路基填筑高度對高鐵橋墩沉降的影響

(中鐵一院集團(tuán)新疆鐵道勘察設(shè)計院有限公司 新疆 烏魯木齊 830011)

一、引言

近年來，交通運(yùn)輸工程飛速發(fā)展，多條高速鐵路和城際鐵路線路投入運(yùn)營，另有多條高鐵正在建設(shè)。因此城市道路在改擴(kuò)建的過程中，經(jīng)常會遇見下穿高鐵的情況，為保證高鐵的正常運(yùn)營，設(shè)計提供的解決方案應(yīng)盡量減小對高鐵橋墩產(chǎn)生影響[1-2]。因此，正確評估下穿高鐵的公路在施工及運(yùn)營階段對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，掌握橋梁墩頂和樁基礎(chǔ)的沉降規(guī)律，提出合理的設(shè)計及施工建議，才能保證既有線路的安全運(yùn)營[3]。

二、工程概況

某高鐵高架橋結(jié)構(gòu)形式為雙線簡支箱梁，無砟軌道，橋墩采用圓端形實(shí)體橋墩，基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)。公路下穿處為32m簡支箱梁，穿越處公路和鐵路均為直線，公路與鐵路軸線夾角為70°，該公路采用路基穿越的方案通過橋孔，下穿處公路為17m寬整體式路基。其平面關(guān)系圖見圖1。

圖1 下穿處平面示意圖

地基土層由上至下依次為：粉土(平均厚度2.65m)，粉質(zhì)黏土(平均厚度11.46m)，中砂(平均厚度5.84m)，粉質(zhì)黏土(中砂之下均為粉質(zhì)黏土)。橋梁縱向布置如圖2所示。

圖2 下穿處立面示意圖

本文根據(jù)規(guī)范采用的變形及受力控制值如下：

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB10621-2014)第7.3.10條規(guī)定：恒載作用下無砟軌道靜定結(jié)構(gòu)橋梁墩臺基礎(chǔ)工后均勻沉降小于20mm，相鄰墩臺沉降差小于5mm。

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB10621-2014) 第7.3.9條規(guī)定：墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應(yīng)不大于0.1‰弧度。

三、數(shù)值模型及計算結(jié)果

該高鐵橋設(shè)計時，樁長是由沉降控制，承載力有一定富余，由于公路活載主要是對樁基承載力造成影響，因此本次建模主要是對公路路基施加恒載，分析恒載對橋梁墩頂和樁基礎(chǔ)沉降的影響。

(一)數(shù)值模型

根據(jù)高鐵高架橋基礎(chǔ)的實(shí)際地質(zhì)資料以及橋梁設(shè)計資料，結(jié)合公路下穿高鐵橋梁的具體施工方案，以摩爾-庫侖理論為基礎(chǔ)采用MIDAS GTS NX軟件，建立橋梁與土體的聯(lián)合作用模型，分析公路路基施工階段對橋梁基礎(chǔ)的影響[4-5]。

本次選取公路路基(護(hù)欄、護(hù)肩、填土)及高鐵橋兩個橋墩之間位置用MIDAS GTS NX建立三維計算模型進(jìn)行計算分析。建模時對高鐵橋梁模擬了承臺、橋墩和樁基，高鐵上部結(jié)構(gòu)的自重、二期恒載、橋墩自重以均布荷載的方式加在承臺頂面，計算中不分析鐵路活載對地基的影響，即只計入恒載的影響。對公路部分模擬了護(hù)欄，護(hù)肩和路基填土。地層按照實(shí)際分層厚度輸入，為充分考慮周圍構(gòu)筑物對鐵路樁基礎(chǔ)的影響，順鐵路線路方向計算長度取200m，垂直鐵路線路方向取100m，鐵路樁基底部土層厚度取60m左右(加上樁長，總厚度120m)。

圖3 MIDAS GTS NX整體模型

整個計算分為土層自重初始階段、高鐵橋梁現(xiàn)狀階段、施工公路線路階段三個施工階段。整體模型、網(wǎng)格劃分以及承臺樁基局部模型如圖3、圖4所示。

圖4 MIDAS GTS NX承臺樁基礎(chǔ)局部模型

公路采用整體式路基穿越高鐵橋梁。對公路路基填土高度分別為0.2m和0.7m兩種情況分別進(jìn)行建模，對得到的計算結(jié)果進(jìn)行整理分析如下：

(二)路基高度為0.2m時的計算結(jié)果

圖5 道路施工后鐵路橋梁橫向水平位移

圖6 道路施工后鐵路橋梁縱向水平位移

圖7 道路施工后鐵路橋梁豎向位移

從數(shù)值模擬計算結(jié)果圖5、圖6、圖7中可見：修建0.2m公路路基后，鐵路橋梁墩頂最大橫向水平位移為1.01mm，最大縱向水平位移為0.51mm，小于鐵路承臺的縱橫向位移6mm的要求；最大豎向位移為2.85mm，滿足《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》無砟軌道相鄰墩臺基礎(chǔ)不均勻沉降小于5mm的要求。

(三)路基高度為0.7m時的計算結(jié)果

圖8 道路施工后鐵路橋梁橫向水平位移

圖9 道路施工后鐵路橋梁縱向水平位移

圖10 道路施工后鐵路橋梁豎向位移

從數(shù)值模擬計算結(jié)果圖8、圖9、圖10中可見：修建0.7m公路路基后，鐵路橋梁墩頂最大橫向水平位移為3.00mm，最大縱向水平位移為1.85mm，小于鐵路承臺的縱橫向位移6mm的要求；最大豎向位移為7.52mm，不滿足《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》無砟軌道相鄰墩臺基礎(chǔ)不均勻沉降小于5mm的要求。

(四)有限元模擬結(jié)果分析

公路路基高度為0.2m和0.7m的計算結(jié)果總結(jié)見表1：

表1 數(shù)值模擬計算結(jié)果對比

通過計算機(jī)數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)：

1、以公路填土高度0.7m施工公路路基時，鐵路基礎(chǔ)不均勻沉降超限，不滿足規(guī)范要求；鐵路基礎(chǔ)水平位移，未超過給定變形限值；2、以公路填土高度0.2m施工公路路基時，鐵路基礎(chǔ)橫向水平位移、沉降和不均勻沉降均未超過給定變形限值，滿足規(guī)范要求。

四、結(jié)論與建議

本文根據(jù)工程實(shí)例，通過采用Midas GTS NX有限元軟件，模擬了公路以路基方案下穿高鐵橋的施工過程，分析了路基填筑高度不同時對高鐵橋橋墩、基礎(chǔ)的影響，得出如下結(jié)論：

(1)規(guī)范要求在恒載作用下無砟軌道靜定結(jié)構(gòu)橋梁墩臺基礎(chǔ)工后均勻沉降小于20mm，相鄰墩臺沉降差小于5mm。本文通過建模分析表明，考慮高鐵橋梁的安全運(yùn)營，降低路基填筑高度可有效控制高鐵橋梁橋墩及基礎(chǔ)的變形和沉降。

(2)施工中還有以下建議可以減小對高鐵橋梁的影響：立交前后應(yīng)設(shè)置限高架、限速標(biāo)注等提醒駕駛員注意安全行車；公路路基施工時不得采用強(qiáng)夯、重型振動壓路機(jī)、沖擊式壓路機(jī)等會造成較大土壓力的施工方式；施工中嚴(yán)禁抽取地下水及降水，以免對鐵路橋墩造成不利影響。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]李剛. 城市道路下穿高鐵方案比選分析[J].廣東建材,2014(6):34-35.

[3]唐文峰，趙剛，馮超. 公路橋梁跨越高速鐵路最優(yōu)方案探索[J].交通科技,2011(3)：14-16.

[4]李昊，張付賓，簡方梁. 新建公路下穿城際鐵路安全性評估[J].交通科技,2015(6)：96-97.

[5]張靜元，馬科萌. 路基開挖對高鐵高架橋橋墩和基礎(chǔ)的影響[J].中外公路,2015(2)：18-22.