下穿高鐵橋U形槽設計優化及影響分析

馬鳳萍

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

U形槽是一種新型鐵路路基支擋結構，具有剛度大、變形小、穩定性好、收坡及防水效果顯著等特點，特別適用于地下水豐富、地表或內澇水位較高、滲透系數大、降水困難、放坡條件受到限制的挖方路基地段。許多學者對U形槽結構開展過研究，如周革[1]、王金艷[2]、丁兆鋒[3]、崔俊杰[4]等結合工程實例，詳細介紹U形槽結構尺寸選擇、內力計算、抗浮檢算等設計過程；李寧[5]利用有限元軟件建立三維模型，揭示了U形槽在不同工況下的應力、變形規律；劉俊偉[6]、王立軍[7]等通過實例分析抗浮錨桿在U形槽結構中的應用。但以往研究對設計優化措施介紹較少，以下結合下穿高鐵橋的工程實例，對U形槽進行研究，以期對類似環境下穿高鐵橋工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某新建鐵路路基以下挖的方式通過某既有高速鐵路橋梁地段。相關水利部門提供的資料顯示，該路基段落內澇水位較高，百年積水水位高于鐵路路肩高程，為防止路基被浸泡，路基設計采用鋼筋混凝土U形槽封閉結構形式，鋼筋混凝土雨棚柱基礎設置在U形槽邊墻頂。

既有高鐵與新建鐵路位置關系如圖1所示。

圖1 新建鐵路與既有高鐵橋位置關系(單位：m)

1.2 工程地質條件

(1)地層情況

①粉質黏土：表層0.4 m為種植土，黃褐色-灰褐色，硬塑，含少量姜石，厚0～4.80 m，σ0=140 kPa；

②粉土：褐黃色，稍濕-潮濕，厚0～4.0 m，σ0=140 kPa，夾粉質黏土透鏡體，含少量銹斑及植物根系；

③粉質黏土：淺灰色-褐黃色，軟塑-硬塑，厚0～3.70 m，σ0=140 kPa，夾粉土透鏡體，含少量銹斑；

④細砂：淺灰色-灰黃色，中密-密實，稍濕-潮濕，厚0～5.90 m，σ0=270～350 kPa；

⑤粉質黏土：褐黃色，硬塑，厚1.2～7.0 m，σ0=140～160 kPa，含少量姜石，偶見銹斑，夾細砂及粉土透鏡體；

以下為細砂及粉質黏土。

(2)地下水情況

本段路塹地下水類型為第四系孔隙潛水，主要由大氣降水及地下徑流側向補給。勘測期間，地下水水位高程為-8.08～-10.21 m，水位變幅2.0～4.0 m。地下水對混凝土結構無侵蝕性；環境土在氯鹽環境作用下對混凝土結構具氯鹽侵蝕，環境作用等級為L1。

(3)地表水情況

勘測期間無地表水，設計百年內澇水位高程為14.0 m。

1.3 工程設計的重點和難點

(1)既有高鐵橋兩橋墩間空間有限，設計時應充分考慮U形槽基坑開挖施工對既有橋梁墩臺、基礎等的影響，并將由此引起的橋梁墩臺基礎位移控制在允許范圍內。

(2)本工程中雨棚柱基礎設置在結構邊墻頂，邊墻需承受雨棚柱傳遞的水平力、軸力、彎矩等荷載，邊墻內力計算中，必須合理地將雨棚柱傳遞的荷載施加到計算模塊中。

2 U形槽結構設計優化

2.1 路基面寬度調整方案比選

本工程為新建雙線鐵路，線間距4.6 m，左、右線標準半寬為4.4 m，雙線標準路基面寬度為13.4 m。由于下穿既有高鐵橋梁地段空間條件受限，若按標準路基面寬度進行設計，右線路肩距離83號橋墩最近處約為5.15 m，左線路肩距離84號橋墩最近處約為4.2 m，再加上路肩外側邊墻及圍護結構，施工區域距離橋墩過近，勢必對高鐵安全運營造成威脅。因此，路基面寬度應在可行的條件下進行縮減，為此研究了如下三個方案。

(1)按路基標準

軌枕外側預留0.5 m砟肩，道砟外側設置電纜槽和排水側溝，此方案路基面半寬最小值為3.5 m，此寬度能滿足大機養路、抽換軌枕等條件。

(2)按隧道標準[8]

①有救援通道方案

隧道相關設計規范要求，對于設有救援通道的有砟軌道隧道，考慮隧道內鋪設有砟軌道養護維修的需要，救援通道邊緣(水溝、電纜槽側壁)距離線路中心線位的距離均按2 200 mm設計。加上外側電纜槽和側溝的寬度，此方案結構內墻距離線路中心的最小距離為3.55 m。

②無救援通道方案

根據隧道相關設計規范要求，在不設置救援通道、不考慮大機養路、抽換軌枕等養護維修需要的情況下，結構內墻距離線路中心線的距離不得小于2.54 m。

此段新建鐵路為客貨共線、有砟軌道標準，考慮日后養護維修方便及安全需要，經比選最終路基面寬度由標準半寬4.4 m調整至隧道有救援通道標準方案的3.55 m，并將電纜溝槽上抬作為擋砟墻。路基面總寬由原來的13.4 m縮減至11.7 m，節省了1.7 m的空間，在一定程度上降低了U形槽結構施工對既有高鐵橋梁沉降及運營的影響。調整后的路基面半寬示意如圖2所示。

圖2 路基面半寬示意(單位：m)

2.2 邊墻內力計算中雨棚柱荷載的合理施加

U形槽結構常規計算中，將邊墻視為一端固定的懸臂板。若采用“理正”懸臂式擋墻模塊進行計算，一般選取縱向1延米作為計算單元。但本工程中，鋼筋混凝土雨棚柱設置在邊墻頂，使得邊墻需承受一定的集中荷載作用，需要合理確定U形槽邊墻的有效計算寬度[9]。

根據周青爽、姚洪錫[10]等的研究成果，當集中荷載間距小于懸臂墻高時，可按荷載均布進行內力計算；當荷載間距大于墻高時，應考慮荷載修正系數K的影響，邊墻內力計算時，可將水平集中荷載放大K倍后再除以荷載間距施加到計算模型中進行后續內力計算。

荷載修正系數K可按式(1)進行簡化計算

K=(L/H-1)×0.5+1

(1)

其中：L——荷載間距/m；

H——懸臂邊墻高/m；

本工程雨棚柱間隔為10 m，即荷載間距為10 m，而邊墻較矮(約3.5 m左右)，故L>H，施加水平荷載時需要考慮荷載修正系數的影響。根據每節U形槽實際邊墻高，計算出相應的荷載修正系數在1.90～2.08之間。進行各節U形槽邊墻內力計算時，應將雨棚柱柱底荷載乘以修正系數后施加至計算模型。

2.3 隔離樁的設置

對臨近基坑工程既有建筑物的保護主要有以下方法和措施[11]：原位加固，加強支護結構，地基加固，按照時空效應原理控制開挖支護施工以及設置坑外隔離樁(隔斷法)等。其中，設置隔離樁作為一種有效的保護措施，應用日漸增多。

隔離樁可以有效地阻隔基坑開挖引起的有效應力的傳播，當土體產生滑移變形時，隔離樁通過提高滑移面的抗剪能力以及樁身提供的樁側阻力限制樁后土體的變形發展，減小樁后需要保護的建筑物的沉降(見圖3)[12]。

圖3 隔離樁作用機理

隔離樁可以選用樹根樁、鉆孔灌注樁、小直徑鋼管排樁、地下連續墻、攪拌樁、旋噴樁等。隔離樁必須具有一定的剛度，否則控制樁后土體變形的效果不理想，但其剛度和控制樁后土體變形的能力并非成正比。

本工程下穿地段(約36 m范圍內)不具備放坡條件，考慮經濟性，于基坑兩側分別設置一排旋噴樁進行支護并兼做隔離樁使用，旋噴樁樁徑0.6 m，間距0.4 m，咬合布置，樁長8 m。

應盡早施工隔離樁，形成隔離帷幕，以有效減小前期工程施工對既有高鐵橋造成的影響，施工時應嚴格控制噴漿壓力。另外，施工期間應嚴密監測高鐵橋梁橋墩基礎變形情況，確保高鐵運營安全。

3 數值模擬

采用FLAC3D軟件建立場地土體的三維數值模型，以分析基坑開挖對橋梁墩臺及基礎的影響。

3.1 模型建立

U形槽基坑開挖深度為2.41～2.8 m，基坑隔離樁外緣距離橋梁承臺外緣3.39～7.35 m。

既有高鐵橋梁承臺厚度為2 m，承臺埋深3.08～3.17 m，橋梁樁基長39 m，樁徑為1.0 m。綜合考慮橋梁和樁基的尺寸、基坑施工的空間效應及有效影響范圍，模型的三維尺寸選為68 m(沿線路縱向)×59 m(橫斷面方向)×53 m(深度方向)，共劃分為451 476個單元，182 137個節點。實體采用4節點四面體單元、5節點金字塔單元、6節點三棱柱單元和8節點六面體單元模擬，本構模型采用基于彈塑性理論的Mohr-Coulomb模型(見圖4)。

圖4 三維數值模型

3.2 計算參數及邊界條件

根據相關規范及地質資料，巖土體的物理力學參數如表1所示。

表1 物理力學參數

初始地應力計算過程中，計算模型左、右邊界兩個垂直面僅約束邊界面法向位移，平面內無約束；前、后邊界兩個垂直面僅約束邊界面法向位移，平面內無約束；模型底部水平面采用固定約束；地表面為自由面。初始地應力計算平衡之后，分4個施工步對U形槽進行開挖模擬。

3.3 模擬結果分析

(1) 基坑周圍土體變形情況

基坑開挖完成后，周圍巖土體的豎向變形和水平變形云圖分別如圖5和圖6所示。土體開挖是一個卸載過程，使得基坑底部應力狀態發生變化，導致覆土壓力減小，基坑底部產生垂直向上的變形。另外，在不平衡力的作用下會導致支護結構向基坑內產生位移，使基坑底部土體受到擠壓，進而發生隆起，底部土體最大隆起值為4.4 mm。在開挖過程中，不平衡土壓力的作用會導致支護結構的變形，從而導致基坑支護結構后側土體沉降及水平位移，基坑兩側土體表現為沉降和向槽內臨空方向的收斂變形，最大沉降值為10.1 mm，最大水平變形值為10.3 mm。

圖5 巖土體豎向變形云圖

圖6 巖土體水平變形云圖

(2)橋墩及基礎變形情況

《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014)對橋梁墩臺基礎的工后沉降給出了要求，如表2所示。

表2 無砟軌道墩臺基礎工后沉降限值[13]

另外，考慮到高速鐵路軌道高平順性的特點，為便于維修與日常保養，基礎變形值亦應滿足高速鐵路無砟軌道線路維修的要求。《高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)》中規定了250(不含)～350 km/h線路軌道動態質量容許偏差管理值，即高鐵軌道豎向變形小于4 mm，橫向變形不超過5 mm。

綜合考慮上述規范、規則的相關要求，確定本工程橋墩基礎變形限值如表3所示。

表3 本工程橋墩基礎工后沉降限值 mm

經模擬，基坑開挖施工完成后，橋墩基礎的豎向沉降及水平變形分別如圖7和圖8所示。83號墩基礎最大沉降值為1.9 mm，水平變形為0.4 mm；84號墩基礎最大沉降值為2.7 mm，水平變形為0.6 mm。兩墩臺沉降差為0.8 mm。橋墩基礎變形均在允許范圍內。

圖7 橋墩及基礎豎向沉降云圖

圖8 橋墩及基礎水平變形云圖

4 結束語

(1)在空間條件受限的情況下，可按照隧道有、無救援通道等方案與路基標準下的路基面寬度進行比選和調整，將其不利影響降到最低。

(2)當U形槽邊墻頂設置雨棚柱基礎時，內力計算中應根據荷載間距和邊墻高度的大小關系確定邊墻的有效計算寬度，將雨棚柱柱底傳遞的內力合理施加到計算模型中。

(3)建立三維數值模型分析基坑開挖施工對橋墩基礎的變形影響時，單純以《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014)規定的工后沉降限值作為橋墩基礎的變位控制值，得到的結果往往偏于安全，應結合維修養護等規則綜合確定。

該工程主體部分U形槽結構已運營2年， 經歷了汛期，沒有發現結構裂縫、結構整體沉降和不均勻沉降，結構自身防水 、伸縮縫處防水構造及排水設施均處于良好狀態。本工程對類似臨近既有高鐵地段的工程具有借鑒意義。