新建城際軌道交通橋梁下穿既有高鐵橋梁的影響分析

魏士杰

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京市 102600)

近年來，我國高速鐵路和城市軌道交通的發展建設越來越快，路網交叉的情況也隨之越來越多，在路網交叉過程中，會出現新建橋梁下穿既有高鐵橋梁的情況，在其施工過程和后續的運營過程中，會對周邊的高鐵橋梁基礎產生擾動，使之產生水平位移和沉降。為此，在新建橋梁下穿高鐵橋梁的情況下，需要對下穿方案做出安全評估，保證高鐵橋梁的位移和沉降能夠在合理的控制標準之內。

針對此種情況，國內一些學者對新建橋梁下穿既有橋梁的影響進行了分析。王景春[1]等采用有限差分軟件對新建工程對高鐵基礎變位的影響進行了安全評估。王加明[2]對既有線橋墩進行沉降觀測及數據分析,得出高鐵橋梁下方施工各橋墩沉降均滿足規范要求的結論。孫宗磊[3]等開展了石濟客專與京滬高鐵的并行線間距選擇與下穿高鐵影響分析的研究。林峰[4]分析了新建橋施工、運營過程中對高鐵橋梁基礎的影響。

結合新建無錫至江陰城際軌道交通橋梁下穿京滬高鐵丹昆特大橋工程,采用Midas GTS/NX數值模擬軟件對新建橋梁施工過程中引起既有高鐵橋墩及承臺的位移情況和橋樁承載力方面進行了計算分析,對新建橋梁施工過程安全性進行預測。

1 工程概況

無錫至江陰城際軌道交通工程S1線于里程XYCK28+183.43處下穿京滬高鐵丹昆特大橋，城際軌道S1線中線與京滬高速鐵路中線交角約為55°，高鐵橋下凈空約為14.8m。城際軌道S1線從京滬高鐵丹昆特大橋2153#(K1192+533)橋墩和2154#(K1192+558)橋墩中間穿行而過，橋梁采用樁接承臺接Y型墩形式，樁基采用Φ1.2m鉆孔灌注樁，摩擦樁設計。下穿段橋梁采用膺架法施工，在輕軌橋下設置兩輔助施工的樁基承臺，梁體荷載由XY17#和XY18#承臺及輔助承臺承擔，輔助承臺下采用0.8m樁基，平面關系如圖1所示。

圖1 城際軌道與京滬高速鐵路平面關系

2 控制標準

2.1 鐵路線路沉降變形經驗控制指標

通常情況下鐵路橋墩沉降變形是導致上方線路不平順的主要原因，根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》及以往臨近鐵路工程的經驗，受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺頂位移限值應符合表1規定：

表1 墩臺頂位移限值(單位：mm)

京滬高鐵軌道結構為無砟，因此設定高鐵橋梁橋墩和承臺的豎向位移、橫橋向水平位移和順橋向水平位移的變形控制值為2mm。

2.2 橋梁結構安全標準

工程施工本身及施工期間的外力可能對既有鐵路橋梁樁基產生附加影響，檢算其單樁設計承載力不得大于原設計單樁容許承載力。

3 數值模擬

3.1 模型建立及施工模擬

(1)模型建立

利用Midas GTS/NX軟件建立三維有限元數值分析模型，在三維建模中，計算區域主要根據新建橋梁與既有橋梁的位置關系，并滿足一定邊界效應的要求來確定。在本模型中，為滿足橋梁施工的邊界效應，三維數值模型整體尺寸為80m(x)×80m(y)×100m(z)。

本模型采用位移邊界條件：側面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取為自由邊界。土體強度準則為Mohr-coulomb準則，采用實體單元模擬，土層計算參數結合本工程地質勘察報告和相關的工程經驗進行取值如表2所示，得到計算模型如圖2所示。

表2 土層參數

圖2 三維數值模型圖

(2)施工過程模擬

整個施工過程模擬按照實際施工順序進行分步施工，總共15個施工工況如表3所示。

表3 施工步序

3.2 計算結果分析

(1)高鐵橋墩及承臺的變形

通過數值模擬，得到新建橋梁施工對京滬高鐵2153#～2154#橋墩及承臺的影響(工況9～工況15)，主要包括橫橋向位移(模型x方向)、順橋向位移(模型y方向)以及豎向的沉降(模型z方向)，計算結果如表4、表5所示。

表4 各工況下橋墩頂累計位移(單位：mm)

表5 各工況下承臺頂累計位移(單位：mm)

由表4知，新建橋梁施工過程中引起的高鐵墩頂最大順橋向位移發生在工況14(施加新建橋梁施工荷載)，位于2154#墩，最大位移-1.457mm；高鐵墩頂最大橫橋向位移發生在工況15(施加新建橋梁運營荷載)，位于2154#墩，最大位移-1.226mm；高鐵墩頂最大豎向位移發生在工況14(施加新建橋梁施工荷載)，位于2154#墩，最大位移-1.272mm。

由表5知，新建橋梁施工過程中引起的高鐵承臺最大順橋向位移發生在工況15(施加新建橋梁運營荷載)，位于2153#墩，最大位移0.279mm；高鐵承臺最大橫橋向位移發生在工況15(施加新建橋梁運營荷載)，位于2153#墩，最大位移0.303mm；高鐵承臺最大豎向位移發生在工況14(施加新建橋梁施工荷載)，位于2154#墩，最大位移-1.635mm。

橋墩和承臺的最大豎向位移、最大橫橋向水平位移和最大順橋向水平位移均小于變形控制值2mm，滿足安全施工和運營的要求。

(2)高鐵橋樁的變形

為研究新建橋梁施工引起的高鐵樁基的變形，提取施加新建橋梁運營荷載后引起的水平變形。新建橋梁施工對靠近的高鐵樁基變形的影響較大，因此提取靠近新建橋梁的樁變形，分別為2153#橋墩下靠近新建橋梁的1號樁，及2154#靠近新建橋梁的2號樁，提取變形的樁的位置如圖3所示。

圖3 提取變形的樁的位置示意圖

由圖4，施加新建橋梁運營荷載后，1號樁基最大的x向偏移出現在樁頂位置，1號樁基最大的y向偏移出現在距離樁頂15m的樁身位置；2號樁基最大的x向偏移出現在樁頂位置，2號樁基最大的y向偏移出現在樁頂位置。施加新建橋梁運營荷載后引起高鐵橋樁樁身變形為：1號樁樁身的最大x向位移為0.135mm，1號樁樁身的最大y向位移為-0.181mm，2號樁身的最大x向位移為-0.163mm，2號樁身的最大y向位移為-0.209mm。

圖4 施加新建橋梁運營荷載后樁身水平變形

施加新建橋梁運營荷載后引起高鐵橋樁樁頂變形為：1號樁樁頂的x向位移為0.135mm,1號樁樁頂的y向位移為0.129mm，2號樁樁頂的x向位移為-0.163mm，2號樁樁頂的y向位移為-0.209mm。樁底的水平位移接近為零。

(3)橋樁承載力

施加新建橋梁運營荷載后，高鐵橋梁樁基單樁承載力變化情況如表6所示。

表6 單樁承載力對照(單位：kN)

由表6可知，2153#高鐵橋梁樁基單樁承載力原設計為5025.43kN，施加新建橋梁運營荷載后2153#高鐵橋梁樁基單樁最大承載力為5067.41kN，2153#高鐵橋梁樁基單樁容許承載力為5380.14kN。2154#高鐵橋梁樁基單樁承載力原設計為3237.07kN，施加新建橋梁運營荷載后2154#高鐵橋梁樁基單樁最大承載力為3284kN，2154#高鐵橋梁樁基單樁容許承載力為3403.22kN。由此可知，施加新建橋梁運營荷載后，2153#和2154#高鐵橋梁樁基單樁承載力與容許承載力之間仍然有一定的安全儲備，高鐵橋樁安全。

4 結論

(1)新建橋梁施工和運營過程中引起的高鐵墩頂最大x向(順橋向)位移為-1.457mm；高鐵墩頂最大y向(橫橋向)位移為-1.226mm；高鐵墩頂最大豎向位移為-1.272mm。

新建橋梁施工和運營過程中引起的高鐵承臺最大x向(順橋向)位移為0.279mm；高鐵承臺最大y向(橫橋向)位移為0.303mm；高鐵承臺最大豎向位移為-1.635mm。

橋墩和承臺的最大豎向位移、最大橫橋向水平位移和最大順橋向水平位移均小于變形控制值2mm，滿足安全施工和運營的要求。

(2)施加新建橋梁運營荷載后引起高鐵橋樁樁頂變形為：橋樁樁頂的最大x向位移為-0.163mm，橋樁樁頂的最大y向位移為-0.209mm。樁底的水平位移接近為零。

(3)施加新建橋梁運營荷載后，單樁承載力與容許承載力之間仍然有一定的安全儲備，高鐵橋樁安全。

(4)通過計算分析可知，新建橋梁施工和運營過程中，橋梁橋墩和承臺的各向位移均小于變形控制標準，樁身變形很小，單樁最大承載力也小于原本設計的單樁容許承載力。故新建無錫至江陰城際軌道交通橋梁下穿京滬高鐵丹昆特大橋方案可行，施工風險可控。