鐵路路基下穿高速公路對既有橋墩影響數值分析

陳向浩

(中鐵四院集團巖土工程有限責任公司， 湖北武漢 430000)

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鐵路路基下穿高速公路對既有橋墩影響數值分析

陳向浩

(中鐵四院集團巖土工程有限責任公司， 湖北武漢 430000)

隨著國內鐵路交通網絡越來越密，下穿既有建筑物的工程建設會越來越多。文章通過蒙華鐵路下穿內鄧高速公路的案例，介紹了工程概況、地質條件、地層物理參數，通過建立三維有限元模型，在初始地應力基礎上模擬了施工過程中開挖、填筑、運營三種工況下對既有橋墩的影響。結果顯示鐵路填筑及列車運營會引起附近的內鄧高速公路橋墩的附加沉降，累計沉降約8 mm。研究成果在指導現場施工的同時，可為類似工程提供參考。

鐵路路基； 下穿高速公路； 附加沉降； 數值分析

1 工程概況[1]

蒙華鐵路下穿內鄧高速公路，交叉處鐵路里程DK968+960、填高2 m，公路里程K73+169、7×35 m組合箱梁(圖1)。蒙華鐵路下穿高速公路處與焦柳鐵路并行，兩鐵路線間距30 m，高速公路以35 m跨度分別跨越兩鐵路，交叉角度71°。蒙華鐵路左線線路中心距離內鄧高速公路橋墩最近12.97 m，路堤排水溝距離橋墩最近1.89 m；鐵路右線線路中心距離公路橋墩最近12.92 m，路堤排水溝距離橋墩最近1.93 m(圖2)。下穿處公路梁底標高123.10 m，鐵路路肩標高115.10 m，高差8 m，滿足鐵路凈空要求。

圖1 下穿內鄧高速公路設計平面

圖2 下穿內鄧高速公路橫斷面

2 地層巖性及土層物理力學參數[2]

場地主要地層巖性及土層物理力學參數見表1。

表1 土層物理力學參數

基床材料物理力學參數：基床表層和基床底層的壓實標準[3]應符合表2、表3。因此后續計算中，基床表層和基床底層的變形模量分別取55 MPa和40 MPa。

表2 基床表層壓實標準

表3 基床底層填料及壓實標準

3 數值建模

3.1 模型建立

根據平面布置(圖1)及橫剖面(圖2)，建立三維有限元模型(圖3)，土層參數取值如表1所示。墩柱上的橋梁荷載，采用24 000 kN的分布力等效代替。

3.2 荷載工況

(1)地應力平衡。為獲得原場地的初始應力狀態，確保后續彈塑性數值計算的合理性，首先要進行地應力平衡。

(2)開挖。采用單元生死的方法，將腳墻、排水溝等位置處的土體單元鈍化，以此來模擬路基施工的開挖過程(圖4)。

圖4 路基施工的開挖過程

(3)路基填筑。采用單元生死的方法，將腳墻、排水溝、基床底層、基床表層等位置處的土體單元激活，以此來模擬路基的填筑過程。

(4)列車運營。路基上的軌道及列車荷載換算土柱高度和分布寬度應符合表4的規定[4]。按換算土柱重度19 kN/m3，列車和軌道活荷載Z取1.2倍，可知列車和軌道荷載可以等效成74.1 kPa均布荷載(圖5)。

表4 列車和軌道荷載換算土柱高度和分布寬度

圖5 運營荷載施加示意

4 計算結果

4.1 原場地地應力平衡

地應力平衡結果如圖6所示，完成地應力平衡后將位移清零(圖7)。

圖6 地應力平衡后豎向應力

圖7 地應力平衡后位移清零

4.2 開挖

路基開挖完畢后，豎向位移云圖如圖8、圖9所示。由圖可知開挖主要引起了路基底部的隆起，最大隆起值約7.7 mm。受開挖影響公路橋最大沉降值約0.95 mm，隆起值約0.05 mm可忽略不計，最大最小值發生的位置如圖9所示。

圖8 開挖后豎直方向位移云圖

圖9 開挖后公路橋豎直方向位移云圖

4.3 路基填筑

路基填筑完畢后，豎向位移云圖如圖10、圖11所示。受路基填筑影響公路橋最大沉降值累計約4.9 mm，最大隆起值累計約0.36 mm，最大最小值發生的位置如圖11所示。

圖10 路基填筑后豎直方向位移云圖

圖11 路基填筑后公路橋豎直方向位移云圖

4.4 運營

列車長期運營后，豎向位移云圖如圖12、圖13所示。受列車運營影響公路橋最大沉降值累計約7.9 mm，最大隆起值累計約0.05 mm，最大最小值發生的位置如圖13所示。

5 主要結論

通過三維有限元數值分析可知， 鐵路路基開挖、填筑及列車運營會引起附近的內鄧高速公路橋墩的附加沉降，各施工階段引起的橋墩的附加沉降值見表5。

圖12 列車長期運營后豎直方向位移云圖

圖13 列車長期運營后公路橋豎直方向位移云圖

[1] 張占榮. 蒙華鐵路三門峽至荊門段控制性工程勘測報告[R]. 2014.

[2] 高威. 蒙華鐵路三門峽至荊門段下穿內鄧高速段地質勘察報告[R]. 2014.

[3] TB 10621—2014 高速鐵路設計規范[S].

[4] TB 10001—2005 鐵路路基設計規范[S].

陳向浩(1986～)男，碩士，工程師，主要從事鐵路相關巖土工程勘察設計與施工管理工作。

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[定稿日期]2017-03-03