高速公路拓寬下穿京滬高鐵三維有限元分析

於 慧 （現代建筑設計集團上海申元巖土工程有限公司，上海 200040）

0 前言

隨著我國高鐵的快速建設，對城市的分隔作用也日益明顯，城市高速公路建設時不得不穿越已建成或正在建設的高鐵，通常以路堤填筑、隧道及高架橋的形式實現城市高速公路的連接功能，而這些建設往往會對鄰近的高鐵樁基產生一定的影響。在軟土地區，高速鐵路無砟軌道對沉降及承載力的控制[1]極其嚴格，相關學者[2-5]對此展開了研究，徐干成[6]等以北京地鐵14號線盾構區間隧道為背景，對下穿京津城際鐵路段的施工過程進行三維數值模擬，計算表明對下穿段一定范圍內的土體進行注漿加固可以有效控制盾構隧道施工引起的既有鐵路縱向和橫向沉降及不均勻沉降；李悄[7]等通過PLaxis的數值分析方法分析了新建公路采取不同結構形式對高速鐵路的影響；李耐振[8]等以德大線下穿京滬高速鐵路為背景，從工程投資、下穿工程措施、城市規劃、環境保護、養護維修等多方面對德大線改線下穿和原位下穿京滬高速鐵路兩個方案進行了必選；程雄志[9]等的研究表明采用聯合加固方法可以有效減少盾構穿越高速鐵路路基引起的沉降。盾構穿越后實測最大、沉降量為0.7mm，與數值計算結果相近，能確保高鐵運營安全。以往的研究表明，新建公路以路基形式下穿時，應盡量減少填方，并采用輕型筑堤材料，減輕路基填料影響。

本文以京滬高鐵沿線蘇州段某公路拓寬為工程背景，建立高速公路拓寬下穿京滬高鐵的ABAQUS三維有限元模型，就高速公路拓寬對高鐵橋墩及基礎面的變形、高鐵樁基的力學特性及高速公路的變形展開分析，從而完善公路拓寬下穿高鐵的理論依據，為類似工程的設計施工提供參考意義。

1 工程概況

開泰路是高鐵新城內一條南北向生活性干道。其中K2+278.23～蠡太路段落附近需要穿過京滬高鐵橋墩墩號38#和39#，段落全長約1.3km。原道路劃分為6.8m中央綠化帶+2×7.5m車行道+2×15m綠化帶，現由于發展需要，道路需要擴建，改造后路幅總寬51.8m，四幅式斷面形式，路幅布置為綠化帶5m+人行道2m+綠化帶1.5m+非機動車道3m+機非分隔帶3m+機動車道7.5m+中央分隔帶6.8m+機動車道7.5m+機非分隔帶3.5m+非機動車道5m+綠化帶1.5m+人行道2m+綠化帶3m（如圖1所示）。

圖1 開泰公路拓寬橫斷面圖

圖2 開泰公路下穿京滬高速鐵路模型平面圖

2 有限元計算模型

2.1 模型建立

以開泰公路下穿京滬高速鐵路的拓寬工程為背景，根據地質資料，路基下分布有較深的淤泥質粉質黏土，壓縮性高，強度低，土質較差，層厚15m。老路車行道路面結構層的厚度為60.5cm，新建段落車行道路面結構總厚度61.6cm，人行道路面結構總厚度為29.5cm。

為避免邊界效應的影響，本次分析長度方向選取距離開泰公路寬度3倍距離，寬度方向選取高鐵橋墩中心到道路中心距離的3倍，因此計算區域的尺寸取為長210m，寬120m，深度120m（如圖2所示），其下假設為剛性不透水層。模型底面采用全部約束，約束x，y，z三個方向的位移，側表面約束軸向位移，頂面為力邊界約束。根據計算區域及研究問題的需要，為了研究樁的作用，高鐵及樁的部位單元網格劃分較密，其他部位逐漸變疏。用Sweep法和Advancing front算法劃分網格，整個路堤的單元形狀都為Hex和Hex-D，模型網格劃分共得到49579個單元，46258個節點。模型中，土體采用C3D8R單元模擬（如圖3所示）。

圖3 有限元網格

2.2 材料本構關系

地基土和路堤土均采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，樁為線彈性體。土層計算參數由土工試驗得到（見表1）。計算中彈性模量根據土體壓縮模量換算而得。場地土層分布特點如下：②1層粉質粘土：淺灰色，軟塑為主。系中等偏高壓縮性，低強度土層，工程性質一般。②2層粉質粘土：青灰色，可塑為主。系中等壓縮性，中等強度土層，工程性質中等。③1層粘土：黃褐色，可塑。系中等壓縮性，中高強度土層，工程性質較好。③2層粉質粘土：灰黃色，可塑為主。系中等壓縮性，中等強度土層，工程性質中等。④1層粉土：灰黃～灰色，很濕，稍密～中密。系中等壓縮性，中等強度土層，工程性質一般。④2層粉砂：灰色，飽和，中密狀為主。系中低壓縮性，中高強度土層，工程性質較好。⑤層粉質粘土：灰色，軟塑。系中高壓縮性，中低強度土層，工程性質一般。⑥1層粘土：暗綠色～褐黃色，可～硬塑。系中等壓縮性，中高強度土層，工程性質較好。⑥2層粉質粘土：灰綠～灰黃色，可塑為主。系中等壓縮性，中等強度土層，工程性質中等。⑦1層粉質粘土：灰色，軟塑為主。系中高壓縮性，中低強度土層，工程性質一般。

路面結構層的平均重度為22 kN/m3。其中彈性模量E參考地區工程經驗及相關文獻研究成果，取為勘查報告中壓縮模量Es的3～5倍[10-12]，有限元計算可取大值。

土層物理力學指標 表1

2.3 接觸面處理

高鐵橋梁樁與樁周土體的變形模量相差很大，在一定的荷載條件下有可能在兩者的接觸面上產生錯動滑移。這時，應該在樁-土之間設置接觸面單元，以更好的反映樁-土之間的變形情況。模型中，高鐵樁基與樁周土、路面結構層與土體之間均設置接觸面，以模擬樁-土之間的黏結、滑移、脫離，且認為分析過程中樁-土間的摩擦系數不變。接觸面法向模型為“硬”接觸，摩擦特性為Penalty，摩擦系數為tan0.75φ，接觸面調節系數為2%。

2.4 模型工況

根據地質資料，該標段老路堤于2004年建成通車，模型中假設地基已經在老路堤荷載作用下固結已基本完成。初始地應力平衡時，先假設高鐵樁和地基具有相同的重度，連同老路堤一起平衡，在第二步時將高鐵樁基多余的重度及墩頂的高鐵荷載施加上去，這樣能較好的模擬地基的初始應力狀態以及便于后續分析新路堤填筑對高鐵樁基的影響。

ABAQUS中提供了生死單元，根據施工的先后順序，將整個計算分析過程分為四個工況步（step），即：

step1初始地應力計算形成自重應力場；

step2添加既有高鐵及高鐵荷載（根據京滬高速鐵路設計荷載，按最不利1000kN施加）；

step3開泰路非機動車道和人行道開挖；

step4開泰路非機動車道和人行道結構層填筑（填筑至原道路標高）；

圖4 墩身高度水平位移（m）

圖5 墩身高度豎向位移（m）

圖6 基礎頂面截面示意圖

圖7 基礎頂面1-1截面水平位移（m）

圖8 基礎頂面1-1截面豎向位移（m）

圖9 基礎頂面2-2截面水平位移（m）

step5通車運營（參照道路設計荷載非機動車荷載按3.5kN/m2；人行道均按2.5kN/m2考慮）。

3 計算結果分析

3.1 高鐵橋墩的變形

下穿道路對橋墩上部結構的影響表現為墩身的豎向和水平向的變形。根據三維數值分析，選取高鐵墩號38#號作具體分析來判斷對高鐵橋墩的影響。

由圖4和圖5可知，38#號橋墩墩頂的水平位移較小，且運營期增加較少，不會對高鐵的運營產生影響，如施工期X（高鐵運行方向）的水平位移為0.55mm，運營期為0.68mm，位移方向均為向道路中心線內側方向；墩身的豎向位移隨墩身長度的變化較穩定，墩頂運營期的豎向位移和墩底的豎向位移均為0.41mm，方向豎直向下；水平位移由墩頂往墩底方向逐漸減少，運營期X向墩頂位移為0.68mm，墩底位移為0.45mm。

3.2 高鐵基礎面承臺的變形

圖7～圖10為基礎頂面1-1截面和2-2截面的變形匯總表，截面選取時以靠近開泰公路的點為原點，分別選取兩個方向進行分析，1-1截面為與開泰公路軸線垂直的截面，2-2截面為與開泰公路軸線平行的截面，都選取內側點為起始點（如圖6所示）。

以38#橋墩基礎底面為例：

①高鐵基礎面1-1截面的x向的水平變形為0.43mm，y向的水平變形為-0.13mm，且隨著離開泰公路距離的增加變形較為穩定；

②高鐵基礎面1-1截面豎向變形為0.26～0.57mm，隨著距離開泰公路距離的增加豎向變形減少顯著，這主要是由受道路荷載的影響減少引起的。

③高鐵基礎面2-2截面與開泰公路軸線平行，水平位移和豎向位移變化穩定，其中X向水平位移為0.45mm，Y向水平位移為-0.13m，Z向豎向位移為0.41mm。

圖10 基礎頂面2-2截面豎向位移（m）

3.3 高鐵樁基力學特性

高鐵樁基的軸力和負摩阻力變化如圖11和圖12所示，可見施工和運營工況時淺部土層出現負摩阻力，樁基的摩阻力變化值在-0.5kPa～5.3kPa。最大摩阻力發生在地面下約70m處，淺部摩阻力變化較緩，深度摩阻力變化較陡。

圖11 樁身軸力變化圖（kN）

圖12 樁身摩阻力圖（kPa）

3.4 開泰公路路面變形

圖13 運營期工況豎向變形云圖（m）

圖14 各工況地面豎向變形曲線圖（m）

圖13為運營期工況豎向變形云圖，如圖所示道路兩側的變形大致對稱，道路的豎向變形呈現“波浪型”分布，豎向變形主要發生在拓寬的非機動車道和人行道。

選取施工和運營工況下，兩高鐵基礎之間的地面豎向變形進行分析，由38#基礎邊指向39#基礎邊，如圖14所示。最大變形發生在離高鐵橋墩39#的非機動車道施工期的最大變形為2.22mm，運營期變形為4.28mm。

4 結論

①對高鐵基礎變形影響

根據數值分析，高鐵橋墩基礎主要產生沉降變形，最大沉降變形為0.41mm，但豎向位移隨墩身長度的變化較穩定；橋墩墩頂水平變形最大，為0.68mm。高鐵承臺基礎與開泰公路軸線垂直的截面水平變形為0.43mm，y向的水平變形為-0.13mm，且隨著離開泰公路距離的增加變形較為穩定；豎向變形為0.26～0.57mm，隨著距離開泰公路距離的增加豎向變形減少顯著。

高鐵承臺基礎與開泰公路軸線平行的截面水平位移和豎向位移變化均較為穩定，其中X向水平位移為0.45mm，Y向水平位移為-0.13m，Z向豎向位移為0.41mm。

高鐵基礎豎向變形值呈對稱關系，兩橋墩不產生不均勻沉降。

②對高鐵基礎樁基承載力的影響

根據數值分析，高鐵樁基礎樁底軸力增加20.84kN，施工和運營工況時淺部土層出現負摩阻力，樁基的摩阻力變化值在-0.5kPa～5.3kPa。考慮到樁的安全系數以及樁的承載力，此變化值對樁基承載力的影響可以不計，對樁端產生一定附加應力，但影響樁基礎的沉降變形很小。

③對開泰公路路面變形的影響道路的豎向變形呈現“波浪型”分布，豎向變形主要發生在拓寬的非機動車道和人行道；施工期的最大變形為2.22mm，運營期變形4.28mm。

④保持原有道路地面的標高，在下穿道路在距離高鐵線左右各50m范圍內不增加道路填土造成的施工荷載，可以減少施工工況條件對高鐵基礎的沉降影響。

⑤在不能減小道路的填筑高度的情況下（包括新建道路的路面結構），可以采用剛性路基控制下穿道路的施工荷載和車輛運營荷載。

⑥在道路施工時控制高能量級的壓實機械、增加分層壓實的次數來控制施工過程中的機械超載。

⑦在施工過程中加強對高鐵橋梁的監測，做到信息化施工。