公路橋梁上跨既有鐵路施工階段數(shù)值模擬分析

中圖分類號(hào)：U449.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.032

文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0111-04

0 引言

近年來，公路、市政道路的大發(fā)展使其與既有鐵路的交叉愈加頻繁，保證既有鐵路安全運(yùn)營至關(guān)重要。新建高速公路橋梁在上跨既有鐵路施工作業(yè)時(shí)，在地層中進(jìn)行樁基、承臺(tái)開挖或地面上增加荷載會(huì)擾動(dòng)土體，導(dǎo)致地層發(fā)生土體位移。因此，需要對(duì)這類工程進(jìn)行合理分析，妥善處理問題，以減少對(duì)周圍建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生的不利影響[1-2]。文章以某新建高速公路橋梁上跨既有鐵路為例，通過建立三維數(shù)值模型分析了不同施工工況對(duì)既有鐵路變形的影響，為其他類似工點(diǎn)提供施工借鑒。

工程概況

1.1新建高速公路概況

新建高速公路線路位于曲線上，交叉處為橋梁，橋面橫坡為單向 2% ，縱斷面縱坡為1. 389% （上坡）、-2.21% （下坡），平面曲線半徑為3 000m ，墩臺(tái)徑向布置。該橋上跨既有鐵路，左、右線分離，與既有鐵路交叉角度均為 34.2^° 。單幅橋凈寬 12.0m ，跨越鐵路范圍全橋孔跨布置為：左幅 （11×30+60+2×24.5+15×30） m，右幅 n，均為預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁/鋼混組合梁，跨鐵路位置處橋跨采用 1× 60m簡(jiǎn)支鋼箱-混凝土組合梁。

上部結(jié)構(gòu)：跨鐵路孔采用 1×60 m簡(jiǎn)支鋼箱-混凝土組合梁，單幅橋橫向設(shè)置3片梁，梁高 3.0m_c 其余梁體采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁，單幅橋橫向設(shè)置4片小箱梁。

下部結(jié)構(gòu)：主墩采用矩形薄壁墩，寬5.0m，厚 1.6m 基礎(chǔ)采用4根1.6m鉆孔樁，其余采用雙柱式橋墩。橋墩按錯(cuò)墩臺(tái)布置。橋墩承臺(tái)與鐵路最小凈距為11.35m。設(shè)計(jì)實(shí)際凈空8.68m。

1.2既有鐵路概況

既有鐵路為國鐵I級(jí)單線鐵路，客貨共線，年最大輸送能力為1 260×10⁴ t。交叉處鐵路里程為 1890+240.7 既有鐵路圖定客車1對(duì)、貨車5對(duì)。跨越位置處鐵路為單線、曲線， 鋼軌，無縫線路，鋼筋混凝土軌枕。非電氣化鐵路，預(yù)留電氣化條件。該處既有線路基填方高約3m，線路兩側(cè)有防護(hù)柵欄。

1.3地質(zhì)條件

勘察區(qū)地貌單元屬低山丘陵地貌，起伏的沖積、洪積臺(tái)地與高階地[3]。沿線地形開闊平坦，相對(duì)高差較小。自上而下描述如下：

粉質(zhì)黏土（ Q₄^al? ：黃褐，可塑、軟塑、硬塑均有。

圓礫土（ ?Q₄^al+pl） ：灰色，中密，粒徑為 2～20mm 的約占總質(zhì)量的 50% 以上，最大粒徑為 30mm ，約占總質(zhì)量的5% 左右。

全風(fēng)化砂巖 （K¹⁹） ：紫紅，風(fēng)化較強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)構(gòu)造無法分辨，巖芯為泥柱狀，柱長(zhǎng)為 5～20cm ，手可掰碎，可見礫石充填。

強(qiáng)風(fēng)化砂巖 （K¹⁹） ：紫紅，塊狀細(xì)粒結(jié)構(gòu)，節(jié)理部分發(fā)育。

中風(fēng)化砂巖 （J^3a） ：紫紅，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，碎塊狀，錘擊數(shù)下可碎，24 1.00～24.90 m巖芯較破碎。

地下水埋深為 10.9～4.5m

2數(shù)值模擬

由于本工程鄰近鐵路路基，公路橋梁樁基、承臺(tái)開挖及橋梁結(jié)構(gòu)施工會(huì)產(chǎn)生卸載、加載現(xiàn)象，可能會(huì)對(duì)鐵路路基產(chǎn)生變形影響，因此需要建立地層－結(jié)構(gòu)有限元分析模型，校核卸載、加載過程中結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形情況，并根據(jù)結(jié)果，組織橋梁施工方案，以確保施工安全。

2.1計(jì)算思路

為分析新建公路橋梁跨鐵路施工過程中樁基、承臺(tái)開挖等卸載過程及橋墩、架梁等加載過程對(duì)既有鐵路路基、軌道的影響，計(jì)算通過建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型，分

第一作者簡(jiǎn)介：劉德金（1988一），工程師，主要從事交通工程安全管理工作。

析新建公路橋梁施工各階段對(duì)既有鐵路路基及軌道的影響，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范評(píng)價(jià)變形情況能否滿足運(yùn)營安全的要求[1-2]。

2.2計(jì)算參數(shù)

結(jié)合工程地勘報(bào)告，地層參數(shù)取值如表1所示。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4-5]，主要結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。

2.3計(jì)算模型

本次評(píng)估分析選取三維有限元計(jì)算軟件MidasGTS作為計(jì)算平臺(tái)。計(jì)算模型縱向長(zhǎng)度為 150m ，涵蓋鐵路路基段150m范圍；模型橫向長(zhǎng)度為 120m ，涵蓋公路橋墩、樁基結(jié)構(gòu)外緣以外各35m范圍。模型涵蓋的地層包含粉質(zhì)黏土、圓礫土、三種風(fēng)化砂巖等地層；涵蓋鐵路主要組成有鐵路路基、道床、軌枕、軌道；涵蓋公路主要組成有立交處橋梁主墩、承臺(tái)、樁基。

模型中軌道及軌枕采用梁?jiǎn)卧M，其他均為實(shí)體單元。建立計(jì)算模型分別如圖1和圖2所示。

2.4 計(jì)算工況

為全面分析橋梁施工過程的應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢(shì)，制定的具體工況如表3所示。

3數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1鐵路路基位移影響分析

為分析公路橋梁樁基、承臺(tái)、橋墩及上部結(jié)構(gòu)施工對(duì)鐵路路基的影響程度，分別在距施工作業(yè)面最近的鐵路路基左右兩側(cè)各設(shè)定1個(gè)計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)各個(gè)階段測(cè)點(diǎn)變形及相應(yīng)階段的最大隆起、沉降及橫移情況，評(píng)判各階段施工對(duì)鐵路路基的安全性影響。施工各階段鐵路路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移及相應(yīng)階段最大隆起或沉降值及其變化曲線如表4和圖3所示；水平位移值及其變化曲線如表5和圖6所示。

3.1.1鐵路路基豎向位移分析

由圖3可知，在橋梁樁基、承臺(tái)開挖階段，鐵路路基在卸載作用下，出現(xiàn)輕微隆起變形，隨著橋梁樁、承臺(tái)、墩及上部結(jié)構(gòu)施工，在加載作用下鐵路路基逐步發(fā)生下沉變形，施工過程鐵路路基最大隆起3. 14mm ，最大沉降4.83 mm。

3.1.2鐵路路基水平位移分析

由圖4曲線變化趨勢(shì)可看出，橋梁樁基、承臺(tái)開挖對(duì)鐵路路基水平橫移影響輕微，隨著橋梁樁、承臺(tái)、墩及上部結(jié)構(gòu)施工，施工加載引起樁周地層下沉，進(jìn)而帶動(dòng)周邊土層產(chǎn)生附加橫移，施工過程鐵路路基最大水平位移為2.18mm。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，路基變形能滿足規(guī)范要求。

3.2鐵路軌道位移影響分析

為分析公路橋梁樁基、承臺(tái)、橋墩及上部結(jié)構(gòu)施工對(duì)鐵路軌道的影響程度，分別在距施工作業(yè)面最近的鐵路軌道左右兩側(cè)各設(shè)定1個(gè)計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析測(cè)點(diǎn)隨施工階段的變化，根據(jù)每階段測(cè)點(diǎn)位移及相應(yīng)階段的最大隆起、沉降及橫移，評(píng)價(jià)鐵路軌道在公路橋梁施工影響下的安全性。施工各階段監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移及相應(yīng)階段鐵路軌道最大隆起或沉降值及其變化曲線如表6和圖5所示；水平位移值及其變化曲線見表7和圖6所示。

3.2.1鐵路軌道豎向位移分析

由表6和圖5可知，在橋梁樁基、承臺(tái)的開挖階段，軌道在卸載作用下，出現(xiàn)輕微隆起變形，隨著橋梁樁、承臺(tái)、墩及上部結(jié)構(gòu)施工，在加載作用下鐵路軌道逐步發(fā)生下沉變形，施工過程中鐵路軌道的最大隆起為 0.6mm 最大沉降為2.68 mm。

3.2.2鐵路軌道水平位移分析

由表7和圖6可知，橋梁樁基、承臺(tái)開挖對(duì)鐵路軌道水平橫移影響輕微，隨著橋梁樁基、承臺(tái)、墩及上部結(jié)構(gòu)施工，施工加載引起樁周地層下沉，進(jìn)而帶動(dòng)周邊土層產(chǎn)生附加橫移，施工過程中鐵路軌道的最大水平位移為1.67mm 。根據(jù)相關(guān)規(guī)范7，軌道變形能滿足規(guī)范要求。

3.3 施工要求

施工時(shí)建議采取以下措施：

（1）橋梁樁基、承臺(tái)、墩及上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)，鐵路路基豎向位移較大，最大隆起為 3.14mm ，最大沉降為4.83mm，應(yīng)采用人工挖孔樁對(duì)既有路基坡腳進(jìn)行防護(hù)。（2）橋梁樁基、承臺(tái)開挖對(duì)鐵路路基水平橫移影響不大，但應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)控，防止偶然因素對(duì)鐵路運(yùn)營及在建結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。（③）橋梁頂推施工、現(xiàn)澆支架施工以及承臺(tái)基礎(chǔ)施工時(shí)，在靠近鐵路側(cè)應(yīng)進(jìn)行有效隔離，強(qiáng)化安全隔離防護(hù)措施8，并在施工前嚴(yán)格按照相關(guān)要求辦理鄰近營業(yè)線專項(xiàng)施工方案評(píng)審。

4結(jié)語

文章以在建公路橋梁上跨既有鐵路施工為例，建立了三維模型分析公路橋梁樁基及承臺(tái)開挖、澆筑、施作墩臺(tái)、架設(shè)橋梁及運(yùn)營各階段對(duì)既有鐵路道床及軌道的影響，分析了各施工階段的軌道測(cè)點(diǎn)位移變化曲線。公路橋梁樁基、承臺(tái)開挖階段，既有路基處于卸載狀態(tài)，出現(xiàn)了輕微隆起變形，隨著橋梁樁基、承臺(tái)、墩及上部結(jié)構(gòu)施工，在加載作用下既有路基逐步發(fā)生下沉變形。橋梁樁基、承臺(tái)開挖對(duì)鐵路路基水平橫移影響輕微，隨著橋梁樁、承臺(tái)、墩及上部結(jié)構(gòu)施工，施工加載引起樁周地層下沉，進(jìn)而帶動(dòng)周邊土層產(chǎn)生附加橫移。經(jīng)校核，施工過程中鐵路路基及軌道變形均能滿足規(guī)范要求，對(duì)鐵路影響可控。在后續(xù)施工過程中，應(yīng)采用人工挖孔樁進(jìn)行防護(hù)，加強(qiáng)施工監(jiān)控，做好施工安全隔離措施。 °ledast

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