樁板及空心板梁橋結構下穿軟土區高鐵橋梁的數值模擬研究

楊菲

（山西省交通科學研究院，山西 太原030006）

樁板及空心板梁橋結構下穿軟土區高鐵橋梁的數值模擬研究

楊菲

（山西省交通科學研究院，山西 太原030006）

道路下穿高鐵橋梁施工會使高鐵橋梁橋墩產生過大位移，可能會影響鐵路的安全。針對道路下穿高鐵橋梁施工對高速鐵路的影響，以丹陽市區至濱江新城快速通道下穿京滬高速鐵路張巷特大橋工程為背景，利用Plaxis巖土工程有限元軟件進行三維施工模擬，并將計算結果輸入利用ABAQUS通用有限元軟件建立的高速鐵路橋上無砟軌道精細化模型，從而評估新建樁板及空心板梁橋下穿高鐵橋梁方案施工對京滬高鐵橋上無砟軌道的影響。計算結果表明，樁板結構與空心板梁橋方案對高鐵的影響均滿足結構保護及運營安全要求。

道路；市政工程；下穿施工；高鐵橋梁；數值分析

隨著高速鐵路網絡的完善，城市道路下穿高鐵橋梁的情況也越來越多。新建道路施工會改變高鐵橋梁周邊土體的應力場，造成周圍土體的擾動，從而使高鐵橋梁橋墩產生過大位移，鑒于高速鐵路對線路平順性要求較高，過大的位移可能會影響鐵路的運營安全[1-4]。基于規范及鐵路相關保護部門規定，為保證高鐵橋梁的運營安全，新建道路須盡量下穿高鐵橋梁，新施工鉆孔樁距既有高鐵橋梁鉆孔樁間距大于6倍樁徑，道路邊緣距離高鐵橋墩的凈距不得小于2.5m，同時須設SS級防撞墻，高速鐵路橋下通行凈空原則上大于5m[5]。目前，新建道路下穿高鐵橋梁主要有路基方案、“U”形槽方案、樁板結構方案、橋梁方案等[1，2，4，6]。樁板結構方案、橋梁方案對高鐵橋梁影響較小，因而在軟土地區使用較多。

為了保障高鐵運營安全，極有必要對道路下穿高鐵橋梁方案進行安全評估，選擇合理的施工方案及措施，從而減小道路下穿施工對高鐵橋梁的影響。本文以江蘇省丹陽市區至濱江新城快速通道下穿京滬高速鐵路張巷特大橋工程為例，采用三維有限元數值模擬方法，對新建道路的樁板及空心板梁結構下穿高鐵橋梁方案進行施工安全研究。

1 工程概況

丹陽市區至濱江新城快速通道起自丹桂路東延段與站前路交叉處，止于南環路與丹東公路交叉處，路線全長15.271 km。根據規劃方案，丹陽市區至濱江新城快速通道（以下簡稱“濱江快速通道”）下穿京滬高速鐵路張巷特大橋37#～39#橋墩，濱江快速通道大致于京滬高速鐵路DK1120+213.70里程處與高鐵線路相交，下穿段為雙向六車道，設計速度100 km/h。京滬高鐵設計速度為380 km/h，既有京滬高鐵張巷特大橋橋址位于坳谷地貌，地面平坦，地勢開闊，橋梁全長1 330.96m。京滬高鐵張巷特大橋為32m后張法預應力混凝土雙線簡支箱梁，雙柱墩，空心臺，基礎采用樁徑為1m的鉆孔灌注樁基礎，軌道結構型式為無縫線路的無砟軌道，線間距為5m。濱江快速通道下穿京滬高鐵張巷特大橋位置實景見圖1，下穿處京滬高鐵墩臺基本情況見表1。

圖1 下穿位置實景Fig.1 The real scene of the construction location

表1 橋梁墩臺基本情況Tab.1 Basic information of the bridge piers

擬建場地地面平坦、地勢開闊，周邊土地尚未開發。施工場地地層從上自下主要為粉質黏土、粉土、淤泥質粉質黏土、含礫粉質黏土及泥質粉砂巖等；地層物理力學指標見表2。

表2 土層物理力學性質指標表Tab.2 Physical andmechanical properties of soil

2 道路下穿高鐵方案

根據規劃，丹陽市區至濱江新城快速通道下穿京滬高鐵張巷特大橋37#～39#橋墩段為雙向六車道，設計速度100 km/h，設計荷載為公路Ⅰ級。根據平面線位走向，濱江快速通道在京滬高速鐵路張巷特大橋37#～39#橋墩之間下穿。根據下穿張巷特大橋形式不同，擬建設計方案為新建樁板結構下穿方案及新建空心板梁橋下穿方案。

2.1 樁板結構下穿方案

樁板結構下穿方案見圖2，在原地面上新建混凝土樁板結構，分兩幅布置，左、右幅樁板均寬20m。右幅公路防撞墻外側與38#墩臺最小距離為2.08m，與38#墩臺上橋墩最小距離為3.70m；左幅公路防撞墻外側與38#墩臺最小距離為1.88m，與38#橋墩臺上橋墩最小距離為3.50m。公路防撞墻外側與橋墩墩身距離均大于2.5m，樁板結構樁基與高鐵橋38#墩既有樁的最小距離為6.17m。

圖2 樁板結構下穿方案Fig.2 Traversing construction plan w ith pile-plank structure

公路路面至梁底最小凈高約為6m≥5.5m，公路從設計起點以0.35%下坡下穿京滬高速鐵路。樁板結構下穿段左、右幅跨度均為（8+13+13+13+8）m，總長度均為60m。板采用C40鋼筋混凝土，樁基為φ1m鉆孔灌注樁，樁長35m，采用C35鋼筋混凝土。樁板結構板底標高為7.423m，原地面標高6.587m。

2.2 空心板梁橋下穿方案

空心板梁橋下穿方案見圖3，在原地面上新建空心板梁橋，分兩幅布置，左、右幅樁板均寬20m。右幅公路防撞墻外側與38#橋墩墩臺最小距離為2.08m，與38#墩臺上橋墩最小距離為3.70m；左幅公路防撞墻外側與38#橋墩墩臺最小距離為1.88m（不在同一高度，墩臺頂面標高7.998m，路面標高8.403m），與38#墩臺上橋墩最小距離為3.50m。公路防撞墻外側與橋墩墩身距離均大于2.5m。新建空心板梁樁與高鐵橋38#墩既有樁基的最小距離為8.62m。

圖3 空心板梁橋下穿方案Fig.3 Traversing construction p lan w ithhollow board beam bridge

公路路面至梁底最小凈高約為6m，公路從設計起點以0.35%下坡下穿京滬高速鐵路。預應力混凝土空心板梁橋為兩幅橋，每幅橋寬20m，每幅設三跨，跨徑分別為（20+25+20）m，橋梁上部結構采用20m及25m預應力混凝土空心板梁。每幅橋橫向設置19片梁，梁高1.1m，預制空心板梁采用C50混凝土。

空心板梁橋橋梁下部結構采用樁柱式墩臺，橋墩蓋梁高度1.3m，墩柱及基礎為φ1.3m鉆孔灌注樁。橋臺蓋梁高度1.2m，基礎為φ1.3m鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁樁長均為35m。橋梁中跨梁底標高7.103m，原地面標高6.587m，梁底離地面高度0.516m。

3 設計方案數值模擬分析

3.1 施工過程模擬與計算結果分析

3.1.1 施工過程模擬

采用Plaxis巖土工程有限元分析計算軟件建立三維模型，對新建樁板結構及新建空心板梁橋方案道路施工、運營對現有正在運營的京滬高鐵橋墩的影響進行施工安全分析。Plaxis三維有限元模型中，土體采用小應變土體硬化模型。土層參數參考表2，模型計算暫不考慮地下水影響。

工程施工中土層的大致應變小于10-3，因而模型中的土體本構模型選用小應變土體硬化模型Hardening soil small-strainmodel（簡稱為 HSS模型）[7-8]，該模型由學者Benz（2007）將小應變范圍內土體剪切剛度與應變的非線關系考慮進 HS模型而提出，可有效模擬軟粘土的剪切硬化和體積硬化過程，也可考慮砂土的剪脹性，同時可以反映出不同應變水平下的剛度衰減規律。

HSS模型的應力-應變關系見圖4，HSS模型考慮了E50模量和Eur模量具有應力相關的特性，并根據Ohde（1951）和Janbu（1963）的指數公式計算[9-11]，其形式為

圖4 HSS模型的應力-應變關系Fig.4 The stress-strain relationship of the HSSmodel

式中：E50為對應于50%強度的割線模量；Eur為土體的加卸載（回彈）模量；E50ref和Eurref為對應于某參考應力σref的E50模量和Eur模量；m為與土性有關的參數。

下穿橋梁均為預應力混凝土連續箱梁，跨度為32m的箱梁重約900 t，將梁自重均攤到高鐵墩頂；Plaxis三維有限元模型中，既有運營京滬高鐵橋墩、承臺采用實體，材料為C30混凝土；既有高鐵樁采用樁單元模擬。另外，道路運營荷載采用公路Ⅰ級汽車荷載。

針對本工程的特點，結合工程設計及施工方案，在Plaxis 3D有限元軟件中，方案一新建樁板結構的有限元計算共分為7個施工階段：第1階段，擬建工程右側樁基鉆孔；第2階段，擬建工程右側鉆孔樁澆筑施工；第3階段，擬建工程左側樁基鉆孔；第4階段，擬建工程左側鉆孔樁澆筑施工，即新建道路基礎施工完成階段；第5階段，填方土體；第6階段，澆筑路面板；第7階段，道路運營階段。方案二新建空心板梁橋方案的有限元計算也分為7個施工階段：第1階段，擬建工程右側樁基鉆孔；第2階段，擬建工程右側鉆孔樁澆筑施工；第3階段，擬建工程左側樁基鉆孔；第4階段，擬建工程左側鉆孔樁澆筑及蓋梁澆筑施工，也即新建道路基礎施工完成階段；第5階段，填方土體；第6階段，路面板施工；第7階段，道路運營階段。有限元模型及施工模擬的部分計算階段見表3。

表3 有限元模型及施工模擬的部分計算階段Tab.3 Finite elementmodel and part of the calculation phase of construction simulation

3.1.2 下穿施工結果分析

1）樁板結構下穿方案。提取樁板結構下穿方案分析中既有京滬高鐵橋梁橋墩墩底位移計算結果，由于對稱性，37#橋墩與39#橋墩位移計算結果比較近似，因而只分析38#墩與39#墩位移計算結果。38#墩與39#墩豎向沉降、橋梁橫向位移及縱向位移分別見表4與表5。

表4 38#墩位移計算結果Tab.4 Calculation results of 38#bridge pier displacement

表5 39#墩位移計算結果Tab.5 Calculation results of 39#bridge pier displacement

采用樁板結構方案，擬建丹陽市區至濱江新城快速通道施工完成并投入運營后，運營京滬高鐵38#橋墩墩底分別產生最大豎向沉降0.871mm、最大縱向水平位移0.051mm、最大橫向水平位移0.095mm，39#墩底分別產生最大豎向沉降0.613mm、最大縱向水平位移0.707mm、最大橫向水平位移0.069mm。

2）空心板梁橋下穿方案。提取空心板梁橋下穿方案分析中既有京滬高鐵橋梁橋墩墩底位移計算結果，38#墩與39#墩豎向沉降、橋梁橫向位移及縱向位移分別表6與表7。

表6 38#墩位移計算結果Tab.6 Calculation results of 38#bridge pier disp lacement

表7 39#墩位移計算結果Tab.7 Calculation results of 39#bridge pier disp lacement

采用空心板梁橋下穿方案，擬建丹陽市區至濱江新城快速通道施工完成并投入運營后，運營京滬高鐵橋墩38#墩底分別產生最大豎向沉降0.896mm、最大縱向水平位移-0.015mm、最大橫向水平位移0.062mm，39#墩底分別產生最大豎向沉降0.623mm、最大縱向水平位移0.471mm、最大橫向水平位移0.042mm。

3.2 橋梁及軌道結構安全分析

3.2.1 橋梁及軌道結構精細有限元模型

如圖5，高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式軌道結構主要由鋼軌、扣件、預制軌道板、CA砂漿填充層、混凝土底座板、“兩布一膜”滑動層、L型側向擋塊等組成[12]。

圖5 高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式軌道結構Fig.5 CRTSⅡslab ballastless track structure onhigh-speed railway bridge

利用通用有限元軟件ABAQUS建立橋梁及軌道結構精細化有限元模型，見圖6。

圖6 高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式軌道簡支梁空間精細有限元模型Fig.6 Fine finite elementmodel of sim ply supported beam for CRTSⅡslab ballastless track

鋼軌選用梁單元進行模擬，扣件采用彈簧單元進行模擬。CRTSⅡ型軌道板采用預應力混凝土結構，混凝土強度等級為C55，標準軌道板長度為6 450mm，寬度為2 550mm，厚度為200mm。每塊標準軌道板設置10對承軌臺，扣件節點間距為650mm，軌道板采用實體單元進行模擬。CA砂漿厚度為50mm,彈性模量取500MPa，亦采用實體單元進行模擬。橋上CRTSⅡ型無砟軌道底座板采用鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C30。底座板寬度為2 950mm，厚度為190mm，采用實體單元模擬。橋梁地段CRTSⅡ型板式無砟軌道在底座板寬度范圍內，梁面連續設置“兩布一膜”滑動層，使底座板與橋梁見保持滑動狀態，“兩布一膜”滑動層采用面面接觸關系進行模擬，滑動層摩擦系數取為0.3。L型側向擋塊標準尺寸為長度800mm，頂寬590mm，底寬400mm，高度為459mm，混凝土強度等級為C35，L型側向擋塊及橡膠墊板均采用實體單元進行模擬。

箱梁混凝土強度等級為C50，變截面箱梁采用實體單元進行模擬。為分析橋墩變形對鋼軌的影響，考慮邊界效應的影響，擬建立四跨簡支梁4×32m進行模擬；箱梁支座采用彈簧單元模擬支座；橋墩混凝土強度等級取C30，采用實體單元進行模擬。

3.2.2 橋梁及軌道結構安全分析

提取施工完成后37#、38#和39#橋墩墩底位移計算結果，將其作為強制位移邊界條件施加于橋梁結構計算模型上，進而分別分析樁板結構及空心板梁橋方案下穿高鐵橋梁對橋梁結構及橋上無砟軌道結構的影響。高鐵橋梁38#橋墩箱梁位移云圖見圖7，箱梁位移計算結果見表8，軌道結構內力及位移計算結果見表9。

圖7 高鐵橋梁38#墩箱梁位移云圖Fig.7 38#pier displacement cloud scheme ofhighspeed railway bridge

如表8所示，道路施工完成后，采用樁板結構方案，京滬高鐵橋梁箱梁將產生最大豎向位移0.764mm、最大橫向位移0.034mm、最大縱向位移0.548mm；而采用空心板梁橋方案，箱梁將產生最大豎向位移0.786mm、最大橫向位移0.017mm、最大縱向位移0.312mm。

表8 高鐵橋梁箱梁位移計算結果Tab.8 Displacement calculation results ofhigh-speed railway bridge

如表9所示，道路施工完成后，采用樁板結構方案，京滬高鐵橋上無砟軌道軌道板將產生最大拉應力1.54 MPa，橋上鋼軌將產生最大豎向位移0.761mm、最大橫向位移0.021mm、最大縱向位移0.331mm；而采用空心板梁橋方案，軌道板將產生最大拉應力1.78 MPa，橋上鋼軌將產生最大豎向位移0.776mm、最大橫向位移0.013mm、最大縱向位移0.187mm。樁板結構與空心板梁橋方案軌道板最大拉應力均小于混凝土的抗拉強度，不至于結構出現裂縫等病害；鋼軌位移也均滿足高鐵安全保護限值1mm的要求，樁板結構方案與空心板梁橋方案均滿足鐵路安全保護的要求。

表9 高鐵橋梁軌道結構內力及位移計算結果Tab.9 Calculation results of internal force and displacement of track structure forhigh-speed railway bridge

4 結論

主要結論如下：

1）采用樁板結構下穿方案，擬建丹陽市區至濱江新城快速通道施工完成并投入運營后，運營京滬高鐵橋上無砟軌道軌道板將產生最大拉應力1.54 MPa，橋上鋼軌將產生最大豎向位移0.761mm、最大橫向位移0.021mm、最大縱向位移0.331mm；

2）采用空心板梁橋下穿方案，京滬高鐵橋上無砟軌道軌道板將產生最大拉應力1.78 MPa，橋上鋼軌將產生最大豎向位移0.776mm、最大橫向位移0.013mm、最大縱向位移0.187mm；

3）樁板結構方案與空心板梁橋方案對高鐵的影響均滿足高速鐵路結構保護及運營安全要求，但采用樁板結構，整體性較好，養護維修工作量少，新建空心板梁橋方案整體性不及方案一樁板結構，其橋下凈空還需滿足其日后養護維修的要求。

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Numerical Simulation of Pile-plank Structure and Hollow Board Beam Bridge Structure Traversing Construction under High-speed Railway Bridge

Yang Fei
（Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，China）

The traversing construction underhigh-speed railway bridge can cause excessive displacement forhigh-speed railway bridge piers,whichmay affect the safety of railway.Aiming at the impact of traversing construction underhigh-speed railway bridge,taking Danyang Downtown-Riverside New City Expressway traversing under the Beijing-Shanghaihigh-speed railway Zhangxiang Bridge as the object,this study conducted a threedimensional construction simulation with Plaxis geotechnical engineering finite element software.The calculation results were input into the fine-grainedmodel of the ballastless track on thehigh-speed railway bridge established by ABAQUS finite element software to evaluate the influence of the pile-plank structure andhollow board beam bridge traversing construction onhigh-speed railway bridge.Relevant calculation results show that the influence of the pile-plank structure andhollow board beam bridge onhigh-speed railwaymeets the requirements of structural protection and operation safety.

expressway；municipal engineering；traversing construction；high-speed railway bridge；numerical analysis

1005-0523（2017）05-0012-09

U213

A

2017-03-31

楊菲（1980—），男，高級工程師，碩士，研究方向為交通運輸。

（責任編輯 王建華）