高速公路樁板結構下穿既有高鐵橋梁對橋梁變形的影響分析

余 清

(寧夏公路勘察設計院有限責任公司,寧夏 銀川 750001)

隨著我國經濟的飛速發展,交通基礎設施建設取得舉世矚目的成就,尤其是公路、鐵路建設步入了前所未有的快速發展時期,但土地資源緊張、交通走廊帶稀缺也是我國交通基礎設施建設一直面臨的客觀現實。在交通走廊帶愈發緊缺的局面下,公路、鐵路的建設避免不了產生公鐵交叉。對于新建公路工程下穿既有鐵路時,常采用穿越的方式有路基結構、橋梁結構和樁板結構[1],但不論采用何種方式下穿,在原有地層施工或地面上增加荷載都不可避免地擾動其原有的平衡狀態,引起地層土體擾動,導致地層發生附加沉降及不均勻變形、土體水平位移等一系列巖土工程問題,進而對臨近建構筑物產生附加應力,使其發生附加變形等結構安全問題。

針對新建公路下穿鐵路橋梁的建設方案,國內專家學者們進行了不同方向的研究。湛敏等[2]以東臺市城際快速路工程下穿鹽通高鐵路項目為依托,通過對橋梁結構、樁板結構以及路基+半U形槽復合結構三種下穿方案進行綜合評價對比,指出在新建公路下穿高鐵時,應結合實際工程特點進行方案比選。畢乾等[3]借助實際工程項目研究發現,新建公路下穿既有鐵路時,下穿構筑物的施工會對鐵路橋墩產生一定的影響,而采取有效的工程防護措施可以大幅度減小其影響程度和范圍。賈一全[4]以一條新建二級道路穿越既有高速鐵路和在建高速鐵路為例,分析了采用樁板結構方案和路基方案對既有高鐵的影響,結果表明,道路下穿既有鐵路橋梁時,在受橋下凈空、地質情況的影響下,優先采用樁板結構形式。楊紅春[5]也通過對兩種下穿結構(樁板結構和路基結構)進行研究分析,再次明確了采用樁板結構更有利于對鐵路沉降變形的控制。樁板結構因其具有結構簡單、受力明確,結構剛度、穩定性好,地質條件要求低,對鐵路橋梁影響小等優點,在此類工程中應用最為廣泛。

1 工程概況

1.1 工程介紹

灌陽至平樂高速公路位于廣西壯族自治區東北部區域,屬桂林市境內。路線總體呈南北走向,路線起點與廈蓉高速公路灌陽至全州段相接,向南經灌陽縣、恭城瑤族自治縣、平樂縣,終點與包茂高速公路陽朔至平樂段相接。項目采用四車道高速公路標準修建,設計速度120 km/h,路基寬度26.5 m,路線全長24.211 km,于K104+205位置與既有貴廣高鐵交叉。貴廣高鐵是連接貴陽市與廣州市的區際高速鐵路,設計速度300 km/h,于2014年底全線通車運行。道路下穿貴廣高鐵處鐵路相關技術標準橋梁基礎設計行車速度250 km/h(預留進一步提速條件),橋面為雙塊式無砟軌道,設計列車活載采用ZK標準活載,橋梁為雙線橋,線間距為4.8 m。擬建高速在貴廣高鐵高坡村苦竹河雙線大橋10～12號墩段下穿,苦竹河雙線大橋孔跨布置為1×24+10×32+2×24 m,橋長412.109 m,其中第11跨為32 m簡支箱梁,第12跨為24 m簡支箱梁,橋墩采用雙線圓端型實體墩,鉆孔柱樁基礎,該段橋梁橋墩設計相關參數如表1所示。

表1 高坡村苦竹河雙線大橋 10#～12#墩相關參數表

1.2 工程地質條件

根據地勘報告可知,橋址區地層自上而下如表2所示。

表2 高坡村苦竹河雙線大橋 10#～12#墩相關參數表

場地內地帶地表覆土較厚,局部丘坡基巖零星出露,未見明顯的構造痕跡,段內地層為單斜構造,由于受附近斷層影響,巖層扭曲現象嚴重,巖層產狀主要為:N25°E/26°SE,N-S/35°E,N25°W/35°N,節理、裂隙較發育,節理產狀為:E-W/90°、N-S/90°、N65°W/90°。

1.3 設計方案

本項目在K104+204.75(ZK104+202.00)處采用分離式路基利用既有橋孔下穿貴廣鐵路高坡村苦竹河雙線大橋,在第11、12跨處下穿,其中第11跨為32 m簡支箱梁,第12跨為24 m簡支箱梁。下穿貴廣高鐵采用(10+10+13+10+10)m樁板結構,公路與鐵路交角為86°,樁板結構按正交設置。上部板結構采用C40鋼筋混凝土,抗滲等級P8。板厚0.9 m,板與樁連接處設置1.2 m×0.6 m加厚倒角。樁基采用C30水下混凝土結構,樁徑為1.0 m,樁長為20～23 m。下穿貴廣高鐵處橫斷面:設上下行雙向四車道,分左右兩側設置,左幅W=0.60(SS級防撞護欄)+12.05 m(行車道)+0.60 m(SS級防撞護欄)=13.25 m,右幅對稱設計。設計凈高均滿足《鐵路橋涵設計規范》(TB 10002—2017)的要求。

2 有限元數值模型分析

2.1 模型概述

采用midas GTS NX三維有限元計算軟件,建立三維地層-結構模型,分析地層和結構的實際變形情況,采用施工階段法仿真分析公路橋梁樁基開挖、澆筑、板梁施工、橋面鋪裝及運營各階段對既有高鐵橋梁的影響,依據現有規范、標準評定既有高鐵變形能否滿足運營安全要求,以指導公路合理有序施工,保障鐵路運營安全。計算模型縱向長100 m,橫向長120 m,模型底部取至地表以下50 m,涵蓋高鐵橋梁、公路樁板橋及其樁基。模型涵蓋地層主要有:粉質粘土、強風化泥巖、中風化泥巖、中風化砂巖等地層。模型中樁、承臺、墩、梁、軌道板等主要構件均采用實體單元,結構均為彈性本構,地層為M-C彈塑性本構。根據計算模型大小,綜合考慮計算時間和計算精確度,共計劃分單元數201 447個,節點82 149個。

2.2 計算參數及主要技術標準

(1)計算參數。

根據本項目地勘報告并結合《工程地質手冊》,地層參數取值如表3所示。

表3 地層計算參數

結合《鐵路橋涵設計規范》(TB 10002—2017)及《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)計算中主要結構物理力學參數取值如表4所示。

表4 結構計算參數

(2)計算荷載。

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)及《鐵路路基設計規范》(TB 1001—2016),計算中主要荷載如下。

①各類結構自重;②樁基開挖產生的地層釋放荷載;③公路車輛荷載:公路—Ⅰ級;④鐵路荷載:ZK荷載。

2.3 變形控制標準

為保證本項目樁板結構建設的可控性,并確保鐵路運營的安全性,施工過程中應對高鐵橋墩、軌道的變形進行控制。依據《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》(TB 10314—2021)等相關規范,同時參考以往類似工程經驗,高鐵相關結構變形管理值如表5、表6所示。

表5 軌道位移變形監測預警值、報警值和控制值 單位:mm

表6 鐵路橋梁變形監測預警值、報警值和控制值 單位:mm

2.4 有限元計算分析及主要步驟

下穿高鐵橋梁的樁板結構樁基開挖及梁板上部結構施工對地層產生擾動,進而對鐵路橋梁產生影響,該過程空間幾何呈非線性,土體本構呈非線性,土體與樁、柱結構之間的作用也呈非線性,這使得系統高度非線性。土體、鐵路橋梁在重力場作用下,土體處于自然固結狀態,具有初始應力。在地質條件一定的情況下,初始應力的大小隨埋深線性分布。在公路橋梁施工作用下,土體受到開挖卸載及澆筑加載等作用,形成附加應力,其應力狀態不再隨埋深線性分布,其應力狀態的變化也十分復雜。

為系統全面分析這一系統的應力和應變狀態變化過程。

從樁板結構橋梁樁基開挖、澆筑、板梁施工、橋面鋪裝及運營各階段整個計算模型步序共10步,典型計算工序如下所示。

階段1:模型初始應力場,并位移清零。

階段2～4:鐵路實施完畢后應力場平衡,并位移清零。

階段5～7:開挖公路樁板結構下兩排邊樁1#～8#,開挖完畢后澆筑,再開挖板梁下中間樁9#～12#。

階段8～9:施做上部結構及鋪裝。

階段10:施加運營荷載(按車道滿鋪考慮)。

3 施工階段模擬計算

公路樁板結構樁基開挖引起土體損失,造成樁周土體向臨空面移動,引起鄰近地層應力調整,此外樁基、梁板等澆筑施工對地層進行加載,使得橋梁周邊地層產生附加應力,進而造成鐵路橋梁變形,變形主要發生在公路樁板結構的施工全過程中,同時要考慮施工完成后,貴廣高鐵施加運營車輛荷載是否產生影響,即從施工階段5～10全過程。以下按照鐵路橋墩、軌道豎向位移及水平位移顯示計算結果。

3.1 鐵路橋墩變形計算

通過建立模型,對鐵路橋墩豎向、橫向、縱向三個方向5～10施工階段的位移進行計算,結果如圖1所示(以鐵路橋墩豎向位移計算為例)。

圖1 第5～10施工階段鐵路橋墩豎向位移計算結果

3.2 鐵路軌道變形計算

通過建立模型,鐵路軌道豎向、水平方向5～10施工階段的位移進行計算。

4 計算結果分析

4.1 鐵路橋墩位移分析

為分析公路樁板結構樁基、板梁、鋪裝層及運營荷載對高鐵橋墩的影響程度,分別在高鐵1#～3#橋墩頂、底各設定1個計算監測點,分析測點隨施工階段的變化,根據監測點位移值,繪制鐵路橋墩位移曲線圖(如圖2、圖3所示),評價高鐵橋墩在公路橋梁施工影響下的安全性。

圖2 高鐵橋墩頂測點豎向位移UZ曲線

圖3 高鐵橋墩底測點豎向位移UZ曲線

由高鐵橋墩頂底測點豎向位移曲線變化趨勢可看出,鐵路橋墩在公路樁板結構開挖、澆筑等卸載、加載等作用下,高鐵橋墩呈下沉趨勢,施工過程鐵路橋墩最大隆起0.088 mm,最大沉降1.58 mm;同樣可知鐵路橋墩在公路樁、板結構開挖、澆筑等卸載、加載等作用下,鐵路橋墩橫橋向位移總體變化不大,最大水平位移為0.137 mm。鐵路橋墩在公路樁、板結構開挖、澆筑等卸載、加載等作用下,鐵路橋墩順橋向發生輕微附加位移,最大水平位移為0.344 mm。

根據《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》(TB 10314—2021)對鐵路路基豎向位移及水平位移校核如表7所示。

表7 鐵路橋墩變形校核表 單位:mm

4.2 鐵路軌道位移分析

為分析公路樁板結構樁基、板梁、鋪裝層及運營荷載對高鐵軌道的影響程度,分別在梁端部及梁中部設置計算監測點,分析測點隨施工階段的變化,根據每階段測點位移值,繪制鐵路軌道位移曲線圖(如圖4、圖5所示),評價鐵路軌道在公路橋梁施工影響下的安全性。考慮軌道通過支座固定于軌道板上,因此軌道板變形與軌道變形近似一致。

圖4 高鐵軌道測點豎向位移曲線

圖5 鐵路軌道測點橫橋向水平位移曲線

由高鐵軌道測點豎向位移曲線變化趨勢可看出, 鐵路橋墩在公路樁、板結構開挖、澆筑等卸載、加載等作用下,鐵路軌道總體呈下沉趨勢,施工過程鐵路軌道最大隆起0.085 mm,最大沉降1.58 mm;鐵路橋墩在公路樁、板結構開挖、澆筑等卸載、加載等作用下,鐵路軌道橫橋向位移總體變化不大,最大水平位移為0.152 mm。

根據《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》(TB 10314—2021)對鐵路路基豎向位移及水平位移校核如表8所示。

表8 鐵路軌道變形校核表 單位:mm

5 結 語

(1)通過建立三維地層-結構模型,采用施工階段法仿真分析公路橋梁樁基開挖、澆筑、板梁施做、橋面鋪裝及運營各階段對既有高鐵橋梁的影響,可知在整個施工運營過程中,鐵路橋墩豎向位移最大值為+0.088 mm(隆起值)和-1.58 mm(沉降值),水平位移最大值為0.344 mm,鐵路軌道豎向位移最大值為+0.085 mm(隆起值)和-1.58 mm(沉降值),水平位移最大值為0.152 mm,均滿足《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》(TB 10314—2021)中規定的軌道豎向位移和水平位移的控制值(±2 mm),公路樁板結構施工對高鐵影響可控。

(2)經計算分析,盡管鐵路橋墩、軌道變形均能滿足規范要求,但下穿鐵路工程施工難度大,受限條件多,高鐵橋梁變形控制較為嚴格,為保證高速鐵路的運營安全,施工過程中需對高速鐵路橋梁進行變形監測,包括墩臺橫向、縱向水平位移和豎向位移監測等內容;實測值超過報警值時可采取停工、限速等措施。

(3)本研究僅闡述了采用樁板結構下穿高速鐵路橋梁對橋梁的變形影響分析,對于其他環境條件下的公路下穿鐵路工程,應結合實際工程特點,對不同的下穿方案進行綜合比選,選擇最為合理經濟的工程方案。