某鐵路U形結構下鉆既有橋梁方案研究

葉　鵬

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

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某鐵路U形結構下鉆既有橋梁方案研究

葉鵬

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

某鐵路樞紐內新建鐵路以小角度下鉆既有客專鐵路橋梁，為最大限度地減小對既有客專橋梁的沉降影響，保證運營安全，需對U形結構下鉆形式進行技術論證。運用三維通用有限元軟件Midas-GTS進行三維建模，對新建鐵路U形結構的施工過程以及列車荷載的影響進行三維數值模擬分析。研究結論：新建鐵路U形結構對橋梁附加沉降量過大，如以路基U形結構下鉆方式通過，對既有客專橋梁影響較大，建議進一步優化方案。

U形結構即有橋梁有限元數值模擬

近年來，鐵路樞紐建設過程中經常遇到新建鐵路下鉆既有高速鐵路橋梁的情況[1]，而鐵路樞紐本身的規模、規劃及既有建筑物對線位走向影響較大，既有橋梁本身的凈空、孔跨間距、地基處理措施對于選擇以何種結構形式通過起決定性作用。

介紹某動車走行線以路基U形結構[2-5]形式小角度下鉆既有客專聯絡線設計方案，采用三維通用有限元軟件Midas-GTS進行三維建模[6]，對新建鐵路路基U形結構的施工過程，以及列車荷載作用下對既有橋梁的影響進行三維數值模擬分析(如圖1所示)。

圖1　動車線以24°角下鉆既有橋梁

圖2　U形槽樁基布置

圖3　正常樁位橫向布置(單位：m)

圖4　特殊位置樁位橫向布置(單位：m)

1　工程概況

本工點位于某動車運用所動車線下鉆既有客專聯絡線，工程里程范圍為DK287+532.0～DK287+589.0，路基面寬度7.8 m，線路以填方通過，路堤填高4.5 m。動車線與既有客專聯絡線以24°的小角度交叉下鉆，路肩線緊貼既有橋墩通過，路面占壓橋梁承臺面積較大，路基施工將會引起既有鐵路橋梁沉降。既有客專每天有20多趟動車組通過，運營繁忙，對沉降控制嚴格，不能中斷行車。

DK287+532.0～DK287+589.0采用“鉆孔灌注樁+U形槽”結構通過，鉆孔灌注樁與U形槽采用固結連接，U形槽底板下設0.3 m厚碎石+0.15 m厚素混凝土墊層做為鋼筋綁扎作業平臺。如圖2～圖4所示，鉆孔樁樁徑1.0 m，DK287+543、DK287+577處樁因躲避橋梁承臺橫向間距調為3.2 m，其余橫向間距均為4 m，縱向間距4 m、5 m、6 m、7.0 m不等，樁長30 m。鉆孔樁主筋插入板中，并與板頂主筋建立有效綁扎。U形槽采用C40鋼筋混凝土澆筑，底板厚1.0 m，板寬與路面寬度相同。邊墻為直立式，厚0.6 m，于墻頂設置角鋼立柱欄桿。U形槽底板距橋梁承臺頂只有0.48 m，U形槽底板占壓橋梁承臺面積8.9 m2，占整個橋墩承臺面積的15.5%。

路基修建會形成新的附加荷載，影響既有橋梁沉降，而動車線與既有橋梁小角度交叉，且既有橋梁墩臺和U形槽地基均采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁深基礎，不能簡化為二維平面問題的理論公式解法，只能通過考慮三維空間的大型有限元建模方法分析其沉降影響。采用三維通用有限元軟件Midas-GTS進行三維建模計算，模型總寬度50 m，總長度57 m，土層總深度65 m，共劃分225 531個實體網格。

2　場地地質情況

地層：雜填土，雜色，稍密，稍濕，以建筑垃圾為主，混有大量磚塊和混凝土塊，充填粉質黏土，厚5～6 m。新黃土：褐黃色和黃褐色，硬塑—軟塑，約含10%的姜石，一般粒徑5～8 mm，最大粒徑10 mm，表層局部分布種植土，含植物根系，層厚4.9～6.5 m。粉土：褐黃色、黃褐色，密實，稍濕，含有約10%姜石，層厚3 m。以下為細砂，黃褐色、灰褐色，中密，稍濕，成分以石英、長石為主，含有云母夾薄層。

土壤最大凍結深度為0.54 m。

地震動峰值加速度為0.05g(Ⅵ度)。

3　工程難點

3.1交叉角度小

受外部邊界條件限制，動車線與既有客專聯絡線以24°的小角度交叉下鉆通過。

3.2占壓既有橋梁承臺

在僅考慮U形槽結構滿足區間直線地段路基面寬度的前提下， U形槽底板占壓橋梁承臺面積8.9 m2，占整個橋墩承臺面積的15.5%。

3.3底板距承臺頂距離近

U形槽底板底距橋梁承臺頂只有0.48 m，扣除素混凝土墊層后距離只有0.33 m。

3.4U形槽灌注樁與既有橋梁樁基距離近

U形槽按照正常樁位布置，將會與既有橋梁樁基產生沖突或距離太小，不能滿足規范要求，只能在特定段落調整樁位布置，以滿足建筑樁基規范[7]中3倍樁徑最小中心距要求。

3.5地質條件復雜

工點地處于沖洪積平原，地基以下分布深厚層的粉質黏土和粉、細砂層，地表堆積雜填土層厚達6 m，壓縮變形量大[8]。

4　計算模型

根據動車線與既有客專的相互關系建立三維幾何模型，如圖5所示。計算模型采用局部坐標系(X、Y、Z)，Y軸為動車線，以大里程方向為正，Z軸平行于重力方向，以鉛直向上為正方向，X軸為垂直于動車線方向，以垂直隧道向右為正方向，整個局部坐標系(X、Y、Z)滿足右手螺旋法則。局部坐標系原點(0，0，0)確定如下：X軸以動車線線路中線為X軸坐標原點，Y軸以DK287+532.0為坐標原點，Z軸以U形槽底板底為坐標原點。

采用三維通用有限元軟件Midas-GTS進行三維建模計算[9-12]，模型建立范圍為：X方向長50 m，Y方向長57 m，Z方向為地表以下65 m。三維幾何模型真實再現了U形槽與橋梁墩臺之間的復雜關系，如圖5、圖6所示。根據建立的三維實體模型，共劃分225 531個實體網格。

圖5　三維實體

圖6　U形槽與橋梁樁基布置

5　計算參數及步驟

根據地質資料，劃分為9個土層，具體參數如表1所示。將計算過程分為6個施工階段，如表2所示。

表1　土層參數

表2　施工階段說明

6　計算分析結果

圖7　三維沉降變形

圖8　沉降變形俯視

本部分研究從土體初始應力狀態、既有橋梁施工下、U形槽施工、U形槽列車荷載作用下對臨近既有客專橋梁的影響，圖7～圖10給出了共同作用下U形槽和既有橋梁的三維沉降變形云圖，既有橋梁墩臺處于U形槽沉降影響核心區域，最大位移量為38.6 mm。圖11～圖12給出了U形槽施工下橋墩變形云圖及沉降云圖，橋梁墩頂最大位移量為32.3 mm，最大豎向沉降為27.2 mm，圖13～圖14給出了列車荷載作用在U形槽下橋墩變形云圖及沉降云圖， 橋梁墩頂最大位移量為39.4 mm，最大豎向沉降為33.2 mm。墩頂各階段位移如表3所示。

圖11　U形槽施工下橋墩變形

圖12　U形槽施工下橋墩沉降

表3　墩頂各階段位移數值　m

圖13　列車荷載作用下橋墩變形

圖14　列車荷載作用下橋墩沉降

7　結論

介紹某動車走行線以路基U形結構形式小角度下鉆既有客專聯絡線設計方案，采用三維通用有限元軟件Midas-GTS進行三維建模，對新建鐵路路基U形結構的施工過程以及列車荷載作用下對既有橋梁的影響進行三維數值模擬分析，得出以下研究結論：

(1)根據沉降計算形態可以看出，因U形槽占壓橋梁承臺太多，樁基距離既有橋梁樁基距離太近，橋墩基礎處于U形槽沉降影響核心區域，路基U形槽對既有橋梁墩臺影響較大，最大豎直向沉降達33 mm，最大位移38.6 mm，相對橫向位移量最大達到41.4 mm。

(2)因U形槽對橋梁附加沉降量過大，如以路基U形槽下鉆方式通過，對既有客專橋梁影響較大，建議優化線位，增大與既有線交角，減少占壓既有橋梁面積或以新建橋梁下鉆方式通過。

[1]張磊.新建鐵路下穿既有公路橋梁的樁基U形結構路堤設計研究[J].路基工程，2015(1)

[2]吳劍鋒，李季宏.U形結構在鐵路路堤地段的應用研究[J].鐵道標準設計,2013(9)

[3]李曙光，隋孝民.新型支擋結構適用性探討[J].鐵道勘察,2014(5)

[4]李海光.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京：人民交通出版社,2004

[5]JGJ 94—2008建筑樁基技術規范[S]

[6]丁兆鋒，吳沛沛.U形槽結構設計與分析[J].鐵道工程學報，2009(4)

[7]TB10025—2006鐵路路基支擋結構設計規范[S]

[8]TB10106—2010鐵路工程地基處理技術規程[S]

[9]禚一，張軍，宋順忱.軟土地區基坑開挖對臨近高鐵影響數值仿真分析[J].鐵道工程學報，2014(2)

[10]趙少偉，王丙興，郭蓉.Plaxis在高速公路軟基變形研究中的應用[J].路基工程，2008(4)

[11]郭磊.樁筏U形結構在新建鐵路路基并行既有高鐵橋梁時的應用[J].鐵道勘察,2015(5)

[12]郭堅鴿.軟土路基樁筏基礎土受力測試分析[J].鐵道勘察,2014(1)

Research of new Railway’s U-type Structure under the existing bridges

YE Peng

2016-01-27

葉鵬(1984—)，男，2009年畢業于西南交通大學巖土工程專業，工學碩士，工程師。

1672-7479(2016)02-0033-04

U231.3

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