新建道路下穿高速鐵路橋梁對高鐵橋墩和樁基影響

文/李迪雄，岳陽公路橋梁基建總公司

新建道路下穿高速鐵路橋梁對高鐵橋墩和樁基影響

文/李迪雄，岳陽公路橋梁基建總公司

近年來，隨著居民生活水平的提高，其對出行的需求需求愈來愈高，從而促進(jìn)了國家交通運輸業(yè)的發(fā)展，交通運輸基礎(chǔ)工程建設(shè)也隨著不斷地加快。但不可避免的是問題隨之而來，新建道路與高速鐵路交叉穿越的情況時有發(fā)生，這對進(jìn)一步發(fā)展新建道路產(chǎn)生了一定的影響。本文以新建道路穿越京滬高速鐵路東石潭特大橋為例，分析了新建路基方案對原有高鐵橋墩和樁基的影響，提出了新建混凝土樁板結(jié)構(gòu)的方案。

新建道路；下穿高鐵橋梁；橋墩；基樁

引言

自從我國建成京津城際高速鐵路以來，這成為我國第一條高速鐵路，其數(shù)量不斷增多，建設(shè)步伐不斷加快，由于鋪設(shè)道路時建設(shè)空間有限，新建道路穿越高鐵時有發(fā)生。所以在新建道路時，著重考慮其對高速鐵路橋梁的影響顯得十分重要，因為這樣保證了已建高速鐵路運營安全。從目前來看，選擇道路下穿高鐵方案時，主要有橋梁方案、板樁結(jié)構(gòu)方案、“U”形槽方案、路基方案等。本文研究了新建道路下穿越京滬高速鐵路，以東石潭特大橋為例，分析新建路基方案對高鐵橋墩和樁基的影響和新建混凝土樁板結(jié)構(gòu)方案，數(shù)據(jù)分別采用Foundation、Plaxis 3D軟件處理。

1 工程概況

如圖1所示，新建道路在本項目中，下穿京滬高鐵東石潭大橋201號～202號橋墩和202號～203號橋墩中間部分。

圖1 下穿京滬高鐵東石潭大橋位置圖

道路在京滬高速鐵路東石潭特大橋32 m后簡支箱梁出穿越，張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線，1 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，雙柱墩，地基承載力為250 kPa，高鐵樁基持力層為黏土、粉質(zhì)黏土。面東石潭特大橋梁底至道路路凈高大于5.5m。

2 地質(zhì)條件

依次如下是道路穿越處各層巖土。

1）全新統(tǒng)地層(Q4)：主要為細(xì)、粉砂及黏性土。

2）黏土、粉質(zhì)黏土。堅硬～硬塑狀態(tài)，揭示層厚大于5 m，樁側(cè)摩阻力系

數(shù)q=65～80 kPa，地基承載力層頂埋深39～47.0 m。

黏土、粉質(zhì)黏土。硬塑狀態(tài)，地基承載力為240～280 kPa，樁側(cè)摩阻力

系數(shù)q=60～75 kPa，揭示層厚為4～40 m。

3 方案設(shè)計

1)方案一：混凝土板樁結(jié)構(gòu)的新建。其平面示意圖如圖2所示。在原地面上新建13*3m的混凝土板樁結(jié)構(gòu)，將其布置成兩幅，寬度為13.75 m，鉆孔灌注樁，樁長為20 m，道路樁基持力層地基承載力為240 kPa，長為1 m。樁基距離高鐵橋墩既有樁基的安全距離大于6 d，此為新建板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計原理。

圖2 方案一的設(shè)計平面圖

2)方案二：通過新建路基的方式。其平面示意圖如圖3所示。將路基布置分為兩幅，每幅寬度為13.75 m，表層路面厚度為35cm，運行時的荷載為每平方米10.5kN，路基填筑高度為39cm。

圖3 方案二的設(shè)計平面圖

4 方案分析

使用Foundation、Plaxis 3D軟件計算這兩種不同方案分別對鐵路樁基和橋墩的影響。Foundation、Plaxis 3D軟件主要用于巖土工程上，3D分析土層的穩(wěn)定和變形問題，處理巖土工程中建造和結(jié)構(gòu)的過程，其核心分析程序得到工程界和國際上學(xué)術(shù)界長期的考核和驗證。獨立的實體模型可以進(jìn)行自動的網(wǎng)格劃分和分割，把Founda tion、Plaxis 3D中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和土體定義為結(jié)構(gòu)模型和土體模型這2種不同的模式。通過水位表、荷載、結(jié)構(gòu)對象、激活／非激活土體族等實現(xiàn)真實模擬開挖過程和施工過程。檢查全3D地下土--結(jié)構(gòu)模型的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)時，可以觀察輸出中的全套可視化工具。

4.1 方案一分析

包含的4種不同工況，運營荷載和路面結(jié)構(gòu)層、施工板、鉆孔樁施工、開挖，通過不同工況分別模擬鐵路樁基和橋墩的影響。以下是分階段的計算結(jié)果：

1) 鐵路樁基和橋墩幾乎不受道路鉆孔樁施工的影響，忽略不計。

2) 對橋墩豎向和縱向變形影響較大的是施工混凝土板，201號的縱向位移為0.38 mm，是最大的位移；202號橋墩的豎向位移最大為-0.25 mm。其對高鐵樁基的作用主要表現(xiàn)為造成了樁基的縱向變形，承臺203號樁基最大縱向位移為0.1 mm，201號的最大縱向位移為-0.12 mm。

3) 道路運營荷載及路面結(jié)構(gòu)層會造成道路路面下沉，進(jìn)而導(dǎo)致周圍土體下沉，加載引起橋墩的縱向變形，同時引起鐵路高架橋橋墩和樁基的豎向位移。其中201號橋墩的縱向位移最大，達(dá)到0.17mm， 202號橋墩的沉降最大，達(dá)到-0．18 mm。樁基的最大縱向位移是202號承臺，為-0.09 mm， 201號承臺樁基也達(dá)到了0.08 m m。

4)橋墩會縱向水平位移，這是由于開挖施工產(chǎn)生的土體卸載作用。橋墩203號縱向位移0.26 mm，是最大的位移。承臺203號和202號的樁基縱向變形最大，分別為-0.8 mm和0.11 mm (中負(fù)號表示與實際參照的坐標(biāo)方向相反，正號表示與坐標(biāo)方向相同) ，這也是由開挖引起的樁基縱向位移。

表1是橋墩頂部最終變形情況?？梢钥闯觯鍢督Y(jié)構(gòu)運營及施工引起高鐵橋墩頂部的橫向位移小于0．07 mm，縱向位移小于0.50 mm，總的沉降量小于0.33 mm．

4.2 方案二分析

包含的3種不同工況，運營荷載和路面結(jié)構(gòu)層、路基填筑、開挖，通過不同工況分別模擬鐵路樁基和橋墩的影響。以下是分階段的計算結(jié)果：

1)路基填筑引起高鐵橋墩縱向和豎向位移，橋墩路基填筑對高鐵橋墩橫向位移影響很小，對縱向位移影響較大，其中202號橋墩最大縱向位移為0.24 mm，豎向位移是最大的，達(dá)到-0.21 mm?？v向變形也是路基填筑對高鐵樁基產(chǎn)生的影響，樁基203號的最大縱向位移為0.06 mm，20l號最大縱向位移為-0.06 mm，202號堆載作用相互抵消，這是因為其兩側(cè)填筑。

2)運營荷載和路面結(jié)構(gòu)層加載造成高鐵橋墩縱向和豎向位移，其中201號橋墩的縱向位移最大，達(dá)到0.46mm，202號橋墩的豎向位移最大，達(dá)到-0.40mm。但是這種工況對高鐵橋墩橫向位移幾乎沒有影響，相比之下，20l號樁基縱向變形為-0.13mm，是最大的數(shù)值。

3)橋墩會縱向水平位移，這是由開挖施工產(chǎn)生的土體卸載作用引起的。卸載引起202號和203號橋墩的樁基縱向位移，其中202號樁基縱向位移為0.08mm，203號樁基位移-0.07mm。202號橋墩豎向位移0.11 mm，縱向位移-0.27 mm。

表2是橋墩頂部最終變形情況，可以看出，201號橋墩的縱向位移最大，達(dá)到了0.65 mm，202號橋墩的豎向和縱向位移最大，分別為-0.50 mm和 -0.1 mm。

表2 各墩頂?shù)淖冃吻闆r（mm）

5 結(jié)束語

1)通過計算分析，板樁結(jié)構(gòu)（方案一）道路運營及施工后橋墩墩頂最大縱向水平位移為0.50 mm(201號橋墩)，對高鐵橋墩最大附加沉降為0.33 mm(202號橋墩)； 路基結(jié)構(gòu)（方案二）道路運營及施工后橋墩墩頂最大縱向水平位移為0.65 mm(201號橋墩)，對高鐵橋墩最大附加沉降為0．50 mm(202號橋墩)；可以肯定的是，方案一和方案二對高鐵橋梁運營安全和結(jié)構(gòu)安全均不會產(chǎn)生影響。從工期、施工難易度和造價角度上選擇路基方案（方案二）。

2)當(dāng)考慮對道路沉降變形控制較為嚴(yán)格或地基土較軟弱時，可以選取方案一。因為板樁結(jié)構(gòu)可以提高整體地基的剛度，所以其對高鐵樁基的影響非常小，可以忽略不計。它的特點是底板上承受所有的車輛荷載，再通過底板傳遞到樁間和樁基土。但樁基施工也有一定的弊端，板狀結(jié)構(gòu)施工工藝本身較復(fù)雜，加上其對地基土的影響較大，投資較高，完成周期長，所以應(yīng)綜合考慮選取合理的方案。

3) 在道路運營和施工對高鐵橋梁的影響允許的情況下，當(dāng)?shù)鼗休d力滿足要求時，可以優(yōu)先考慮路基方案。在選取路基填料時，可使用輕質(zhì)填料或普通路基合格土換填，采用鉆孔樁或擋土墻等支擋路基邊坡?？梢悦鞔_的是，選用道路路基方案下穿高鐵橋梁，具有施工工藝投資小、工期短、操作簡單的優(yōu)點。

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