某高鐵下新開航道開挖施工安全性分析

胡君穎 樓偉中

摘 要：為確保滬昆高鐵橋墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及運(yùn)營安全，結(jié)合路上開挖段的航運(yùn)需求，對下穿段橋墩的保護(hù)措施進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)成果安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。通過對下穿段進(jìn)行有限元建模計(jì)算分析，該加固系統(tǒng)采用圍護(hù)+地基處理+河底加固的形式，能有效控制航道和橋墩變形，從而保證了高鐵的安全運(yùn)營。

關(guān)鍵詞：高鐵橋墩;開挖;下穿;加固;安全分析

1 土體開挖對既有高鐵橋梁的影響

我國東部地區(qū)由于存在軟土層較厚，土體含水量較大，土層強(qiáng)度較低等不利因素，導(dǎo)致天然地基承載力較弱，而高速鐵路由于其運(yùn)行速度極快，對其結(jié)構(gòu)的位移和沉降界限有著嚴(yán)格的要求，輕微的工程擾動都有可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的后果[1]。下穿航道開挖最終可能導(dǎo)致高速鐵路橋梁樁基，乃至線上軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加豎向位移和水平變形，加之高速鐵路軌道變形限制嚴(yán)格，亟需深入研究新航道建設(shè)與高速鐵路橋梁的相互影響及關(guān)鍵的控制措施[2-3]。

2 航道下穿滬昆高鐵加固段設(shè)計(jì)

為保護(hù)京杭運(yùn)河二通道博陸-八堡段下穿滬昆高鐵的橋墩，通過實(shí)地測量、研究討論、可行性分析，從基礎(chǔ)防側(cè)向位移、防沖刷和防撞三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一套下穿段加固保護(hù)體系。具體的加固結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括：

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單個(gè)橋墩的圍護(hù)樁共設(shè)置三排，位于邊跨側(cè)的為外側(cè)樁，位于主跨側(cè)的靠近橋墩的為中間樁，位于主跨側(cè)遠(yuǎn)離橋墩的為內(nèi)側(cè)樁。232#橋墩處外側(cè)樁的數(shù)量為69根，中間樁的數(shù)量為69根，內(nèi)側(cè)樁的數(shù)量為72根。233#橋墩處外側(cè)樁的數(shù)量為60根，中間樁的數(shù)量為67根內(nèi)側(cè)樁的數(shù)量為65根。排樁樁基直徑為1.2 m，外側(cè)樁樁長30 m，中間樁、內(nèi)側(cè)樁樁長28 m，樁間距1.4 m，樁頂設(shè)置冠梁，冠梁的橫截面尺寸為1.0×1.0 m（橫向×豎向）。

內(nèi)側(cè)樁和中間樁之間設(shè)置鋼筋混凝土板，外側(cè)樁和中間樁采用斜撐連接，斜撐的橫截面尺寸為1.0×1.0 m（橫向×豎向），使圍護(hù)樁、斜撐和鋼筋混凝土板連成整體。施工期間在圍護(hù)樁之間設(shè)置兩層橫向支撐，橫撐的橫截面尺寸為1.0×1.0 m（橫向×豎向），加固橫撐和樁基連成整體。航道開挖完成后拆除橫撐和多余的圍護(hù)樁。

2.2 基底加固設(shè)計(jì)

基坑底采用水泥攪拌樁加固土體，攪拌樁的布置形式采用格鉤式。外側(cè)樁和中間樁間水泥攪拌樁有效樁長為10 m。

2.3 河底加固設(shè)計(jì)

在圍護(hù)樁加固范圍內(nèi)，河床底采用“米”字形錨梁進(jìn)行加固，錨梁的橫截面尺寸為1.0×1.1 m（橫向×豎向），橫錨梁的中心間距為15 m，錨梁底部采用水泥攪拌樁加固土體，攪拌樁的布置形式也采用格鉤式，有效樁長為5 m。

2.4 航道防撞墻設(shè)計(jì)

在航道凈寬要求范圍外設(shè)置防撞擋墻，防撞擋墻獨(dú)立設(shè)置，墻底設(shè)置15 m長、直徑1.0 m的鉆孔灌注樁。

3 下穿段兩側(cè)高鐵橋墩安全性保證

采用PLAXIS 3D有限元軟件對本項(xiàng)目的施工過程進(jìn)行模擬。模型尺寸為300 m×150 m×100 m（航道中心線方向×航道斷面方向×深度）。連續(xù)梁、軌道板及列車運(yùn)行產(chǎn)生的動荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載作用于橋墩墩頂[4]。選用便于數(shù)值計(jì)算收斂的摩爾庫倫模型（M-C模型）。對航道外部結(jié)構(gòu)和加固措施進(jìn)行合理簡化，通過“生死單元”的激活與殺死模擬施工過程中土體和結(jié)構(gòu)的增減[5]。有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖2至圖3所示。航道開挖數(shù)值模擬工況共設(shè)32個(gè)分析步，經(jīng)過合并后共有12種工況，如表1所示。

經(jīng)數(shù)值模型的前期計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在模型的容許誤差范圍內(nèi)，該加固方案能有效控制高鐵橋墩的各方向位移，保證了新開航道施工過程中高橋橋墩的安全;同時(shí)，航道基坑本身也處于一個(gè)安全的狀態(tài)，各結(jié)構(gòu)物的位移滿足一級基坑的變形要求。但是，該加固方案是否富余還需進(jìn)一步驗(yàn)證，力求做到經(jīng)濟(jì)性與安全性的統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)：

[1]田玉軍，朱吉雙.水運(yùn)管理[J].水運(yùn)管理，2010，32（12）： 10-13.

[2]林迪斯.富水軟土地層地鐵車站深基坑降水開挖支護(hù)穩(wěn)定性研究[D].北京： 北京交通大學(xué)，2019.

[3]TB10182-2017，公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程[S].北京： 中國鐵道出版社，2018.

[4]魏洋洋.盾構(gòu)近接穿越對橋梁樁基及土體的影響分析[D].福州： 福州大學(xué)，2016.

[5]伍程杰，俞峰，龔曉南，等.開挖卸荷對既有群樁豎向承載性狀的影響分析[J].巖土力學(xué)，2014，35（9）：2602-2608.