下穿高速鐵路橋梁的U型槽大體積基坑開挖方案優化研究

陳廣樹

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

隨著我國地方經濟的快速發展，公路與市政工程下穿高速鐵路的數量日益增多，高速鐵路對下穿工程安全要求高，設計和施工難度大，因此下穿構筑物的建設及使用已成為影響高速鐵路運營安全的主要因素之一[1]。

1 工程概況

為滿足地方經濟社會發展的實際需要，規劃某市政路從某高速鐵路里程DK66+282.200處采用U型槽下穿，如圖1所示，U型槽內側寬度為凈24.5m，下穿處該高速鐵路采用4×32m簡支梁結構。該高速鐵路為城際鐵路，有砟軌道。市政路下穿處，將高速鐵路2號橋墩置于中央分隔帶內，并設置防撞墻。

圖1 高鐵橋與U型槽的立面位置關系圖(單位：m)

2 風險源分析

高速鐵路上跨市政路處凈空約為2.5m，橋下地面高程為93.0m。根據設計資料，U型槽下穿高速鐵路底板的底標高87.238m，即橋下地面到U型槽底板底距離5.762m。開挖深度較大，為避免全斷面開挖卸載對高速鐵路橋梁結構響應影響較大，采用分段開挖施工方法[2]。

市政路下穿處施工和運營過程中，對既有橋梁結構有一定影響，為了評估U型槽下穿方案的可行性，避免高速鐵路下穿處施工和運營期間既有橋梁出現異常，影響其正常運營，需首先找出潛在風險源，然后針對各風險因素進行分析研究。經風險分析，安全評估內容如下：U型槽下穿高速鐵路施工和運營過程中，土層受力狀態變化引起鐵路橋梁橋墩位移變化評價。

3 基坑開挖對地下水的影響

地下水位的變動會改變土體的浮力，從而導致既有結構的附加應力的改變，會導致既有結構位移的變化，因此對于U型槽土體的開挖，需要充分考慮地下水的影響。《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》6.0.9條規定當地下水位較高時，應在U型槽和框架結構基坑支護結構外側設置截水帷幕，禁止坑外抽降地下水[1]。

本項目基坑四周設置止水帷幕，并在沿公路方向200m范圍內同樣設置止水帷幕，止水帷幕采用雙排水泥土攪拌樁，直徑為0.60m，間距為0.35m，咬合0.15m，樁長15m，基底混凝土封底，對坑外水位影響較小，符合規范規定。建議施工時，對地下水位進行監測，并制定相關安全措施。本項目地質主要以粉質粘土為主，為弱透水層，透水量較小。經計算該項對高鐵影響較小，所以對此不詳細論述。

4 安全評估模型建立及計算結果分析

4.1 U型槽下穿高速鐵路模型及計算工況

綜合考慮邊界效應及計算效率，以橋梁2號橋墩中間為中心，240m×40m×85m范圍內土體建立模型。模型劃分為117100單元，159782節點。

4.2 U型槽下穿鄭焦鐵路模型計算工況

在三維實體模型中建立施工階段，模擬施工過程：

(1)開挖既有橋中心位置U型槽(1區域)，開挖寬度為9m(下底寬)。

(2)開挖完成后進行U型槽施工，U槽寬度為8m，施工完成后將U槽內填土至道路路面高程。

(3)待第一節U槽施工完成后進行既有線左、右兩側U槽開挖(2和3區域)，開挖寬度為6.5m(下底寬)。隨著開挖進行，在區域1已施工U型槽上壓重25kN/m2。

(4)開挖完成后進行U型槽施工，U槽寬度為6m，施工完成后將U槽內填筑路面至路面高程。

(5)待1、2和3節U槽施工完成后進行4和5區域基坑同時開挖，開挖寬度為9.5m(下底寬)。隨著開挖進行，在區域2和3已施工U型槽上壓重25kN/m2。

(6)開挖完成后進行U型槽施工，兩側U槽寬度均為10m，施工完成后將U槽內填土至道路路面高程。完成后將U型槽上壓重分批、對稱撤下。

施工布置圖見圖2，計算工況詳見表1。

表1 計算工況

4.3 U型槽下穿高速鐵路及運營結果及分析

(1)墩臺位移

U型槽下穿高速鐵路和運營，會對下穿U型槽兩側1號～3號橋墩產生一定的影響。橋梁0～4號墩臺豎向位移、相鄰墩沉降差最大值計算結果，見表2，典型工況墩臺總位移圖見圖3和圖4，0～2號墩臺頂豎向位移隨施工工況變化見圖5。

圖3 0～4號墩臺總位移圖(工況10)

圖4 0～4號墩臺總位移圖(工況11)

U型槽下穿高速鐵路過程中2號橋墩豎向最大附加位移為2.44mm，與1號和3號墩相比，不均勻變化值最大為1.4mm，詳見圖5。1～3號墩沿既有鐵路縱向附加位移變化值最大為0.55mm，沿既有鐵路橫向附加位移變化值最大為0.06mm，詳見表3。

表3 1～3號橋墩墩頂水平位移(單位：mm)

圖5 0～2號墩臺頂豎向位移隨工況變化

參考《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》中3.0.3規定，本工程高速鐵路為有砟鐵路，墩臺頂位移限值為3mm[1]，2號橋墩豎向最大附加位移為2.44mm，與1號和3號墩相比，不均勻變化值最大為1.4mm，小于限值3mm，滿足規范規定。

(2)樁基軸力

從施工過程判斷，2號樁基在施工過程樁基軸力因為土體的加載卸載，樁基軸力會產生一定變化，為最不利樁基，以下給出2號樁基軸力圖(圖6、圖7)，2號樁基在各階段最不利角樁的軸力計算結果，見表4。

圖6 2號樁基軸力圖(工況5)

圖7 2號樁基軸力圖(工況8)

分析U型槽下穿工程施工和運營對高速鐵路橋樁基內力影響可以看出，道路的施工會使得橋墩樁基內力進行重分配，表4中列出的均為各階段最不利角樁的軸力計算結果，最大軸力5434kN，小于設計容許值5700kN，可得施工和運營的各階段下穿設計均可保證橋梁結構基礎安全。

表4 2號樁基軸力計算結果(單位：kN)

綜上述分析，在下穿處采用U型槽，高速鐵路橋墩位移均可滿足相關規范及技術規程要求。

5 結語

采用U型槽下穿高速鐵路方案在施工和運營過程中，對既有鐵路橋梁產生一定影響，尤其大體積開挖基坑的時候，需要充分考慮基坑開挖順序以及地下水的影響，進行充分計算，確保結構運營安全，同時，在施工過程中，做好監控措施。本文對同類型下穿高鐵方案有一定的借鑒意義。