路基填筑高度對高鐵橋墩沉降的影響

(中鐵一院集團新疆鐵道勘察設計院有限公司 新疆 烏魯木齊 830011)

一、引言

近年來，交通運輸工程飛速發展，多條高速鐵路和城際鐵路線路投入運營，另有多條高鐵正在建設。因此城市道路在改擴建的過程中，經常會遇見下穿高鐵的情況，為保證高鐵的正常運營，設計提供的解決方案應盡量減小對高鐵橋墩產生影響[1-2]。因此，正確評估下穿高鐵的公路在施工及運營階段對既有橋梁結構的影響，掌握橋梁墩頂和樁基礎的沉降規律，提出合理的設計及施工建議，才能保證既有線路的安全運營[3]。

二、工程概況

某高鐵高架橋結構形式為雙線簡支箱梁，無砟軌道，橋墩采用圓端形實體橋墩，基礎為鉆孔樁基礎。公路下穿處為32m簡支箱梁，穿越處公路和鐵路均為直線，公路與鐵路軸線夾角為70°，該公路采用路基穿越的方案通過橋孔，下穿處公路為17m寬整體式路基。其平面關系圖見圖1。

圖1 下穿處平面示意圖

地基土層由上至下依次為：粉土(平均厚度2.65m)，粉質黏土(平均厚度11.46m)，中砂(平均厚度5.84m)，粉質黏土(中砂之下均為粉質黏土)。橋梁縱向布置如圖2所示。

圖2 下穿處立面示意圖

本文根據規范采用的變形及受力控制值如下：

《高速鐵路設計規范》(TB10621-2014)第7.3.10條規定：恒載作用下無砟軌道靜定結構橋梁墩臺基礎工后均勻沉降小于20mm，相鄰墩臺沉降差小于5mm。

《高速鐵路設計規范》(TB10621-2014) 第7.3.9條規定：墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應不大于0.1‰弧度。

三、數值模型及計算結果

該高鐵橋設計時，樁長是由沉降控制，承載力有一定富余，由于公路活載主要是對樁基承載力造成影響，因此本次建模主要是對公路路基施加恒載，分析恒載對橋梁墩頂和樁基礎沉降的影響。

(一)數值模型

根據高鐵高架橋基礎的實際地質資料以及橋梁設計資料，結合公路下穿高鐵橋梁的具體施工方案，以摩爾-庫侖理論為基礎采用MIDAS GTS NX軟件，建立橋梁與土體的聯合作用模型，分析公路路基施工階段對橋梁基礎的影響[4-5]。

本次選取公路路基(護欄、護肩、填土)及高鐵橋兩個橋墩之間位置用MIDAS GTS NX建立三維計算模型進行計算分析。建模時對高鐵橋梁模擬了承臺、橋墩和樁基，高鐵上部結構的自重、二期恒載、橋墩自重以均布荷載的方式加在承臺頂面，計算中不分析鐵路活載對地基的影響，即只計入恒載的影響。對公路部分模擬了護欄，護肩和路基填土。地層按照實際分層厚度輸入，為充分考慮周圍構筑物對鐵路樁基礎的影響，順鐵路線路方向計算長度取200m，垂直鐵路線路方向取100m，鐵路樁基底部土層厚度取60m左右(加上樁長，總厚度120m)。

圖3 MIDAS GTS NX整體模型

整個計算分為土層自重初始階段、高鐵橋梁現狀階段、施工公路線路階段三個施工階段。整體模型、網格劃分以及承臺樁基局部模型如圖3、圖4所示。

圖4 MIDAS GTS NX承臺樁基礎局部模型

公路采用整體式路基穿越高鐵橋梁。對公路路基填土高度分別為0.2m和0.7m兩種情況分別進行建模，對得到的計算結果進行整理分析如下：

(二)路基高度為0.2m時的計算結果

圖5 道路施工后鐵路橋梁橫向水平位移

圖6 道路施工后鐵路橋梁縱向水平位移

圖7 道路施工后鐵路橋梁豎向位移

從數值模擬計算結果圖5、圖6、圖7中可見：修建0.2m公路路基后，鐵路橋梁墩頂最大橫向水平位移為1.01mm，最大縱向水平位移為0.51mm，小于鐵路承臺的縱橫向位移6mm的要求；最大豎向位移為2.85mm，滿足《高速鐵路設計規范》無砟軌道相鄰墩臺基礎不均勻沉降小于5mm的要求。

(三)路基高度為0.7m時的計算結果

圖8 道路施工后鐵路橋梁橫向水平位移

圖9 道路施工后鐵路橋梁縱向水平位移

圖10 道路施工后鐵路橋梁豎向位移

從數值模擬計算結果圖8、圖9、圖10中可見：修建0.7m公路路基后，鐵路橋梁墩頂最大橫向水平位移為3.00mm，最大縱向水平位移為1.85mm，小于鐵路承臺的縱橫向位移6mm的要求；最大豎向位移為7.52mm，不滿足《高速鐵路設計規范》無砟軌道相鄰墩臺基礎不均勻沉降小于5mm的要求。

(四)有限元模擬結果分析

公路路基高度為0.2m和0.7m的計算結果總結見表1：

表1 數值模擬計算結果對比

通過計算機數值模擬分析發現：

1、以公路填土高度0.7m施工公路路基時，鐵路基礎不均勻沉降超限，不滿足規范要求；鐵路基礎水平位移，未超過給定變形限值；2、以公路填土高度0.2m施工公路路基時，鐵路基礎橫向水平位移、沉降和不均勻沉降均未超過給定變形限值，滿足規范要求。

四、結論與建議

本文根據工程實例，通過采用Midas GTS NX有限元軟件，模擬了公路以路基方案下穿高鐵橋的施工過程，分析了路基填筑高度不同時對高鐵橋橋墩、基礎的影響，得出如下結論：

(1)規范要求在恒載作用下無砟軌道靜定結構橋梁墩臺基礎工后均勻沉降小于20mm，相鄰墩臺沉降差小于5mm。本文通過建模分析表明，考慮高鐵橋梁的安全運營，降低路基填筑高度可有效控制高鐵橋梁橋墩及基礎的變形和沉降。

(2)施工中還有以下建議可以減小對高鐵橋梁的影響：立交前后應設置限高架、限速標注等提醒駕駛員注意安全行車；公路路基施工時不得采用強夯、重型振動壓路機、沖擊式壓路機等會造成較大土壓力的施工方式；施工中嚴禁抽取地下水及降水，以免對鐵路橋墩造成不利影響。

【參考文獻】

[1]吉軍立. 淺析城市道路下穿高鐵的影響與分析[J].工程與建設,2016,30(1):63-64.

[2]李剛. 城市道路下穿高鐵方案比選分析[J].廣東建材,2014(6):34-35.

[3]唐文峰，趙剛，馮超. 公路橋梁跨越高速鐵路最優方案探索[J].交通科技,2011(3)：14-16.

[4]李昊，張付賓，簡方梁. 新建公路下穿城際鐵路安全性評估[J].交通科技,2015(6)：96-97.

[5]張靜元，馬科萌. 路基開挖對高鐵高架橋橋墩和基礎的影響[J].中外公路,2015(2)：18-22.