臨近既有高鐵橋梁工程對運營安全性影響分析

王淑敏

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300142)

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臨近既有高鐵橋梁工程對運營安全性影響分析

王淑敏

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142)

對臨近某高鐵立交工程的基坑開挖、頂進施工、U形槽開挖過程對高鐵橋梁的影響進行分析研究。以封閉式路塹下穿高鐵橋梁段為背景，采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立結構的三維數值模型，模擬由基坑開挖、下穿框架橋結構頂進至U形槽開挖的完整開挖過程，對比分析常規防護方案和加強防護方案對高鐵橋梁的影響。分析結果表明：常規支護加固開挖時，橋墩基礎處土層最大橫向位移影響值為0.5 mm，橋墩基礎處土層最大豎向位移影響值為0.8 mm；加強型支護加固開挖時，橋墩基礎土層最大橫向位移影響值為0.15 mm；橋墩基礎處土層最大豎向位移影響值為0.34 mm，加強防護措施可有效控制高鐵橋梁的附加沉降量，確保高鐵的安全運營。

高速鐵路橋梁基坑開挖ABAQUS有限元三維影響分析

近年來，隨著國家經濟的發展，人民生活水平的提高，國家加大了道路、軌道交通，關系民生的水、電、煤、氣等地下管道的建設。由于前期市政規劃沒有及時與已建成或在建的高速鐵路配套，造成越來越多的地鐵、道路及市政管線需要穿越已建成或在建的高速鐵路橋梁[1]。

為確保高速鐵路軌道的平順性、旅客乘車的舒適度以及高速列車行駛的安全性，高速鐵路軌道對橋梁沉降和基礎承載力有著嚴格的要求和限值。

目前，國內外對地下工程(地鐵、隧道等)采用不同施工方法(淺埋暗挖、超前小管棚支護、盾構等)下穿既有高速公路、既有建筑、高架橋等通道工程引起既有相關建筑物的變形和承載力影響都有一定的研究，對于基坑開挖對鄰近建筑物的影響這方面也有相關的研究，但涉及下穿高速鐵路通道工程的研究較少，尚未形成較統一的研究理論和技術控制措施[2]。

以臨近某高鐵的立交工程為背景，對臨近某高鐵立交工程的基坑開挖過程對高鐵橋梁的影響進行分析研究。

1　概述

1.1工程概況

該下穿高鐵和普速鐵路立交工程，起點與既有前進路平面交叉，沿規劃線位，相繼下穿一條水渠、既有高鐵和既有普速鐵路，終止于鐵路南側。既有高鐵在與下穿道路交叉處，線路由2條正線及2條到發線組成，2條正線為無砟軌道線，線間距5.0 m，到發線為有砟軌道線，高鐵設計之初為下穿道路的通過提供了預留條件，預留了(16+20+16) m剛構連續梁中橋，橋長56.8 m。

整個工程由既有普速鐵路線下頂進框構橋、水渠箱涵以及既有高鐵剛構中橋橋下封閉路塹式U形槽三部分組成，平面布置如圖1所示。

圖1　平面

既有普速鐵路頂進框構采用(8.5+17+8.5) m穿越，頂板厚100 cm，底板厚110 cm，邊墻厚100 cm，平面角度89°29′，凈高5.8 m，軸向長度38.88 m，結構總高度7.9 m。預制框構的工作坑(止水帷幕內側)沿框構軸向方向長54.53 m，寬43.44 m，基坑邊緣(止水帷幕內側)距離既有高鐵路基坡腳距離為42.7 m，距離普速鐵路上行中心線距離為10.06 m。

施工過程中，基坑的開挖、下穿框架橋結構頂進、U形槽開挖都可能引起高鐵基礎的沉降變化。因此，對基坑開挖的施工過程進行模擬和分析是確保施工安全的基礎。

1.2地質條件

工程區域內地層勘探深度范圍內，巖性為黏性土、粉土、粉砂并夾有淤泥質土。地下水為第四系孔隙潛水，地下水位埋深1.65～2.6 m(高程3.15～4.36 m)，地下水對混凝土具有腐蝕性。表層粉土：褐黃色，軟塑，含少量姜石，厚2.0 m，σ0=90 kPa；粉質黏土：褐黃色，軟塑，含少量姜石，厚2.8 m左右，σ0=110 kPa；黏土：褐灰色，硬塑，6.0 m以下軟塑，含粉砂夾層，厚3.9 m左右，σ0=85 kPa；粉質黏土：灰褐色，軟塑，局部含粉土薄層，厚3.1 m左右，σ0=110 kPa；黏土：灰白色，軟塑，局部含粉土薄層，厚2.7 m，σ0=85 kPa；粉質黏土：褐黃色，軟塑，含銹斑，厚5.9 m左右，σ0=140 kPa。

2　三維數值模型

2.1計算模型概述

采用ABAQUS建立場地土體的三維數值模型[3，4]。為消除計算邊界效應的影響，考慮到施工過程中的空間效應，計算模型取其有效影響范圍，評估中取長170 m，寬94 m，自地表起16 m厚土體作為計算范圍。計算模型中包括基坑支護結構、下穿框架橋結構，模型頂面取為自由邊界，底面采用三向約束，其它面均采用法向約束。綜合各種因素，最終選定的計算模型如圖2所示。

計算模型土體采用ABAQUS提供的C3D4實體單元模擬，下穿框架橋結構采用C3D8R單元模擬，圖3所示為計算模型網格。

圖2　三維數值模型

圖3　計算模型網格劃分

2.2土體材料參數

計算時將土體視作彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準則，下穿框架橋結構視作彈性材料。根據地勘資料，把自地表起16 m厚土體分為三類不同土體，材料參數如表1所示。

表1　土體參數

2.3施工過程模擬

根據工程施工步驟，施工模擬工序有三步：基坑開挖、下穿框架橋頂進和U形槽開挖。施工模擬工序如圖4～圖6所示。

圖4　模擬施工工序一：工作基坑開挖

圖5　模擬施工工序二：下穿框構橋的頂進

圖6　模擬施工工序三：U形槽開挖

3　常規支護加固開挖方案分析計算

常規支護加固開挖方案是指框構頂進施工工作基坑和U形槽開挖僅布置支護樁，而沒有布置咬合封底旋噴樁的方案。

工程的施工會對既有高鐵連續剛構橋基礎產生一定程度上的豎向變形和橫向變形。其中，橫向變形最大值為0.487 mm，發生在工序二施工后U形槽內基礎上；豎向變形最大值為0.926 mm，發生在工序三施工后U形槽內基礎上。模型計算區域內變形結果匯總如表2所示。

表2　常規支護方案土體變形結果匯總

在每個墩臺基礎處(土層)選取7個沉降考察點，分別給出施工過程中各沉降考察點的橫向和豎向位移變化情況。橋墩、橋臺基礎及基礎處沉降考察點位置情況如圖7所示。圖8～圖11給出了常規支護方案的橋臺基礎土體橫向和豎向變形結果。

圖7　橋梁墩臺及土體沉降考察點位置

圖8　截面一(橋臺基礎1)土體橫向位移分布

圖9　截面二(橋墩基礎2)土體橫向位移分布

圖10　截面一(橋臺基礎1)土體豎向位移分布

圖11　截面二(橋墩基礎2)土體豎向位移分布

4　加強型支護加固開挖方案分析計算

經過計算分析，加強型支護加固開挖方案所產生的橫向變形最大值為0.151 mm，發生在工序三施工后U形槽內基礎上；豎向變形最大值為0.338 mm，發生在工序三施工后U形槽內基礎上。施工中引起的既有高鐵連續剛構橋基礎變形結果匯總如表3所示。

在每個墩臺基礎處(土層)同樣選取7個沉降考察點，分別給出施工過程中各沉降考察點的橫向和豎向位移變化情況。橋墩、橋臺基礎及基礎處沉降考察點位置情況如圖7所示。圖12～圖15給出了常規支護方案的橋臺基礎土體橫向和豎向變形結果。

表3　加強型支護方案土體變形結果匯總

圖12　截面一(橋臺基礎1)土體橫向位移分布(加強型)

圖13　截面二(橋墩基礎2)土體橫向位移分布(加強型)

圖14　截面一(橋臺基礎1)土體豎向位移分布(加強型)

圖15　截面二(橋墩基礎2)土體豎向位移分布(加強型)

5　結論

通過對臨近某高鐵立交工程建立三維地層-結構有限元分析模型，模擬完整的施工過程，從而對基坑開挖、框構頂進施工、U形槽開挖全過程對高鐵橋梁的影響進行分析，得出以下一些結論：

(1)下穿框架基坑開挖及框架頂進施工會對既有高鐵連續剛構橋梁基礎產生變形影響，但影響程度有限。常規支護加固開挖時，橋墩基礎處土層最大橫向位移影響值為0.5 mm，橋墩基礎處土層最大豎向位移影響值為0.8 mm；加強型支護加固開挖(即增加咬合封底措施)時，橋墩基礎土層最大橫向位移影響值為0.15 mm；橋墩基礎處土層最大豎向位移影響值為0.34 mm，對橋臺及路基豎向和橫向影響量接近于零。加強防護措施可有效控制高鐵橋梁的附加沉降量，可確保高鐵的安全運營。

(2)由于既有高鐵連續剛構橋設計計算中已經考慮了下穿通道建設時的工程荷載預留，上述施工引起的橋梁結構基礎不均勻變形對既有高鐵剛構橋受力安全不會產生影響。

(3)在下穿道路正常施工狀態下(施工處于自身安全狀態、降水和止水措施有效)，加強防護措施后的基坑開挖施工及框架橋頂進等工程不會對高鐵的安全運營帶來實質影響。

(4)建議開展第三方自動化監測，并在施工期間嚴密監測高鐵橋梁及路基變形情況，確保高鐵的運營安全。

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The Impact Analysis of Engineeringnear by High-speed Railway Bridge for the Operation Safety

WANG Shumin

2016-01-20

鐵道第三勘察設計院集團有限公司科技開發項目。

王淑敏(1972—)，女，1997年畢業于石家莊鐵道學院交通土建專業，高級工程師。

1672-7479(2016)02-0060-04

U442.5

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