封閉式路塹下穿既有高鐵橋梁安全影響分析

趙大勇

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

新建市政道路與高鐵橋梁交叉時(shí)多采用下穿方案[1-2]，施工過程中可能會引起既有高鐵橋梁的附加沉降和水平變形[3-5]。 王軍對基坑開挖施工對城際鐵路高架橋墩的影響因素及沉降機(jī)理進(jìn)行了分析，通過模擬值與實(shí)測值的對比分析，提出控制橋墩沉降的建議;禚一[3]等對鄰近高鐵不同距離、不同挖深封閉式路塹節(jié)段的施工過程進(jìn)行數(shù)值分析，研究基坑開挖對既有鄰近高鐵的影響;王景春[5]等運(yùn)用FLAC3D 有限差分軟件，對既有高鐵橋下新建立交匝道橋樁基施工引起的高鐵基礎(chǔ)變形進(jìn)行研究，并分析了不同距離與施工順序?qū)A(chǔ)變形的影響，可為設(shè)計(jì)方案確定及施工工藝的選擇提供依據(jù)。 目前，研究主要集中在鄰近高鐵基坑或構(gòu)筑物施工對既有高鐵橋墩基礎(chǔ)的變形影響上，對市政道路以大挖深封閉式路塹形式下穿既有高鐵涉及較少，對橋墩基礎(chǔ)變形限值的研究也缺少系統(tǒng)的梳理。 因此，有必要對道路建設(shè)引起的高鐵橋梁形變進(jìn)行進(jìn)一步的分析和評價(jià)。

以徐州市新元大道北延工程下穿徐州聯(lián)絡(luò)下行線(鐵路聯(lián)絡(luò)線)為工程背景，運(yùn)用ABAQUS 有限元程序，建立場地-結(jié)構(gòu)三維模型，按照施工步驟劃分不同的計(jì)算工況，模擬道路施工和后期使用過程中的對既有高鐵橋墩附加變形的影響，并以現(xiàn)行規(guī)范變形限值為評價(jià)依據(jù)，對高鐵橋梁的安全性和工程方案的可行性進(jìn)行評價(jià)。

1 工程背景

1.1 工程概述

徐州市新元大道北延工程南起彭祖大道，跨故黃河，連續(xù)下穿隴海鐵路下行線(徐州聯(lián)絡(luò)下行線)、發(fā)東線、東到線、隴海鐵路上行線及徐州聯(lián)絡(luò)下行線，北至和平路，全長約2.6 km，規(guī)劃紅線寬度為50 m。 道路按“雙向六車道”城市主干道實(shí)施建設(shè)，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，設(shè)計(jì)荷載為城市-A 級，機(jī)動(dòng)車道凈空≥5 m，非機(jī)動(dòng)車道凈空≥3.0 m，人行道凈空≥2.5 m。

道路下穿徐州聯(lián)絡(luò)下行線處為橋梁區(qū)段，對應(yīng)鐵路里程為K213+033，道路與鐵路正交，分兩幅自徐州聯(lián)絡(luò)下行線徐州至大湖三號特大橋18 號～20 號橋孔間穿過，橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑32.7 m，下穿結(jié)構(gòu)為2-17.9 mU形槽封閉式路塹。 下穿徐州聯(lián)絡(luò)上行線處為路基區(qū)段，對應(yīng)鐵路里程為K697+398，道路與鐵路交叉角度為82.8°，下穿結(jié)構(gòu)為(6+12+12+6) m 框架橋。

徐州聯(lián)絡(luò)下行線為單線電氣化鐵路，平面位于直線上，設(shè)計(jì)荷載為中-活載，設(shè)計(jì)速度為160 km/h;鐵路橋?yàn)?2.7 m 簡支梁，有砟軌道。 橋墩為圓端形實(shí)體墩，墩高10.0 ～10.5 m，承臺為矩形承臺，承臺高2.0 m，基礎(chǔ)為鉆孔樁，樁長22.0～31.0 m，設(shè)計(jì)為嵌巖柱樁;該區(qū)域溶洞較為發(fā)育。 徐州聯(lián)絡(luò)下行線參照高鐵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理。 道路與鐵路平面位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 線路平面位置關(guān)系(單位：m)

1.2 下穿鐵路橋梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB10182—2017)第3.0.11 條，下穿工程采用鉆孔樁時(shí)，其與高鐵橋梁基樁的中心距應(yīng)符合:軟黏土及飽和粉土、細(xì)砂土層，不宜小于6 倍樁徑，其他土層不宜小于4 倍樁徑[6]。

18 號～20 號橋墩樁徑為1 m，U 形槽圍護(hù)樁樁徑為0.8 m，橋墩樁基間有效距離為29.2 m，橋墩間可利用空間為:29.2 m-6×0.8 m×2(兩側(cè)安全距離)-0.8 m(鉆孔樁)= 18.8 m。 可布置斷面為:0.45 m(壁厚)+5.5 m(2 m 人行道+3.5 m 非機(jī)動(dòng)車道)+0.4 m 護(hù)欄+12 m(機(jī)動(dòng)車道)+0.45 m(壁厚)= 18.8 m，下穿結(jié)構(gòu)為2-17.9 m U 形槽封閉式路塹，平面布置見圖2，立面布置見圖3。

圖2 下穿節(jié)點(diǎn)平面(單位：cm)

圖3 下穿節(jié)點(diǎn)立面(單位：cm)

1.3 基坑支護(hù)方案

下穿徐州聯(lián)絡(luò)下行線處U 形槽現(xiàn)澆基坑開挖最大深度為8.0 m，坑底距既有橋墩承臺約5.7 m，基坑為φ80 cm 鉆孔灌注圍護(hù)樁和一道80 cm×80 cm 鋼筋混凝土永久支撐、兩道φ609 mm 鋼管內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，U 形槽現(xiàn)澆基坑鉆孔圍護(hù)樁與既有高鐵橋墩樁基中心最小距離為4.8 m。 基坑支護(hù)立面布置見圖4。

圖4 U 形槽現(xiàn)澆基坑支護(hù)(單位：cm)

現(xiàn)澆U 形槽采用蓋挖半逆作法施工[7]:(1)施工鉆孔圍護(hù)樁及樁頂冠梁;(2)局部拉槽施工樁頂鋼筋混凝土支撐;(3)分段分層、對稱均勻開挖基坑土體至第一道鋼支撐下0.5 m 處;(4)施作鋼圍檁及鋼支撐;(5)分段分層、對稱均勻開挖基坑土體至第二道鋼支撐下0.5 m 處;(6)施作鋼圍檁及鋼支撐;(7)分段分層、對稱均勻開挖基坑土體至坑底設(shè)計(jì)高程處;(8)澆筑坑底20 cm 厚C20 混凝土墊層;(9)分段澆筑U 形槽底板混凝土;(10)拆除鋼支撐、鋼圍檁，澆筑側(cè)墻混凝土。

2 變形控制限值

基坑開挖施工卸載引起鄰近樁基周圍土體松動(dòng)變形，造成樁基沉降和撓曲變形，對樁基及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，若變形過大就會影響橋梁的正常使用。因此，需要制定鄰近樁基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，采取相應(yīng)的保護(hù)、加固方法，將其影響控制在允許范圍之內(nèi)。 對于臨近橋墩的沉降值控制標(biāo)準(zhǔn)，通常用允許位移值進(jìn)行控制，但其涉及的因素很多，既要滿足承載力要求，又要滿足樁基上部結(jié)構(gòu)的允許沉降值。

2.1 工后沉降變形

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)[8]中第7.3.10 條給出橋梁墩臺基礎(chǔ)的沉降限值(按恒載計(jì)算)，如表1 所示。

表1 靜定結(jié)構(gòu)墩臺基礎(chǔ)工后沉降限值

2.2 橫橋向水平變形限值

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014) 中第7.3.9 條指出:墩臺橫向水平線剛度應(yīng)滿足高速行車條件下列車安全性和旅客乘車舒適度的要求，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1‰弧度[8]，即Δ≤32.7×1‰/2=16.35 mm。

2.3 縱橋向水平變形限值

《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002—2017)[9]第5.4.4 條給出簡支梁橋墩臺頂面順橋方向的彈性水平位移限值為

式中:L—橋梁跨度/m，當(dāng)L＜24 m，L 按24 m 計(jì)算;Δ—墩臺頂帽處的水平位移/mm。

即Δ≤5×32.70.5mm=28.28 mm。

2.4 軌道平順性限值

以《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》(鐵運(yùn)〔2013〕29 號) 要求的線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值作為控制標(biāo)準(zhǔn)(如表2)。

2.5 受下穿工程影響的墩臺頂附加位移限值

《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB 10182—2017)[6]第3.0.3 條給出受下穿工程影響的高速鐵路墩臺頂位移限值(如表3)。

表2 200～250 km/h 線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

表3 墩臺頂位移限值 mm

綜合考慮《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》 (TB 10621—2014)、《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002—2017)、《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》(鐵運(yùn)〔2013〕29 號)、《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》 (TB 10182—2017)的相關(guān)要求，確定高鐵橋梁變形控制限值如表4。

表4 高鐵橋墩基礎(chǔ)位移限值 mm

3 三維數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用大型有限元程序ABAQUS 建立場地三維模型，考慮到空間效應(yīng)[10]，取模型尺寸為180 m×80 m×60 m(長×寬×高)，其中沿U 形槽方向的長度為180 m。 計(jì)算模型包括地基土、橋墩、承臺、樁基、鐵路路基、基坑以及支護(hù)結(jié)構(gòu)和U 形槽。

地基土、承臺、樁基均采用三維實(shí)體單元C3D8R進(jìn)行模擬，并采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 模型的邊界條件:頂面為自由面，兩側(cè)水平約束，底面取豎向和水平向約束。 土體采用Drucker-Prager[11]本構(gòu)模型，高鐵橋墩、U 形槽和防護(hù)樁采用線彈性本構(gòu)模型，計(jì)算模型見圖5。

3.2 計(jì)算參數(shù)

(1) 主要材料參數(shù)

橋梁主要建筑材料參數(shù)按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10092—2017)取值，如表5 所示。

圖5 三維數(shù)值模型

表5 鋼筋混凝土材料參數(shù)

(2)巖土參數(shù)

根據(jù)地勘資料，場地主要土層力學(xué)參數(shù)見表6。

表6 鋼筋混凝土材料參數(shù)

(3)計(jì)算工況

根據(jù)施工過程，劃分以下計(jì)算工況(見表7)。

表7 計(jì)算工況步序

4 計(jì)算結(jié)果分析

不同計(jì)算工況步序下鐵路橋墩墩頂變形如表8 所示。

表8 鐵路橋墩墩頂變形 mm

由表8 可知，整個(gè)施工過程及道路后期運(yùn)營對鐵路樁基均有一定影響。 分別以順橋向附加水平變形、橫橋向附加水平變形、豎向附加沉降變形為縱坐標(biāo)，以計(jì)算工況步序號為橫坐標(biāo)，給出附加變形時(shí)程曲線(如圖6 所示)。

由圖6(a)可知，順橋向附加水平變形最大值出現(xiàn)在步序4，即開挖U 形槽基坑、現(xiàn)澆U 形槽后，18 號、19 號和20 號墩的順橋向水平位移分別為0.827 mm，0.032 mm 和-0.831 mm。

圖6 高鐵橋墩附加變形時(shí)程曲線

由圖6(b)可知，橫橋向附加水平變形最大值出現(xiàn)在步序3，即現(xiàn)澆框架、頂進(jìn)框架后，18 號、19 號和20 號墩的橫橋向水平位移分別為0.103 mm，0.129 mm 和0.152 mm。

由圖6(c)可知，豎向附加沉降變形最大值出現(xiàn)在步序4，即開挖U 形槽基坑，現(xiàn)澆U 形槽后，18 號、19 號和20 號墩的垂直向變形分別為-1.332 mm，-1.535 mm 和-1.340 mm。

5 結(jié)論

運(yùn)用ABAQUS 有限元程序，考慮空間效應(yīng)，建立場地-結(jié)構(gòu)三維模型，按照施工步驟劃分不同計(jì)算工況步序，模擬道路施工和后期使用過程對高鐵橋墩附加變形的影響，得到以下結(jié)論:

(1)徐州市新元大道北延道路工程施工方案對鐵路高架橋有一定的影響，但影響程度有限，總體方案基本可行。

(2)通過三維有限元數(shù)值分析，徐州市新元大道北延工程施工及運(yùn)營荷載引起高鐵橋墩頂部順橋向附加水平變形最大值為0.831 mm，橫橋向附加水平變形最大值為0.152 mm，豎向附加沉降最大變形值為1.535 mm，滿足規(guī)范對高鐵橋墩基礎(chǔ)位移限值的要求。

(3)本工程區(qū)域存在粉土層，且高鐵橋下基坑深度為8.0 m，施工期間應(yīng)加強(qiáng)基坑防護(hù)措施，增加橫撐，控制基坑變形，可有效降低橋墩變形位移。

(4)鉆孔樁應(yīng)適當(dāng)加長鋼護(hù)筒，防止塌孔;施工時(shí)宜采取跳樁法施工。

(5)應(yīng)嚴(yán)格按照《上海鐵路局高速鐵路運(yùn)營期變形監(jiān)測管理實(shí)施細(xì)則》(上鐵工[2016]205 號)進(jìn)行變形觀測，確保鐵路運(yùn)營安全。