3既有橋梁基礎受力分析

通過模型計算，提取了受影響橋墩在新增庫房房各工況作用下的4個角樁的側摩阻力、樁身軸力、彎矩，圖5所示為1號角樁各階段樁側摩阻力和樁身內力豎向分布情況。

圖5　受影響橋墩1#角樁各工況下樁側摩阻力、樁身內力分布情況

由計算結果可知，庫房施工各階段均對樁側摩阻力造成了一定的影響，且在埋深為0～15m的范圍內側摩阻力變化值相對較為明顯，但總體來看側摩阻力變化程度不大；樁身軸力在各工況作用下其分布曲線幾乎重合，未見明顯增減。樁身順橋向彎矩及順橋向建立在各工況作用下均出現了不同程度的變化，且規律較不明顯；提取了在各工況下的樁身正應力情況發現，最大樁身主應力增量為0.24MPa，由于該基礎的樁身應力具有較大的設計富余量，故可認為基礎受力仍在安全范圍內。

4.4既有橋梁基礎變形分析

圖6為建筑建成后既有鐵路橋梁基礎變形形態圖。可以發現，庫房結構施工前，鐵路橋梁基礎在自身最不利荷載作用下發生順橋向的偏轉，部分樁身已產生一定程度的彎曲。庫房基礎基坑開挖后，該區域內的地應力得到釋放，土體向基坑方向發生位移，進而擠推鐵路橋梁樁基上部，使其發生了向著庫房基坑方向的位移；而在基坑回填和建筑持荷后，區域內土體收到回填土以及建筑荷載的影響產生背向基坑方向的位移，鐵路橋梁樁基上部也繼而隨之產生了該方向的變形。

圖6　庫房建成前后樁基變形形態(放大系數1 000)

計算所得的各工況作用下的墩頂中心位移數值和沉降數值如表2所示，均滿足1mm的控制變形限值要求。

表2　橋墩墩頂中心位移和豎向沉降值　mm

5結論

通過對某既有高鐵橋梁下方新建庫房結構附近的橋梁樁基進行數值模擬，研究并分析了橋梁基礎受力變化、橋梁基礎變形變化等情況，可以得出以下結論。

(1)新增庫房施工過程中，既有鐵路橋梁樁基側摩阻力、樁身軸力未出現顯著變化，樁身應力仍然滿足設計要求，樁基承載力未受到建筑施工影響。

(2)在地質條件較好的情況下，該新增庫房采用條形基礎設計時，其施工過程中及建成之后，引起的既有鐵路橋梁位移增量主要以順橋向位移為主，約為0.872mm，未超過1mm的控制變形限值要求。

(3)通過對比各個工況下的墩頂中心位移值大小發現，既有鐵路橋梁在庫房基坑開挖階段產生的順橋向位移值最大，但在條形基礎完工并回填后，墩頂位移又恢復到相對較低的水平。因此建議在進行類似工程施工時，應盡可能的采用支護開挖的形式，并合理加快施工速度，盡快完工并回填。

(4)由于有限元計算的局限性，模型中對實際情況進行了一定程度的假設和簡化，因此對于涉及到既有高速鐵路橋梁的新建工程，除了采用理論計算的方式進行定量分析外，還應在施工期間加強監測，密切關注鐵路橋梁及周邊土體的變形情況，做到勤測勤調，同時制定施工緊急預案，確保工程施工中和施工后高速鐵路運營安全。

參考文獻

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[6]費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

【中圖分類號】U445.7

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-05-09