高鐵橋墩樁基結構安全評估及數值模擬研究

摘要 高鐵橋墩周邊的邊坡開挖、大面積堆載或其他荷載嚴重影響其樁基結構的安全性。因此，依文章托新建鐵路工程，綜合多條規范和條文，選取合適的安全評估標準，通過有限元軟件對不同工況下的橋墩位移進行了綜合分析。研究結果表明：橋墩最大順橋向位移、橫向位移、沉降和單樁承載力在不同工況下均滿足安全評估標準，研究成果可為橋墩位移的安全性評估提供一定的參考。

關鍵詞 高鐵橋墩；樁基結構；安全評估；位移分析

中圖分類號 U215.8 文獻標識碼 B 文章編號 2096-8949（2024）15-0013-04

0 引言

在地基上設置樁板結構或進行土層開挖會造成相鄰建筑物的附加沉降[1]、不均勻沉降[2]和土體位移[3]等一系列巖土問題。高鐵橋墩周邊基坑邊坡開挖將不可避免地干擾到附近地層原有平衡狀態，引起地層應力重分布和變形，對鄰近樁基的影響[4]，造成樁基結構產生負摩擦力[5]和位移[6]，進而對高鐵橋墩產生位移影響。該文以新建平頂山至漯河至周口新建高速鐵路工程為例，建立有限元模型，通過選取合理的安全評估標準對高鐵橋墩位移進行快速有效的分析。

1 工程概況

新建平頂山至漯河至周口高速鐵路位于河南省中南部，自西向東銜接平頂山市、漯河市和周口市。正線全長108.14 km，雙線特大橋梁共3座，總長102.464 km，橋梁占比94.8％。聯絡線長度13.944 km，單線特大橋4座，長12.645 km，橋梁占比90.7％。其京廣下行聯絡線從京廣高鐵1 521#、1 522#、1 523#橋墩之間斜交上跨，樁基礎采用鉆孔灌注，基礎采用8根1.0 m直徑的鉆孔樁基礎。

2 高鐵橋梁樁基施工影響分析

高鐵橋梁樁基周邊基坑邊坡開挖、大面積堆載和其他荷載（如下穿交通荷載）對高鐵結構安全的影響特別突出，存在嚴重影響高鐵結構安全的風險。因此，對此類工程需要合理分析預判，以減小對周圍環境及建筑的影響，確保高鐵施工、營運安全。

2.1 邊坡開挖施工

邊坡開挖施工過程本質是土體應力釋放的一種，并且同樣體現為基坑開挖面的卸載作用，這一過程勢必會導致基坑支護構筑物及坑周土體應力狀態的重新分布。在垂直方向上，基坑的開挖減輕了坑底土層的壓力，同時可能改變土體的原始應力狀態。當開挖深度較淺時，土層被去除后會因原有土壓力的減小而產生豎向的彈性隆起現象。然而，當開挖達到一定的深度，由于基坑內外土層高度差以及地面設施負荷的影響，坑底土層會產生更加顯著的豎向隆起。同時，基坑周邊地區會形成較大的塑性區域，并可能導致地面沉降。在極端情況下，這種沉降有可能對高速鐵路橋墩的樁基造成破壞。此外，基坑開挖還可能引致地下水位的下降，從而加劇地基沉降。

2.2 新建樁基施工

新建樁基施工將引起地應力場的變化，從而影響相鄰高鐵橋梁的樁基。該研究主要關注以下三個問題：

（1）負摩阻力問題。在施工荷載作用下，地基土體的較大沉降將對樁的承載能力產生直接影響。當樁基周圍土體的下沉量超出樁基本身的沉降量時，將會產生較大負摩阻力，從而導致樁基的承載力下降并加劇樁基的整體沉降。此外，各樁基的軸力不同，因此產生的負摩阻力和分布特性亦存在顯著差異，其差異將進一步影響樁基整體的承載能力與沉降情況。

（2）被動樁問題。當樁基旁邊的土體發生填（挖）土作業時，土體的水平位移和水平力將對樁基施加較大的水平剪力和彎矩。通常，主動樁受外力影響時能向土體傳遞荷載，而被動樁則受到土體水平運動的影響。當鄰近的建筑物增加新荷載時，該建筑物的樁基受到的荷載也屬于被動樁。由于被動樁所承受的荷載與樁基周圍土體相互作用，處于動態平衡狀態，這種強烈的相互作用會改變樁基周圍土體的原始平衡，從而影響樁的豎向承載力和結構的整體受力。

（3）考慮鄰近增加的荷載對建筑物基礎的影響，工程荷載的預壓將使建筑物基礎在靠近附加荷載區域的沉降量顯著增加，從而遠離附加荷載區域的沉降量則相對較小。此不均勻沉降可能導致建筑物的差異沉降。

3 安全評估意義

京廣高鐵為電氣化高速鐵路，采用無砟軌道，列車設計行車速度為350 km/h，高速列車運行對鐵路線路豎向、橫向變形要求極為嚴格。施工時若措施不當會對高鐵橋梁基礎產生較大影響，引起橋梁的變形過大，進而影響到高速鐵路列車安全運營。上跨高鐵橋梁鐵路工程建成后，鐵路的運營亦有可能對高速鐵路橋梁產生影響，從而危及高速鐵路的安全運營。目前在已運營的高鐵中，有部分地方已出現鄰近建筑物施工影響高鐵運營安全的情況。因此，有必要在后續施工前開展安全評價，慎重考慮新建工程施工及使用對鐵路的影響，以確保工程實施對在建高鐵橋梁的影響在可控范圍內，保證高鐵后期運營安全。

4 安全影響定量評估標準

《高速鐵路設計規范》（TB10621—2014）和《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB10182—2017）對高速鐵路橋梁墩臺基礎的沉降、墩臺剛度及結構變形提出了嚴格的要求。因此針對高速鐵路的安全影響評估主要從結構及附屬設施變形、結構強度及穩定性等方面考慮。

4.1 沉降評估標準

依據《高速鐵路設計規范》（TB10621—2014）第6.4.2條規定，施工后無砟軌道路基的沉降量不宜超過15 mm。路基與橋梁、隧道或橫向結構物交接處的工后沉降差不應大于5 mm。在沉降相對均勻時，且調整軌面高程后的豎曲線半徑達到規范中式（1）的要求時，工后沉降最高允許值不超過30 mm。

Rsh≥0.4Vsi2 （1）

式中：Rsh——軌面圓順豎曲面半徑（m）；Vsi——設計最高速度（km/h）。不均勻沉降造成的折角不應大于1/1 000。

依據《高速鐵路設計規范》（TB10621—2014）第7.3.7和第7.3.9條規定，橋梁的墩臺在設計時應同時考慮水平線剛度與最不利荷載作用下墩臺頂橫向的彈性水平位移，以滿足列車高速運行時的安全性。墩頂順橋方向水平位移應符合式（2）規定：

（2）

式中：L——橋梁跨度（m），不等跨采用相鄰跨中的較小跨度，當Llt;25 m時，L按25 m計；Δ——橋墩頂面處順橋向水平位移（mm）。

依據《高速鐵路設計規范》第7.3.10條規定，由于該工程中涉及京廣高鐵段為無砟軌道，因此，墩臺均勻沉降應控制在20 mm，相鄰墩臺的沉降差應控制在5 mm。

4.2 評估標準選取

綜上所述，結合多個規范和條文規定，該文選取橫向、縱橋向水平附加位移和豎向附加位移的容許值均為2 mm作為高鐵橋墩安全性評估標準。

5 高鐵橋墩結構仿真模擬分析

5.1 仿真模型建立

該研究采用巖土、隧道結構專用有限元分析軟件MIDAS/GTSNX分別分析了不同施工過程對京廣高鐵橋墩的影響，主要研究京廣下行聯絡線上跨京廣高鐵對1 520#至1 524#橋墩樁基礎產生的影響。考慮該項目與鄰近鐵路橋墩結構立體關系，因此采用三維實體單元模擬土層、承臺、橋墩及軌道，采用梁單元及樁界面單元模擬橋梁樁基。土體應力應變本構采用修正的Mohr-Coulomb彈塑性模型，其余部分均采用線彈性模型。為消除模型尺寸對計算結果的影響，計算模型范圍以京廣高鐵橋縱向安全保護區范圍線的外輪廓為基準，外擴50 m后建立，模型深度按照鐵路橋樁樁端持力層厚度的3倍建立，結合上述條件，模型的求解域尺寸為180 m×120 m×90 m，模型底部約束豎向位移，左右兩側約束水平向位移，上部邊界為自由面。數值模型與網格劃分如圖1所示。計算過程共考慮六種工況，如表1所示。

5.2 橋墩位移分析

考慮新建鐵路樁基施作、承臺基坑開挖、承臺及橋墩施作、T形梁施作及運營荷載（含施工重載）四種不同工況，橋墩最終位移影響如表2所示。由表1可以看出，在四種不同工況下，1 520#墩至1 524#墩引起的最大順橋向位移為0.161 mm，最大橫橋向位移為1.056 mm，沉降最大值為1.582 mm，均滿足評估標準。

5.3 角樁軸力分析

新建平漯周高鐵京廣下行聯絡線上跨京廣高鐵對1 520～1 524#橋墩樁基礎產生影響，主要受樁基施工、橋梁轉體施工、鐵路活荷載及后期運營荷載等影響，1 520～1 524#橋墩角樁軸力變化如圖2所示。由圖可以看出，樁基軸力變化最大值在承臺橋墩施工及運營施工階段，變化值為128.1 kN，遠小于單樁承載力設計值（4 535.9 kN），其最大變幅約為2.82%，因此，新建鐵路的施工對既有鐵路橋墩樁基承載力的影響較小。

6 結論

該文對不同工況下高鐵橋墩的順橋向、橫橋向和豎向位移進行了分析和評估。研究結果表明：上跨京廣高鐵橋施工過程對京廣高鐵1 520～1 524#墩產生的最大順橋向位移、橫向位移和沉降均滿足設計規范要求，確保了工程建設方案總體的可行性。采用的橋墩位移評估方法能夠快速、有效地評估鐵路高架施工及運營對鐵路橋梁結構產生的影響，為后續類似的橋墩位移評估提供參考。

參考文獻

[1]周淵.基坑開挖對鄰近建筑沉降的影響分析[J].安徽建筑，2024（3）：143-145.

[2]金建偉.深基坑施工對坑角外建筑變形的影響研究[J].建筑結構，2023（23）：124-129+139.

[3]徐麗娜.多節鉆擴混凝土樁擴徑體間距對樁周土體位移影響試驗研究[J].建筑結構，2023（23）：144-148+154.

[4]俞建霖.考慮空間效應的均質地基內撐式基坑開挖對鄰近樁基影響分析[J].土木工程學報，2023（8）：140-152.

[5]李道振.樁基負摩擦力的研究與計算[D].青島：中國海洋大學，2004.

[6]葉俊能.高壓氣囊樁對既有地鐵隧道的安全保護試驗研究[J].土木工程學報，2023（S2）：35-43.

收稿日期：2024-05-22

作者簡介：趙柯（1991—），男，碩士，工程師，研究方向：道路與鐵道工程。

通信作者：湯長興（1999—），男，在讀研究生，研究方向：土木與交通。