U型槽下穿施工對高鐵高架橋基礎變位影響分析

□文/魏孟春 熊 剛

隨著公路及高鐵網絡的進一步完善，道路橋梁與高鐵交叉的情況會不可避免的越來越常見，高鐵的分割作用日漸顯著[1]。道路橋梁與高鐵交叉時多采用下穿方案，道路橋梁施工和運營階段均會引起周圍地層的擾動，從而會使高鐵基礎產生豎向及水平變位；而隨著高鐵的速度越來越快及無砟軌道的廣泛采用，對沉降的要求更加嚴格，因此如何減小由于交叉施工對高鐵產生的影響，確保高鐵的安全，已成為鄰近高鐵既有線工程需要解決的一個重要課題[2～5]。

近年來不少學者針對樁基、路堤填土、隧道、路基開挖施工對既有橋梁的影響進行分析。熊剛等[6]研究了新建隧道施工對既有橋梁基礎影響；李智彥等[7]運用三維數值模擬方法，分析了新建鉆孔灌注樁的各施工步序對既有橋樁應力和變形的影響；楊紅春[8]運用Plaxis和Foundation軟件，對新建道路采用樁板的形式下穿高鐵橋梁施工進行了模擬，分析了施工方案的安全性及可行性。

本文以采用U 型槽結構下穿高鐵高架橋的某道路為背景，分析施工方案的可行性并依據相關標準對方案進行評估。

1 工程概況

某在建高鐵高架橋為雙線簡支箱梁，設計時速250 km/h，孔跨布置為8×32 m，跨度較小，橋墩柱樁基已經施工完成；而擬建下穿高架橋的道路路幅較寬，因此高架橋橋墩不可避免地立于道路范圍內，受限于道路路幅及交角，開挖基坑鋼板樁與高鐵樁基最近距離僅為2.7 m，見圖1。

圖1 U型槽與高鐵墩柱布置平面

為減小道路施工及后期運營對高架橋樁基及承臺的影響，下穿道路采用U型槽結構。考慮碎石墊層后，U型槽基坑深3.2～4.2 m；靠近高架橋承臺的縱向側壁處采用鋼板樁支護，基坑兩端的橫向邊線處采用放坡開挖。

TB 10621—2014《高鐵設計規范》規定無砟軌道靜定結構墩臺基礎工后沉降限值：墩臺均勻沉降為20 mm，相鄰墩臺沉降差為5 mm。鑒于高架橋墩柱基礎已經完成施工，上部結構尚未完工，在盡量不影響高架橋施工的情況下，控制墩臺水平向位移限值為5 mm，墩臺高低向位移限值為5 mm。

2 數值計算分析

2.1 建立模型

采用空間有限元軟件Plaxis-3D 進行分析，根據圣維南原理，填挖方影響范圍大概為填挖范圍的3～5倍，考慮計算效率及計算的結果準確性，選取尺寸為200 m×200 m×80 m的模型進行計算分析，見圖2和圖3。

圖2 數值計算模型

圖3 數值計算模型網格單元劃分

樁采用殼單元，線彈性本構模型；土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型，土層參數見表1。

2.2 施工過程

初步擬定施工順序：

1）施工鋼板樁圍堰；

2）開挖基坑（加橫撐/不加橫撐）。

對施工過程進行模擬，對比加橫向鋼管支撐和不加橫撐對高架橋樁頂位移的影響。見圖4-圖9。

圖4 施工圍堰土體位移

圖5 施工圍堰高架橋樁基和鋼板樁位移

圖6 不加橫撐開挖基坑土體位移

圖7 不加橫撐開挖基坑高架橋樁基和鋼板樁位移

圖8 加橫撐開挖基坑土體位移

圖9 加橫撐開挖基坑高架橋樁基和鋼板樁位移

2.3 運營階段

U 型槽施工完成后高鐵、道路會陸續開始運營，分別分析高鐵、道路運營對高架橋樁基、鋼板樁、土體的位移，見圖10-圖13。

圖10 高鐵運營后土體位移

圖11 高鐵運營后高架橋樁基和鋼板樁位移

圖12 公路運營后土體位移

圖13 公路運營后高架橋樁基和鋼板樁位移

2.4 計算結果

高架橋采用群樁基礎，每個墩柱下設置8 根樁基礎，各樁基沿樁身方向的位移在各工況下不同，取最大位移作為最不利點進行分析，見表2和表3。

表2 無橫撐作用高架橋樁頂位移 mm

表3 有橫撐作用高架橋樁頂位移 mm

2.5 方案評估

有無橫撐作用高架橋樁頂位移均在基坑開挖工況下最大，無橫撐作用下豎向位移為4.76 mm，有橫撐作用下豎向位移為4.78 mm，均小于豎向變形限值5 mm，證明本工程的U型槽結構安全可靠，施工采用鋼板樁圍堰可以保障高鐵的位移在規范限值以內。

3 結論

1）針對下穿道路，為減少施工及后期運營階段對高鐵的影響，采用鋼板樁圍堰可以保障高鐵高架橋樁頂的位移在規范限值以內。

2）計算研究表明，施工階段樁頂最大位移，發生在基坑開挖階段，豎向位移起控制作用。

3）橫撐對高鐵橋樁頂豎向位移影響不大，但為了降低橫向位移，保證基坑穩定，建議加橫撐開挖。