軟土地區市政道路近距離下穿高速鐵路變形分析

李少孟

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

0 引 言

隨著我國高速鐵路的快速建設，越來越多的高速鐵路在建或投入運營，導致城市圍繞高速鐵路沿線進行擴建時新建市政道路下穿高速鐵路橋梁的工程越來越多。高速鐵路大部分采用無砟軌道，同時也有特殊路段采用有砟軌道，為了保證高速鐵路的安全，對橋梁墩臺變形要求非常嚴格，受下穿工程影響的有砟軌道高速鐵路橋梁墩臺橫向水平位移、縱向水平位移、豎向位移限值均為3 mm[1]。

鄰近既有鐵路橋梁修建新的建筑物，由于建筑物的基礎會對周圍土層產生附加應力，從而引起既有鐵路橋梁基礎發生變形[2]。李俊和、於慧等[3-6]對公路與市政工程下穿施工引起鐵路橋梁基礎變形進行了分析和探討，得出了許多有意義的結論指導工程施工。

本文以臺州市新建中山西路下穿杭紹臺鐵路椒江特大橋工程為基礎，分析軟土地區新建工程下穿高速鐵路施工、運營對高速鐵路橋梁基礎變形的影響，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況及主要難點

1.1 工程概況

中山西路從杭紹臺鐵路椒江特大橋第71#～72#及72#～73#墩孔間穿越，中山西路左、右幅與杭紹臺鐵路交叉角度分別約為101°和100°。椒江特大橋為四線橋，設計行車速度為250 km/h，預留300 km/h條件，71#～73#墩間均采用32 m簡支梁，有砟軌道，橋墩為圓端形橋墩，墩高分別為31.5 m、30.5 m、30 m。71#墩基礎為24根直徑1.0 m鉆孔灌注樁，樁長56 m，承臺尺寸為19.6 m×10.35 m×2 m；72#、73#墩基礎均為21根直徑1.0 m鉆孔灌注樁，樁長59 m，承臺尺寸分別為18.6 m×8.7 m×2.5 m和18.6 m×8.5 m×2.5 m。

中山西路左、右幅樁板結構均設置為三聯，跨徑具體布置為(3×10)m+(3×10)m+(3×10)m。上部結構采用鋼筋混凝土，梁高0.7 m；樁基采用4根直徑1 m鉆孔灌注樁，樁間距3.6 m，樁長40～48 m。

中山西路與杭紹臺鐵路位置關系如圖1所示。

圖1 中山西路與杭紹臺鐵路位置關系圖(單位：cm)

1.2 地質概況

目前市政道路下穿高鐵橋梁的主要形式有路基、橋梁、樁板結構、U型槽結構等[7-10]，本文中鐵路承臺位于粉質黏土層，鉆孔樁主要位于淤泥、淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土，地基土承載力僅100 kPa，不宜采用路基、U型槽形式，從安全和投資角度比選確定采用樁板結構形式下穿。

1.3 主要難點

綜合考慮地層條件、相對位置關系、鐵路變形控制、施工難度、風險等因素，中山西路采用樁板結構形式下穿施工。其主要難點包括：

(1) 樁板結構邊緣距鐵路承臺最小水平距離僅0.91 m，距離近，周邊土體受力擴散對墩臺變形影響大。

(2) 新建樁基距鐵路既有樁基最小距離僅6.07 m，相當于6d(d為下穿工程樁徑)，軟層地層中鐵路既有樁基受新樁基施工擾動大，進而導致墩臺變形。

(3) 軟土地層穩定性差，更易受到施工的影響發生變形。

(4) 若中山西路無法在杭紹臺鐵路運營前完成主體結構施工，可能影響鐵路的正常運營。

2 計算與分析

2.1 有限元模型分析

本節采用巖土有限元軟件MIDAS GTS NX，建立包括巖土、橋樁、承臺、橋墩、樁板等結構的三維模型進行數值計算分析。根據新建樁板結構與既有橋梁的位置關系，并滿足一定邊界效應，模型整體尺寸為160 m(x)×140 m(y)×70 m(z)。

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、墩臺、承載板等采用實體單元模擬，樁基礎采用梁單元模擬。有限元模型如圖2～圖3所示。

圖2 有限元整體模型

圖3 實體墩、樁基、樁板空間布置圖

2.2 土層參數

土體強度準則為Mohr-coulomb準則，土體工程地質層組劃分為6層，具體參數取自工程地質勘查報告或參考區域其他工程，見表1。

表1 土層參數

2.3 施工階段模擬

模擬計算分為四個主要階段：初設應力場、高鐵施工、新建樁板結構施工、道路運營，見表2。

表2 施工步驟

2.4 計算結構分析

通過計算，施工過程中杭紹臺鐵路71#～73#墩臺最大豎向位移2.577 mm、最大順橋向位移2.769 mm、最大橫橋向位移0.565 mm，均小于控制限值3 mm，詳細計算結果見表3～表4。從計算結果看，因受左、右幅施工的疊加影響，72#墩臺豎向沉降最大；左幅與71#墩臺的距離和右幅與73#墩臺的距離相近，因此71#、73#墩臺的順橋向位移接近，72#墩兩側施工效應疊加后順橋向位移反而偏小；中山西路與杭紹臺鐵路交角約100°，近似正交，因此71#～73#墩臺的橫橋向位移較小。

表3 71#～73#墩臺施工階段累計變形結果(單位：mm)

表4 72#墩臺施工階段累計變形結果(單位：mm)

注：x向代表橫橋向，y向代表順橋向，z向代表豎向，下同。

加載運營荷載后，杭紹臺鐵路71#～73#墩臺最大沉降值為0.34 mm，最大順橋向位移為0.555 mm，最大橫橋向位移為0.124 mm，均小于控制限值3 mm，詳細計算結果見表5。

表5 運營階段各墩臺變形結果(單位：mm)

通過計算結果分析，中山西路下穿杭紹臺鐵路施工及運營對鐵路墩臺的影響均在允許范圍內，樁板結構近距離下穿方案具有可實施性。

3 結 論

根據實際工程地質條件和結構設計方案進行三維數值計算，分析新建樁板結構施工和運營對高速鐵路墩臺變形的影響，主要結論如下：

(1) 新建市政道路施工期間，由于地層擾動，周邊土層會產生一定的變形，從而引起鄰近杭紹臺鐵路橋梁墩臺發生變形。

(2) 中山西路下穿杭紹臺鐵路工程方案，在道路的施工和運營中，引起的高鐵橋梁墩臺的最大豎向位移、最大順橋向位移、最大橫橋向位移均小于控制限值3 mm，工程設計方案可行。

(3) 為減小鐵路墩臺豎向沉降，可優化道路主體施工后周邊回填土回填高度，減小附加荷載；為減小71#、73#墩在市政路主體結構施工中的靠近市政路內側的順橋向變形，其外側回填土可同步施做進行反壓。

(4) 中山西路左、右幅鉆孔樁和承載板應對稱施工。離高速鐵路橋梁樁基較近的新建樁，可適當增加鋼護筒長度。

(5) 為減小高鐵橋梁墩臺變形，應嚴格控制施工方法，嚴禁使用擾動大的施工工藝，期間做好高鐵橋墩變形監測以指導施工。

(6) 中山西路主體結構施工完成后應調整杭紹臺鐵路軌道，避免道路運營產生的瞬時影響進行二次疊加。