鄰近高鐵新建構筑物對商合杭高鐵橋梁的變形影響分析

王 睿

（中國鐵路設計集團有限公司，天津市 300451）

0 引 言

目前，中國基本已建成“四縱四橫”高速鐵路網，高鐵累計運營里程達2.9萬km，占世界總運營里程三分之二以上。高速鐵路的大規模建成通車方便了乘客快捷出行，但由于高速鐵路對沉降變形等要求較高，臨近高速鐵路的新建工程是否滿足高鐵運營安全的要求就成了一個必需解決的問題[1-2]。

1 工程概況

毫州市渦北污水處理廠位于毫州譙城區渦北片區，東側為在建商合杭高鐵，設計日處理規模為4×104m3/d，污水處理廠重點收集渦北片區生活污水。渦北污水處理廠一期于2013年投入運行，日處理能力為2萬m3，采用曝氣生物濾池工藝。該工程擬對污水處理廠按遠期規模擴建至4萬m3/d，擴建位置在既有廠房與在建商合杭高鐵之間，平面位置如圖1所示。

2 商合杭高鐵概況

商丘至合肥至杭州鐵路線位于河南、安徽和浙江三省境內，線路起于河南省省商丘市，向南途徑安徽省亳州、阜陽、淮南、六安、合肥、馬鞍山、蕪湖、宣城，而后進入浙江省湖州至杭州。新建線路長608.024 km，沿線共新建及改擴建車站22座，是溝通中原地區、安徽省與長江三角區的快速客運專線。本工程影響范圍為新建商丘至合肥至杭州鐵路商丘至阜陽段的亳州特大橋。

圖1 污水處理廠與商合杭高鐵平面位置圖

2.1 主要技術標準

線路等級：高速鐵路；

此段設計速度目標值：350 km/h；軌道標準：無縫線路、無砟軌道；設計荷載：ZK活載。

2.2 橋梁設計概況

亳州特大橋位于商合杭高鐵商丘至阜陽段，亳州特大橋中心里程DK62+585.57，全長5.189 7 km。該次施工影響范圍為亳州特大橋542#～550#號橋墩，采用32 m簡支箱梁，雙線流線形圓端實體橋墩，樁基礎，詳細設計參數見表1。

3 污水廠擴建設計概況

污水處理廠新增單體建筑根據工程需要設置，主要有A2O及斜板沉淀組合池、反硝化深床濾池、鼓風機房及污泥濃縮池等。新建構筑物詳見表2。

4 高速鐵路橋梁變形限值

4.1 沉降限值要求[3]

《高速鐵路設計規范》（TB 10177—2014）明確給出了工后沉降的定義、橋梁工后沉降量及差異沉降量限值要求，其內容如下：

（1）第2.1.9條給出工后沉降的定義：鋪軌工程完成以后，基礎設施產生的沉降量為工后沉降。

（2）第7.3.10條給出橋梁墩臺基礎的沉降應按恒載計算，其工后沉降量不應超過表7.3.10限值，見表3。

表3 靜定結構墩臺基礎工后沉降限值

4.2 橫向水平變形限值要求[3]

《高速鐵路設計規范》（TB 10177—2014）第7.3.9條給出墩臺橫向水平線剛度需要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，并應對最不利荷載作用下墩臺頂橫向彈性水平位移進行計算。

在ZK活載、橫向搖擺力、離心力、風力和溫度的作用下，墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應不大于1.0‰弧度，如圖2所示。

4.3 縱向水平變形限值要求[4]

《鐵路橋涵設計規范》（TB 10002—2017）第5.4.4條規定對鐵路橋梁的墩頂的順橋向水平變形量給出了明確要求：

墩臺頂帽面順橋方向的彈性水平位移應符合下列規定，

表1 亳州特大橋542號～550號墩基礎設計參數表

表2 擴建工程新建構筑物一覽表

圖2 水平折角示意圖

式中：L為橋梁跨度，m：當L＜24 m時，L按24 m計算；當為不等跨時，L采用相鄰中較小跨的跨度，m；Δ為墩臺頂帽面處的水平位移，mm；包括由于墩臺身和基礎的彈性變形，以及基底土彈性變形的影響。

5 擴建工程對商合杭高鐵的變形分析

5.1 有限元模型

采用大型通用有限元分析軟件Plaxis 3d建立整體三維有限元模型進行計算分析，污水處理廠擴建工程施工及運營對商合杭亳州特大橋影響范圍為542#～550#號橋墩，由于范圍較大，該次分542#～546#、547#～550#兩個模型進行分析評估，模型三維透視圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 542#～546#三維透視模型

圖4 547#～550#三維透視模型

5.2 變形分析結果

5.2.1 沉降影響分析

各墩沉降計算結果見表4，542#～546#及547#～550#墩土體沉降變形分別如圖5和圖6所示。

表4 沉降計算結果匯總

圖5 542#～546#墩土體沉降變形圖

圖6 547#～550#墩土體沉降變形圖

由上表可知，污水廠擴建工程引起商合杭高鐵橋梁542#～550#號墩最大附加沉降為2.342 mm，疊加原設計工后沉降后最大總沉降為18.805 mm，引起的最大附加差異沉降為2.442 mm，最大累計總差異沉降3.395 mm。因此該施工階段引起的商合杭高鐵橋梁基礎總沉降及差異沉降均滿足《高速鐵路設計規范》（TB 10621—2014）中沉降的限值要求。

5.2.2 墩頂橫向水平變形分析

商合杭高鐵墩頂橫向水平變形計算結果見表5，542#～546# 及 547#～550# 墩土體橫向水平變形如圖7和圖8所示。

表5 商合杭高鐵墩頂橫向水平變形值

圖7 542#～546#墩土體橫向水平變形圖

圖8 547#～550#墩土體橫向水平變形圖

由表5可知，污水廠擴建工程引起的墩頂最大附加橫向水平變形值最大為6.185 mm，疊加設計初始值累計橫向水平變形值最大為17.3 mm。根據上述數據，544#、546#、547#、548# 和 549# 墩的墩頂橫向位移超出允許橫向水平位移限值。

5.2.3 墩頂縱向水平變形分析

商合杭高鐵墩臺頂縱向水平變形計算結果見表6。

由表6可知，污水廠擴建工程引起的墩頂縱向水平變形，最大縱向水平變形值為2.064 mm，疊加初始設計累計縱向水平變形值最大為14.074 mm，在縱向水平位移限值以內。

表6 商合杭高鐵墩臺頂縱向水平變形值

5.3 污水處理廠施工對商合杭高鐵橋梁變形評估結論

（1）污水廠擴建工程引起的商合杭高鐵附加沉降量為-2.205～1.258 mm，疊加設計值后的累計沉降量最大值為-18.805 mm，滿足《高速鐵路設計規范》（TB 10621—2014）規定的工后沉降量20 mm的限值要求。

（2）污水廠擴建工程引起的商合杭高鐵附加差異沉降量為1.368～2.442 mm，疊加設計值后的累計差異沉降量最大值為3.395 mm，滿足《高速鐵路設計規范》（TB 10621—2014）規定的工后差異沉降量5 mm的限值要求。

（3）污水廠擴建工程引起的商合杭高鐵附加橫向水平變形為0.181～6.185 mm，疊加設計值后的累計橫向水平位移最大值為17.3 mm，其中544#、546#、547#、548#和549#墩的墩頂橫向位移不滿足《高速鐵路設計規范》（TB 10621—2014）規定的橫向水平變形的限值要求。

（4）污水廠擴建工程引起的商合杭高鐵附加縱向水平變形為-1.523 mm～2.064 mm，疊加設計值后的累計縱向水平位移最大值為14.074 mm，滿足《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 10002.1—2005）規定的縱向水平變形的限值要求。

6 結 語

通過對污水處理廠擴建工程對鄰近商合杭高鐵橋梁結構的變形分析，可以得到如下結論和建議。

（1）為減小亳州污水處理廠改擴建工程施工對商合杭高鐵橋梁的影響，建議該工程先于商合杭高鐵橋梁施工。

（2）為保證本工程的可行性，應在商合杭高鐵亳州特大橋543#～550#墩范圍與本工程之間設置安全防護（隔離）措施，同時對亳州特大橋544#～549#墩的樁基礎進行加強。

（3）該次變形評估分析可作為鄰近高鐵的新建工程或貨物堆載場等對高鐵橋梁結構變形影響的參考。