浙江軟土地區某河道開挖工程對既有鐵路安全運營的影響

何俊松

【摘 要】?文章基于地勘資料和設計方案，采用Midas GTS NX有限元數值模擬的手段，對河道開挖施工過程中對鄰近既有鐵路大橋位移的影響進行了計算和分析，并根據計算結果對該工程進行安全評估。計算結果表明：河道開挖施工對既有鐵路存在一定影響，但影響程度較小，滿足現行規范要求。

【關鍵詞】河道開挖; 既有鐵路橋梁; Midas GTS NX; 有限元模擬上部結構位移

近年來，隨著地方基礎建設的快速發展，鄰近既有高速鐵路運營線的河道開挖工程日益增多[1]，由于河道在開挖過程中，使得高速鐵路線下的土體區域受力平衡被打破，引起土體應力重分布，最終對高速鐵路的路基和橋梁結構產生新的位移[2]，特別是在發達的東南沿海軟若土地區（ 如杭州、上海等），其地層條件較差，既有高速鐵路線路旁進行河道開挖工程施工更易引起高速鐵路路基的變形，從而危及到鐵路的安全運營[3]。因此，需要在開挖施工前對既有鐵路進行安全評估，并提出規避和降低不利影響的建議措施以供參考。本文基于三維有限元軟件Midas GTS NX對杭州某河道開挖施工過程進行數值模擬，分析河道開挖對既有鐵路的變形影響，并做出安全影響評估。

1 項目工程概況

1.1 河道開挖工程概況

河道開挖工程位于浙江省臺州市境內，河道開挖的范圍距離既有鐵路最近約12 m，河道左岸開挖約98 m，右岸開挖約49.3 m，河道開挖處地表高程約5.34 m，此次河道開挖至河底高程-0.09 m，開挖深度約5.43 m。既有鐵路跨河道處橋梁，設計為一座四線橋和單線橋，四線橋為直線橋，橋寬20 m，單線橋為曲線橋，曲線半徑1 200 m，橋寬5 m，四線橋與單線橋間距為9 m。

1.2 既有鐵路橋梁參數

既有鐵路的等級為國鐵I級，軌道為有砟軌道。鐵路大橋孔跨型式為：（2-12 m）框架+（20+20）mT構+5（2-12m）框架。該橋框架部分采用預應力管樁（PHC500-B）進行加固，T構部分采用鉆孔樁基礎，T構邊、中墩均為矩形實體墩，墩臺下方與承臺連接。大橋立面如圖1所示，樁位平面布置如圖2所示。（圖中只畫出距離本次河道開挖較近部分結構，即框架①、⑤、⑥，邊墩②、④和T構③）。

1.3 土層條件

根據地勘資料，大橋所在位置土層物理力學參數見表1。

2 河道開挖設計方案

河道開挖工程設計方案在布置上，包括兩岸河道開挖以及開挖后左岸新建護岸長度98 m，右岸新建護岸長度49.3 m。

30左岸河道向左側開挖寬度約12 m，右岸河道向右側開挖寬度約6 m，兩岸均開挖至河底高程-0.09 m，開挖深度約5.43 m，從上至下依次采用1∶1.5放坡開挖+水平開挖+1∶2放坡開挖直至開挖到-0.09 m高程處，河道開挖后左岸采用漿砌塊石擋墻和松木樁進行支護以及0.6 m厚的拋石護腳，右岸采用干砌塊石擋墻以及0.6 m厚的拋石護腳，最后分別回填擋墻后部分土體，并在地表填筑至6 m高程修建路面，路面寬度為3 m。

3 河道開挖數值模擬分析

3.1 模型建立

利用Midas GTS NX軟件對河道補償施工過程對既有鐵路影響進行三維數值模擬，模型選取既有鐵路橋梁（包括單線和四線）的框架①、邊墩②、T構③、邊墩④、框架⑤、框架⑥處周圍的巖土體和結構物作為模擬對象，模型尺寸為：順橋向長度200 m（Y向）、橫橋向寬度120 m（X向）、深度60 m（Z向），建立的模型如圖3所示，模型中地層分布如圖4所示。

3.2 模型邊界條件

幾何模型的邊界條件分別設置為：底部施加完全固定約束，側面施加法向固定約束，而切向方向不約束，模型的上表面為自由邊界、無約束。

3.3 本構及參數選取

巖土體采用修正Mohr-Coulumb本構模型模擬，支護結構等結構體系采用彈性本構模型模擬[4]。巖土體計算參數參照地勘資料進行取值。

3.4 施工工況設置

施工過程模擬按照實際施工順序分步進行，本次模擬設置工況如下（圖5）：

工況1：場地初始應力場平衡;

工況2：既有鐵路施工;

工況3：兩岸河道開挖;

工況4：兩岸擋墻、松木樁及拋石護腳施工;

工況5：兩岸擋墻后回填及地表填筑施工。

3.5 河道開挖對橋梁位移的影響

河道開挖工程施工完成后，對既有鐵路橋梁的上部結構產生的位移場如圖6所示，橋梁上部結構頂部累計位移統計見表2。

由表中可以看出：既有鐵路大橋最大累計水平位移發生在單線橋框架⑥，為-0.05 mm;最大豎向累計位移也發生在單線橋框架⑥，為-0.08 mm。

4 結論與建議

參照現行規范要求[5]和數值計算結果，河道開挖施工對既有鐵路大橋（包括四線橋和單線橋）安全運營影響的結論如下：

（1）對于四線橋：最大橫橋向累計位移發生在框架①，位移為0.03 mm;最大順橋向累計位移發生在框架⑥，位移為-0.04 mm;最大豎向累計位移發生在框架⑥，位移為-0.07 mm。四線橋上部結構的水平位移和豎向位移均滿足規范限制3 mm要求。

（2）對于單線橋：最大橫橋向累計位移發生在框架⑥，位移為0.08 mm;最大順橋向累計位移發生在框架⑤和⑥，位移為-0.04 mm;最大豎向累計位移發生在框架⑥，位移為-0.08 mm。單線橋上部結構的水平位移和豎向位移均滿足規范限制3 mm要求。

根據分析結果，河道開挖對既有鐵路存在一定影響，但程度較小，滿足現行規范要求，現根據計算分析結果提出以下建議：

（1）在進行河道開挖施工時，應嚴格控制開挖速率，且必須進行分層開挖，建議開挖和填筑采用輕型機械，特別在橫橋東側30 m的范圍，以減少對鐵路的擾動。

（2）為盡量減小施工過程中河道開挖對鐵路產生的不利影響，建議按開挖區到鐵路的距離，采取由遠及近的方式進行河道開挖。

（3）施工過程中以及施工過后應加強對鐵路橋梁變形和位移情況的監測。

參考文獻

[1] 劉建元，邱超.河道開挖對周邊土體影響的數值分析[J].山西建筑，2018，44（31）：61-62.

[2] 肖旺.基坑開挖對臨近城際鐵路車站承臺樁的影響評估分析[J].鐵道勘測與設計，2018（4）：93-97.

[3] 禚一，張軍，宋順忱.軟土地區基坑開挖對臨近高鐵影響數值仿真分析[J].鐵道工程學報，2014（2）：41-47.

[4] 李梅芳，豐月華，夏華盛.河道鄰近開挖對互通區橋梁及路基的影響分析[J].武漢交通職業學院學報，2020，22（3）：74-79.

[5] 國家鐵路局發布《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》[J].建筑技術開發，2018，45（2）：14.

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