道路下穿段對高鐵橋梁結構的影響研究

孫連強

（盛德路橋建設有限公司，山東 高密 261500）

高速鐵路列車運營速度快、安全程度高，所以成為很多人出行的首選。為滿足人們對出行速度、便利性等各方面要求，我國開始建設高鐵工程。在建設高鐵工程的過程中，施工單位容易遇到施工難題，即如何避免道路下穿段對高鐵橋梁結構的不良影響。為保證高鐵工程建設質量，主要通過采取外部荷載計算、鋼筋結構評估和有限元模型建立等方法，科學評估道路下穿段對高鐵橋梁結構的影響。而在確定無不良影響后，才可以開展高鐵工程施工活動。另外，還需要在施工的過程中合理把控施工環節，保證工程建設質量。與此同時，還需要注重總結道路下穿段高鐵工程項目建設施工經驗，為后續順利推進施工活動奠定堅實基礎。

1 工程案例介紹

本次以京滬高鐵工程的某一段作為工程案例研究分析對象，工程橋長81 km。在該工程中，使用了鉆孔灌注樁技術，建設橋墩，以提高工程的支撐能力，保證行駛的安全性。工程設計的速度為350 km/h，便于提高車輛通行速度，緩解交通運輸壓力。

2 道路下穿段高鐵工程項目建模和數值分析

2.1 外部荷載計算思路

在研究道路下穿段對高鐵橋梁結構的影響時，有必要明確外部荷載計算思路，提高計算水平，從而為工程建設提供可靠的支持。在工程項目建設中，要關注承臺頂面。通常情況下，主要將承臺頂面劃分為上下2 個部分內容[1]。隨后，就可以計算與處理2 部分內容，從而得到可靠的結論。通常情況下，外部荷載計算主要分為2個階段。為提升外部荷載計算水平，應當充分把握這2個計算階段的計算工作。

階段一：計算橋梁基礎變形。變形時需要評估路基填筑施工活動，了解與路基填筑施工相關的信息數據。階段二：計算基礎沉降。將與高鐵工程相關的沉降因素作為計算內容。此外，要注重計算列車荷載、橋跨恒載、墩頂的最不利支座反力等。高鐵橋墩的重量以及在開展施工過程中風力、承臺能承受的外力等均是影響高鐵橋梁承載力的因素[2]。因此，還需要將這些作為外部荷載計算的關鍵點。

2.2 公路鋼架結構施工方案

公路鋼架結構對于高鐵工程建設具有一定的影響。通過構建科學的公路鋼架結構施工方案，有助于保證公路鋼架結構施工活動順利推進，提升公路鋼架結構性能。所以，有必要高度重視公路鋼架結構施工方案構建工作。公路鋼架結構施工方案構建的要點如下。

1）規范區域樁體混凝土澆筑、樁成孔制作等工作，保證混凝土澆筑效果，增強結構性能。

2）重視區域槽挖掘、梁自重預壓等諸多工作。在這種情況下，就能確保公路鋼架結構施工效果。

2.3 有限元模型的建立

在分析道路下穿段對高鐵橋梁結構的影響時，要格外重視有限元模型的建立工作，科學計算數據。在建立有限元模型前，應選擇合適的軟件。Abaqus 軟件常被應用在有限元模型建立中，對于保證有限元模型建立水平，保證計算的科學性、準確性等均具有重要的意義。因此，本次應用Abaqus 軟件分析道路下穿段對高鐵橋梁結構的影響[3]。在應用有限元模型分析時，需要遵守以下基本原則，從而確保分析效果。

1）確定起始狀態，并對其進行計算。將原有的高鐵橋梁結構和原土層作為基本的起始狀態展開計算，得出相應的應力。

2）計算原土層的應力和沉降量變化情況。起始狀態的應力結果作為此階段計算的依據。其中，需要利用起始狀態應力結果，結合運營需求、運營目標等，構建科學的模型。之后，需要做好土層的應力及沉降方面的計算工作。土層變形是受到多種因素影響的，所以需要從不同的方面分析影響土層變形的因素，以規避問題，防止土層發生變形。其中，可以探究高鐵橋梁基礎影響土層變形的因素，便于科學規避土層變形問題。

3）結合原土層的應力和沉降量計算結果，分析黏土、淤泥質黏土、粉質粘土和粉砂等土層變形在橋梁的附加影響因素。

在建設高鐵工程時，需要深入實際施工地點，了解實地施工地點情況。要重視了解巖土工程情況，合理設置相關參數，科學使用巖土。開展此項工作的要點如下。

1）確定鐵路橋梁基礎以上的部分既上部結構；2）對承臺頂施加荷載（計算所得荷載量）；3）樁基位置起始應力狀態的計算；4）對下穿段的施工和運營進行模擬、評估。

為保證計算效果，有必要深入研究土體應變的本構理論，結合理論分析數據，保證數據分析水平。除此之外，還需要使用彈塑性模型，做好支撐工作[4]。笛卡爾坐標系在數據計算中發揮著重要作用，所以本次運用笛卡爾坐標系進行計算，將負向的大里程設置為高鐵縱向，分別設置X 軸、Y 軸和Z 軸，將鉛直向上定為Z 軸正方向，X 軸按右手定則確定，按照高鐵縱向方向確定Y 軸，具體形成的計算模型如圖1 所示。

圖1 有限元整體模型

3 道路下穿段高鐵工程項目計算結果的分析

3.1 對高鐵樁身側摩阻力造成較大影響

由表1 可知，在樁深度增加的情況下，會導致樁側摩阻力隨之發生變化。一般而言，會先出現樁側摩阻力減少的現象，之后會出現樁側摩阻力增大的現象。而樁長40 m 則是樁側摩阻力從減小到增大的轉折點。所以，要注重控制樁長。為提高高鐵工程建設效果，還需要做好道路下穿段的開挖工作，同時需要做好澆筑施工活動。在這種情況下，比較容易合理控制樁側摩擦力，避免影響路基建設活動，保證高鐵工程建設水平。

表1 樁側摩阻力變化

3.2 對高鐵橋樁身的軸力造成較大影響

由表2 可知，在下穿段開控施工活動的開展，運行荷載也會隨之增加。樁深在40 m 左右時，樁深與軸力兩者成正比。但是在深度的增加時，會出現軸力減小的現象，即在一定的樁深范圍內，樁深與軸力兩者成反比。在高鐵橋梁建設時，還需要注重處理樁深與軸力兩者之間的關系。另外，要控制對樁側身軸力和下穿短鋼架樁基的開挖工作，最大限度確保開挖效果。而在樁基開挖的過程中，一定要結合實際情況、工程建設目標等，積極開展調查研究工作，同時積極觀察周圍環境，及時發現影響樁基開挖的因素，從而科學解決樁基開挖問題。通過開展這些工作，就能提高高鐵橋梁工程施工水平。

從表1、表2 中可以看出：下穿段的開挖施工以及運營荷載的施加，隨著樁深度的增加樁側摩阻力先減小后增大，樁深40 m 處為轉折點。相城大道下穿段剛架樁基開挖和澆筑對樁側摩阻力的最大影響為3.1%，剛架連續板基槽開挖、預壓和澆筑對樁側摩阻力的最大影響為12.1%（由于連續板的澆筑在模擬中整體考慮，此影響值偏大），下穿段施工完成后運營荷載對樁側摩阻力的最大影響為8.0%。

表2 樁身軸力變化

3.3 對群樁基礎土體變形造成影響

由表3可知，距承臺左角點距離與水平位移、沉降之間的關系。詳細如下所述，路基是高鐵橋梁工程施工的重要組成部分。在路基施工的過程中，需要填筑路基。隨著填筑量的增加，周圍土體的荷載量會隨之增加。而在荷載量超過一定程度后，周圍土體就容易出現沉降變形，導致其低于以前的高度。其中，在完成路基填筑施工后，路基坡腳處容易發生不良變化。比如，會發生土地沉降的問題。如果荷載量持續性增加，那么土地沉降的幅度將會進一步增加。總而言之，運行荷載、路基填筑會給靠近樁基土體產生一定的影響，即引起土地下沉。

表3 群樁基礎頂面位移

坡腳的水平距離與沉降變形值兩者呈現一定的衰減性曲線。依據兩者的關系，則可以更好地判斷路基坡腳距離。其中，在沉降變形程度比較小的情況下，可以判斷距離路基坡腳還是存在一些距離的。隨著路基填筑施工的完成，運營荷載相較于初始明顯增加。在運營荷載不斷增加的情況，路基坡腳的土體和群樁承臺處土體就容易發生更為嚴重的沉降。與此同時，樁基頂部容易出現豎向位移和回彈變形情況，如果不能及時做好樁基頂部維護工作，就容易出現樁基傾斜問題，從而影響樁基承載力及橋梁建設的穩定性。基于此，更加需要高度重視路基填筑施工與路基坡腳的土體和群樁承臺處土體、樁基等之間的關系，及時準確地計算路基荷載，科學評估路基荷載對工程質量的影響，從而采取合理的策略，排除不良隱患，確保橋梁工程建設水平。

4 結束語

綜上所述，在社會經濟快速發展的背景下，高鐵成為了我國重點建設的工程項目。為提高高鐵工程建設水平，有必要充分把握高鐵工程建設活動。研究發現，在高鐵工程建設中會出現下穿道路的情況。如果不注重分析道路下穿段對高鐵橋梁結構的影響，缺乏構建完善的高鐵橋梁施工方案，就容易影響工程建設水平。因此，要高度重視研究道路下穿段對高鐵橋梁結構的影響，科學地優化工程建設方案。應用有限元分析軟件可以更好地分析道路下穿段對高鐵橋梁結構的影響。因此本次將有限元分析軟件作為分析工程的工具，得出了研究結論，即對高鐵樁身側摩阻力造成較大影響，對高鐵橋樁身的軸力造成較大影響對群樁基礎土體變形造成影響。基于此，應當結合研究數據及研究結論，合理地把控高鐵橋梁施工活動，防止道路下穿段對高鐵橋梁結構產生消極影響。