新開河道下穿高鐵橋梁的影響分析

摘要 我國沿江經濟帶的飛速發展對京杭運河既有航道通航能力提出了更高的要求，新開航道下穿高鐵橋梁的情況頗為常見。該文通過建立Plaxis 3D有限元模型，分析新開河道施工及運營對下穿高鐵橋墩位移的影響。研究表明：新開河道施工及運營對鄰近高鐵橋墩位移影響較大，通過采取基坑加固、鉆孔樁防護、鋼板樁止水帷幕、三軸攪拌樁封底止水帷幕等措施，可將影響控制在規范要求范圍內。此外由于鐵路橋下凈空受限，采用MJS工法樁能更好地滿足施工空間要求，減少對既有高鐵橋梁的影響。

關鍵詞 航道升級；Plaxis 3D；高鐵橋梁；MJS工法樁

中圖分類號 U441 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0088-03

0 引言

京杭運河是我國東部地區重要的水上運輸通道，是南北物資交流及北煤南運的大動脈，對其進行升級改造有利于解決其運量不斷增長與通過能力不足的矛盾，完善區域綜合交通運輸體系，提高綜合交通運輸能力，促進其沿線腹地的經濟發展[1]。

新開航道與高速鐵路交叉的情況頗為常見。為了確保既有高速鐵路運營安全，需對新開河道下穿高速鐵路橋梁的影響進行分析。

該文基于錫澄運河航道整治工程下穿滬寧城際鐵路項目，通過Plaxis 3D數值模擬分析新開河道施工及運營階段對既有高鐵橋梁的影響，對鄰近鐵路防護措施的合理性進行評估，旨在為同類工程實施提供參考依據。

1 工程概況

錫澄運河無錫市區段航道整治工程按Ⅲ級航道標準整治，航道底寬45 m，航道寬度60 m，設計水深3.2 m，跨河建筑物一孔跨越通航水域，凈空尺度不小于60×7 m。

滬寧城際是連接上海市與江蘇省南京市的高速鐵路，是長江三角洲地區城際客運鐵路線網的主骨架，是中國第一條全線鋪設CRTS I型軌道板的無砟線路，設計時速250 km/h，實際運營速度300 km/h，雙線布置，線間距4.8 m。該項目下穿處位于滬寧城際無錫西特大橋491#～492#橋孔。

2 設計方案

（1）新開河道與鐵路位置關系

新開河道涉鐵段約146.5 m，設計最高通航水位

2.88 m、最低通航水位0.81 m，航道底標高為-4.19 m。河道下穿滬寧城際491#墩～492#墩，夾角約70°，相交處橋梁上部結構為（60+100+60）m連續梁，最小凈空8.5 m。新開河道與鐵路位置關系詳見圖1、圖2，圖中防護措施①～⑧詳見下文。

（2）駁岸結構及防護結構

駁岸結構包括基礎樁、縱橫梁、底板、側墻、扶壁等。基礎樁采用φ1 m@3 m鉆孔樁，樁長27 m。鐵路范圍以內設置1.0×1.0 m鋼筋混凝土縱橫梁，鐵路范圍以外設置0.8×0.8 m鋼筋混凝土縱橫梁。河道兩側3.5 m范圍內設置1 m厚底板、0.5 m側墻、0.5 m厚@3 m扶壁等。

為減小河道開挖、降水及結構施工對臨近鐵路的影響，采取以下防護措施：①鐵路橋墩周圍全包隔離樁、②河道側防護樁、③河道周圍鋼板樁封閉止水、④攪拌樁止水帷幕、⑤MJS工法樁止水帷幕、⑥坑底攪拌樁加固、⑦坑內鋼格構柱+立柱樁、⑧兩道微膨脹混凝土支撐等。

河道側防護樁及鐵路橋墩隔離樁均采用單排

φ1.0 m@1.2 m鉆孔樁，樁長35.5 m。基坑豎向設置兩道1.0×1.0 m微膨脹混凝土支撐，橫縱相交處與鋼格構柱連接，下部為φ1.0 m立柱樁，樁長27 m。河道周圍采用鋼板樁止水帷幕，樁長12 m，并與涉鐵段兩端鋼板樁形成封閉止水。為了隔斷承壓水層，坑底采用φ0.85 m@0.6 m三軸攪拌樁作為封底止水帷幕，樁長18 m，鐵路橋下凈空受限，采用φ2.0 m@1.5 mMJS工法樁止水帷幕。基坑采用φ0.5 m@1.4 m單軸水泥攪拌樁加固，加固范圍為坑底以下3 m及坑底以上4 m，河道兩側7 m被動區范圍內采用φ0.5 m@0.35 m單軸水泥攪拌樁加固，樁長15 m。

3 建模分析

3.1 啟明星計算分析

由表1可知，河道基坑采用“φ1.0 m@1.2 m鉆孔樁+鋼支撐+鋼板樁止水+坑底加固”的支護體系，基坑整體穩定性、抗傾覆穩定性、坑底抗隆起、墻底抗隆起、滲透穩定性安全系數均可滿足《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）中安全等級一級要求[2]。5-3-1粉土層抗突涌安全系數1.03lt;1.10，通過對其采用MJS和三軸攪拌樁隔斷封閉，使基坑抗突涌設計滿足相關要求。5-3-2粉土層突涌穩定性安全系數滿足要求。防護結構頂最大側移、地面最大沉降滿足一級基坑要求。

3.2 有限元模型建立

采用巖土工程有限元軟件Plaxis3D建立三維有限元模型進行數值計算，分析新開及運營過程對既有鐵路的影響，有限元模型見圖3。

模型場平標高按設計圖紙采用卸載后

3.0 m標高，地下水位埋深約1.5 m。土體采用小應變土體硬化（HSS）本構模擬[3]，鐵路橋墩及承臺、駁岸采用線彈性實體單元模擬，鐵路荷載等效為面荷載模擬，鐵路樁基與駁岸基礎樁、立柱樁采用Embedded樁單元模擬，橋墩隔離樁與河道側防護樁、鋼板樁采用板單元模擬，混凝土支撐、河底縱橫梁與格構柱采用梁單元模擬，坑底攪拌樁加固采用復合地基法等效模擬。各土層的計算參數根據地質報告與工程經驗取值。

為了消除模型邊界效應，沿X、Y、Z三個方向的邊界尺寸分別為270 m、190 m、90 m，其中X為鐵路順向，Y為鐵路橫向，Z為豎向。

對鐵路產生影響的施工內容主要為如下6類工況：

工況1：施工防護樁，地基加固；

工況2：施工河道內立柱樁、基礎樁，場地整平并開挖至第一道支撐底；

工況3：施工第一道支撐并開挖至第二道支撐底；

工況4：施工第二道支撐并開挖至河底；

工況5：施工河底縱橫梁、河底鋪砌、駁岸底板、側墻及扶壁等，并拆除第一，二道支撐；

工況6：通水運營。

3.3 有限元計算結果分析

提取6個工況下的累計位移云圖，得到各工況下高鐵橋梁橋墩變形，新開河道施工及運營過程對鄰近鐵路橋墩墩頂最大累計位移如表2所示。各工況引起鐵路橋墩墩頂累計位移如圖4所示。

（a）順橋向累計位移

（b）橫橋向累計位移

（c）豎向累計位移

鐵路橋墩沉降變形是導致上方線路不平順的主要原因，根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》

（TB 10182—2017）規定，高速鐵路無砟軌道橋梁墩頂橫向、縱向及豎向位移均須控制在2 mm以內[4]。

由計算結果可知，新開河道施工及運營引起的滬寧城際橋墩墩頂順橋向累計位移最大值為1.268 mm，橫橋向累計位移最大值為0.399 mm，豎向累計位移最大值為-1.462 mm，新開河道施工及運營引起的鐵路橋墩墩頂累計位移值滿足規范限值要求，對現狀鐵路安全運營的影響可控。

4 結論及建議

（1）采用“φ1.0 m@1.2 m鉆孔樁+鋼支撐+鋼板樁止水+坑底加固”、坑外設置隔離樁等進行變形控制設計，可以有效確保鄰近高鐵安全運營。

（2）鐵路安全保護區內的鉆孔樁，應當根據現場地質條件相應采取防塌孔措施，與鐵路橋樁間距小于6 m的鉆孔樁采取鋼護筒全程跟進等措施，減小對周邊土體的擾動。

（3）為了減小承壓水的突涌影響，坑底采用三軸攪拌樁止水帷幕隔斷承壓水層，考慮鐵路橋下施工空間受限，建議采用MJS工法樁作為封底式止水帷幕。

（4）新開河道下穿高鐵橋梁施工過程中，需加強在運營鐵路橋墩全過程監測，根據監測結果及時采取防護措施。

參考文獻

[1]陳稚娟，徐靜，陳晨，等.京杭運河蘇北段升級改造工程關鍵技術綜述[J].現代交通技術， 2019（5）：11-15.

[2]建筑基坑支護技術規程：JGJ 120—2012[S].北京：中國建筑工業出版社， 2012.

[3]梁發云，賈亞杰，丁鈺津，等.上海地區軟土HSS模型參數的試驗研究[J].巖土工程學報， 2017（2）：269-278.

[4]公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程：TB 10182—2017（S）.北京：中國鐵道出版社， 2018.

收稿日期：2024-07-09

作者簡介：王崟志（1993—），女，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁設計。