新建公路下穿城際鐵路安全性評估

李　昊　張付賓　簡方梁

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司　北京　100055)

新建公路下穿城際鐵路安全性評估

李昊張付賓簡方梁

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司北京100055)

摘要利用Plaxis巖土工程有限元軟件對新建公路下穿城際鐵路工程進行安全性評估。依據(jù)某新建公路下穿鐵路交叉工程建立了精細化有限元模型，考慮樁土共同作用，分析新建道路的施工及運營對城際鐵路既有橋墩基礎的影響，得出安全性評價結論。結果表明，現(xiàn)有方案可行，能滿足既有鐵路的安全性要求。

關鍵詞Plaxis數(shù)值分析安全性評估

隨著我國交通運輸業(yè)的飛速發(fā)展，新建鐵路或公路受地質、線形等因素限制，在同一地區(qū)內與既有鐵路或公路在不同高度相互穿越的情況逐漸增多。新建鐵路或公路在施工及運營階段會對既有鐵路橋梁造成一定的影響，使得既有橋梁樁基內力重分配，并通過土體變形引起樁基位移，此時若無合理防護措施，會導致既有線橋梁基礎變形過大，造成結構破壞，影響行車安全[1-2]。因此，只有正確評估新建鐵路或公路在施工及運營階段對既有橋梁結構的影響方式和影響程度，掌握既有橋梁的變形規(guī)律，提出合理化的設計及施工建議，才能保證既有線的安全運營[3]。

某省道新建公路下穿某城際鐵路交叉工程，省道與城際鐵路交角為80°。省道按照左右線分離式平面設計，機動車道分幅下穿城際鐵路橋梁，道路施工及運營對城際鐵路既有橋梁的影響較大，對其進行安全性評估具有重要意義。

橋梁安全性評估內容較多，這里主要研究的是道路施工引起橋梁墩臺附加位移及內力，此2種評估均為定量評估，其他評估內容文內未做說明。根據(jù)《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》，認為鐵路墩臺附加位移安全性評價指標是豎向位移5 mm，水平位移10 mm。根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》、地質資料及設計資料，確定樁基內力的安全性評價指標為4 000 kN。

1工程概況

1.1　交叉處城際鐵路橋梁情況

某省道新建公路下穿某城際鐵路交叉工程，城際鐵路橋位處現(xiàn)狀為雙線鐵路，對應城際鐵路處的一座特大橋。交叉處城際鐵路特大橋橋墩對應墩號為28～30號墩。該處城際鐵路為直線上下行雙線電氣化鐵路。

該橋梁為簡支梁，孔跨布置為2-32.7 m簡支箱梁。橋墩為鋼筋混凝土結構，基礎采用鉆孔灌注樁基礎，樁基均為1.0 m。承臺尺寸為6.8 m×10.2 m，承臺高為3.0 m。

根據(jù)現(xiàn)場測繪及工程地質勘探揭示，橋址區(qū)勘探深度范圍內地層巖性為：橋址區(qū)第四系覆蓋層為第四系全新統(tǒng)下部沖積層、上更新統(tǒng)沖洪積層和中更新統(tǒng)沖洪積層。

地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水，勘探期間地下水埋深7.2~13.3 m，地下水主要受大氣降水補給及黃河的側向徑流。

1.2　交叉處省道設計概況

項目地處鄭州市北部，該線分別與某高速鐵路及某城際鐵路相交。

交叉處道路采用U形槽設計，U形槽斷面見圖1，采用頂進施工，框架橋兩側各2節(jié)U形槽，平均總長度為34 m。

圖1　U形槽斷面圖(單位：cm)

道路分2幅下穿城際鐵路某特大橋。左右幅均為(3.5 m+33.75 m)機動車道和路緣帶，分部從該特大橋的28號、29號橋墩間和29號、30號橋墩間通過，與城際鐵路的交角為80°。新建道路與既有鐵路相互位置關系見圖2。

圖2　道路與城際鐵路相對位置關系圖

1.3　防護樁設計

為減少基坑開挖對城際鐵路橋墩及樁基的影響，鄰近基坑的城際鐵路橋墩處采用鉆孔樁(原方案為挖孔樁)進行基坑防護[4-6]。防護樁長15 m，直徑1.5 m，樁間距1.8 m。該尺寸由前期計算及地質條件確定，與該線其他防護方案尺寸統(tǒng)一并保證此處防護樁達到預定的防護效果。

采用上述防護方案，可有效減小由于基坑開挖對橋墩基礎的影響，工藝成熟，施工方便，安全風險小。

2有限元模型

2.1　計算模型

采用Plaxis3D有限元軟件建立分析模型，Plaxis3D軟件為知名的巖土工程有限元軟件，建模方便，適合復雜地質條件模擬、施工過程模擬、滲流分析、變形分析等。

根據(jù)道路路基寬度，以交叉處特大橋29號橋墩為中心，選取115 m×100 m×65 m范圍內土體建立模型，城際鐵路既有承臺采用板單元進行模擬；鉆孔灌注樁、防護樁采用樁單元模擬，防護樁冠梁采用梁單元模擬、橋梁傳至承臺頂面的豎向荷載以集中荷載實現(xiàn)，計算模型見圖3[7-8]。

a)橋梁基礎模型圖b)U形槽模型圖c)有限元整體模型圖

圖3計算模型圖

2.2　有限元模擬主要步驟

本次分析主要模擬了以下施工過程：①生成初始地應力場;②施作特大橋28號橋墩、29號橋墩及30號橋墩基礎;③施作特大橋28號橋墩、29號橋墩及30號橋墩承臺頂荷載;④施工防護樁及冠梁;⑤施工工作坑;⑥預制U形槽;⑦頂推U形槽;⑧開挖U形槽內土，施工路面結構;⑨路線運營。

前期試算結果顯示，由于存在防護樁及U形槽結構護壁，路線運營對橋梁基礎的影響并不顯著，雙線運營時最大沉降在0.5 mm以內，因此本次分析未考慮單線運營工況，僅考慮了正常雙線運營工況。

道路施工過程中，城際鐵路尚未通車，因此本次分析未考慮城際鐵路活載作用。

3結果分析

3.1　土體

道路施工過程中城際鐵路橋墩基礎周邊土體最大位移量為防護樁施工階段及開挖U形槽內土施工階段，其中防護樁施工階段最大位移值為3.45 mm，方向向下，開挖U形槽內土施工階段最大位移值為2.61 mm，方向向上。位移云圖見圖4。

a)防護樁施工階段b)開挖U形槽內土

土體位移云圖土體位移云圖

圖4土體位移云圖

對土體的最大擾動發(fā)生在開挖工作坑施工階段，其周邊土體的最大位移為91 mm，方向向上，但是由于工作坑距離城際鐵路橋墩基礎15 m，且有防護樁的保護作用，工作坑開挖對城際鐵路橋墩基礎周邊土體的擾動作用并不明顯，該階段鐵路橋墩基礎周邊土體最大位移量為2.2 mm，方向向上。

由計算結果總位移云圖可以看出，無論在施工階段還是在運營階段，土體均保持穩(wěn)定，未發(fā)生土體破壞及滑移現(xiàn)象。

3.2　城際鐵路樁基位移結果

道路施工及運營會對特大橋的28號橋墩基礎、29號橋墩基礎及30號橋墩基礎產(chǎn)生影響，其中29號橋墩承臺邊緣距道路左幅路U形槽3.2 m，距道路右幅路U形槽3.15 m，該橋墩基礎同時受到左幅路和右幅路的影響；28號橋墩承臺距離右幅路U形槽最近距離3.0 m，距離左幅路U形槽較遠，因此28號橋墩基礎主要受右幅路施工及運營荷載的影響；30號橋墩承臺距離左幅路U形槽最近距離為3.0 m，距離右幅路較遠，因此30號橋墩基礎主要受到左幅路施工及運營荷載的影響。

以下僅分析道路施工及運營過程對城際鐵路特大橋29號橋墩的影響。

特大橋29號橋墩位移計算結果見表1。

表1　29號墩最不利角樁位移計算結果

由計算可知，特大橋29號橋墩在施工及運營階段豎向位移變化范圍為-4.56~3.44 mm；X方向(即沿路線方向)水平位移變化范圍為0.52~8.98 mm，Y方向水平位移變化在0.5 mm范圍以內。

整個道路施工及運營過程中，橋梁樁基豎向位移變化在5 mm范圍以內，水平位移變化在10 mm范圍以內，可滿足城際鐵路安全性要求。

3.3　城際鐵路樁基軸力結果

道路與城際鐵路交叉處的某特大橋29號橋墩在施工及運營階段軸力變化范圍為-167~344 kN；樁基最大軸力發(fā)生在施工工作坑階段，此時由于開挖卸載使得29號樁基進行了內力重分配，最大軸力為3 916 kN。

城際鐵路特大橋29號橋墩樁基軸力計算結果見表2。

表2　29號墩最不利角樁內力計算結果

4結論

(1) 防護樁方案可有效減小由于基坑開挖對橋墩基礎的影響，降低安全風險。

(2) 道路的施工及運營會使城際鐵路既有基礎產(chǎn)生一定的位移，施工階段及運營階段道路與城際鐵路交叉處的某特大橋29號橋墩基礎平面內位移變化值為0.52~8.98 mm，豎向位移變化為-4.56~3.44 mm，即豎向位移變化在5 mm范圍以內，水平位移變化在10 mm范圍以內，可滿足城際鐵路的安全性要求。

(3) 道路的施工及運營會使道路與城際鐵路交叉處的某特大橋29號橋墩樁基軸力產(chǎn)生變化，施工各階段城際鐵路既有樁基軸力變化值為-167~344 kN。道路施工過程中最大軸力達到3 916 kN，在道路施工完成后的樁軸力值為3 419 kN，小于其允許承載力，能夠保證城際鐵路橋梁結構和運營安全。

(4) 道路的施工過程中，周邊土體保持穩(wěn)定，無破壞。

(5) 采用Plaxis巖土有限元軟件可以建立精細化土體模型，能夠考慮土結構共同作用，得出更加符合實際的計算結果，計算顯示現(xiàn)有防護方案安全可靠，施工時應保證防護樁質量。降水對既有橋墩基礎影響較大，對基礎沉降產(chǎn)生不利影響。建議采用鉆孔樁代替原有挖孔樁防護方案，減少降水影響。

參考文獻

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Safety Assessment of New Highway Beneath the Intercity Rail

LiHao,ZhangFubin,JianFangliang

(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract：The safety assessment model of the new highway beneath the intercity rail was conducted using the famous geotechnical FEM software PLAXIS. A refined finite element model for new highway beneath the intercity rail was set up and composite pile foundation was studied. The forces and the displacements of the pier of the intercity rail were calculated during the road construction and operation, the rules of the mechanical characteristics and the displacements were summarized. The safety evaluation conclusions were obtained.

Key words:plaxis; numerical analysis; safety assessment

收稿日期：2015-10-03

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.030