封閉式路塹下穿既有高鐵橋梁安全影響分析

趙大勇

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

新建市政道路與高鐵橋梁交叉時多采用下穿方案[1-2]，施工過程中可能會引起既有高鐵橋梁的附加沉降和水平變形[3-5]。 王軍對基坑開挖施工對城際鐵路高架橋墩的影響因素及沉降機理進行了分析，通過模擬值與實測值的對比分析，提出控制橋墩沉降的建議;禚一[3]等對鄰近高鐵不同距離、不同挖深封閉式路塹節段的施工過程進行數值分析，研究基坑開挖對既有鄰近高鐵的影響;王景春[5]等運用FLAC3D 有限差分軟件，對既有高鐵橋下新建立交匝道橋樁基施工引起的高鐵基礎變形進行研究，并分析了不同距離與施工順序對基礎變形的影響，可為設計方案確定及施工工藝的選擇提供依據。 目前，研究主要集中在鄰近高鐵基坑或構筑物施工對既有高鐵橋墩基礎的變形影響上，對市政道路以大挖深封閉式路塹形式下穿既有高鐵涉及較少，對橋墩基礎變形限值的研究也缺少系統的梳理。 因此，有必要對道路建設引起的高鐵橋梁形變進行進一步的分析和評價。

以徐州市新元大道北延工程下穿徐州聯絡下行線(鐵路聯絡線)為工程背景，運用ABAQUS 有限元程序，建立場地-結構三維模型，按照施工步驟劃分不同的計算工況，模擬道路施工和后期使用過程中的對既有高鐵橋墩附加變形的影響，并以現行規范變形限值為評價依據，對高鐵橋梁的安全性和工程方案的可行性進行評價。

1 工程背景

1.1 工程概述

徐州市新元大道北延工程南起彭祖大道，跨故黃河，連續下穿隴海鐵路下行線(徐州聯絡下行線)、發東線、東到線、隴海鐵路上行線及徐州聯絡下行線，北至和平路，全長約2.6 km，規劃紅線寬度為50 m。 道路按“雙向六車道”城市主干道實施建設，設計速度為60 km/h，設計荷載為城市-A 級，機動車道凈空≥5 m，非機動車道凈空≥3.0 m，人行道凈空≥2.5 m。

道路下穿徐州聯絡下行線處為橋梁區段，對應鐵路里程為K213+033，道路與鐵路正交，分兩幅自徐州聯絡下行線徐州至大湖三號特大橋18 號～20 號橋孔間穿過，橋梁標準跨徑32.7 m，下穿結構為2-17.9 mU形槽封閉式路塹。 下穿徐州聯絡上行線處為路基區段，對應鐵路里程為K697+398，道路與鐵路交叉角度為82.8°，下穿結構為(6+12+12+6) m 框架橋。

徐州聯絡下行線為單線電氣化鐵路，平面位于直線上，設計荷載為中-活載，設計速度為160 km/h;鐵路橋為32.7 m 簡支梁，有砟軌道。 橋墩為圓端形實體墩，墩高10.0 ～10.5 m，承臺為矩形承臺，承臺高2.0 m，基礎為鉆孔樁，樁長22.0～31.0 m，設計為嵌巖柱樁;該區域溶洞較為發育。 徐州聯絡下行線參照高鐵技術標準進行管理。 道路與鐵路平面位置關系如圖1 所示。

圖1 線路平面位置關系(單位：m)

1.2 下穿鐵路橋梁節點設計

根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》(TB10182—2017)第3.0.11 條，下穿工程采用鉆孔樁時，其與高鐵橋梁基樁的中心距應符合:軟黏土及飽和粉土、細砂土層，不宜小于6 倍樁徑，其他土層不宜小于4 倍樁徑[6]。

18 號～20 號橋墩樁徑為1 m，U 形槽圍護樁樁徑為0.8 m，橋墩樁基間有效距離為29.2 m，橋墩間可利用空間為:29.2 m-6×0.8 m×2(兩側安全距離)-0.8 m(鉆孔樁)= 18.8 m。 可布置斷面為:0.45 m(壁厚)+5.5 m(2 m 人行道+3.5 m 非機動車道)+0.4 m 護欄+12 m(機動車道)+0.45 m(壁厚)= 18.8 m，下穿結構為2-17.9 m U 形槽封閉式路塹，平面布置見圖2，立面布置見圖3。

圖2 下穿節點平面(單位：cm)

圖3 下穿節點立面(單位：cm)

1.3 基坑支護方案

下穿徐州聯絡下行線處U 形槽現澆基坑開挖最大深度為8.0 m，坑底距既有橋墩承臺約5.7 m，基坑為φ80 cm 鉆孔灌注圍護樁和一道80 cm×80 cm 鋼筋混凝土永久支撐、兩道φ609 mm 鋼管內支撐支護結構，U 形槽現澆基坑鉆孔圍護樁與既有高鐵橋墩樁基中心最小距離為4.8 m。 基坑支護立面布置見圖4。

圖4 U 形槽現澆基坑支護(單位：cm)

現澆U 形槽采用蓋挖半逆作法施工[7]:(1)施工鉆孔圍護樁及樁頂冠梁;(2)局部拉槽施工樁頂鋼筋混凝土支撐;(3)分段分層、對稱均勻開挖基坑土體至第一道鋼支撐下0.5 m 處;(4)施作鋼圍檁及鋼支撐;(5)分段分層、對稱均勻開挖基坑土體至第二道鋼支撐下0.5 m 處;(6)施作鋼圍檁及鋼支撐;(7)分段分層、對稱均勻開挖基坑土體至坑底設計高程處;(8)澆筑坑底20 cm 厚C20 混凝土墊層;(9)分段澆筑U 形槽底板混凝土;(10)拆除鋼支撐、鋼圍檁，澆筑側墻混凝土。

2 變形控制限值

基坑開挖施工卸載引起鄰近樁基周圍土體松動變形，造成樁基沉降和撓曲變形，對樁基及上部結構產生一定的影響，若變形過大就會影響橋梁的正常使用。因此，需要制定鄰近樁基沉降控制標準，采取相應的保護、加固方法，將其影響控制在允許范圍之內。 對于臨近橋墩的沉降值控制標準，通常用允許位移值進行控制，但其涉及的因素很多，既要滿足承載力要求，又要滿足樁基上部結構的允許沉降值。

2.1 工后沉降變形

《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014)[8]中第7.3.10 條給出橋梁墩臺基礎的沉降限值(按恒載計算)，如表1 所示。

表1 靜定結構墩臺基礎工后沉降限值

2.2 橫橋向水平變形限值

《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014) 中第7.3.9 條指出:墩臺橫向水平線剛度應滿足高速行車條件下列車安全性和旅客乘車舒適度的要求，墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應不大于1‰弧度[8]，即Δ≤32.7×1‰/2=16.35 mm。

2.3 縱橋向水平變形限值

《鐵路橋涵設計規范》(TB 10002—2017)[9]第5.4.4 條給出簡支梁橋墩臺頂面順橋方向的彈性水平位移限值為

式中:L—橋梁跨度/m，當L＜24 m，L 按24 m 計算;Δ—墩臺頂帽處的水平位移/mm。

即Δ≤5×32.70.5mm=28.28 mm。

2.4 軌道平順性限值

以《高速鐵路有砟軌道線路維修規則》(鐵運〔2013〕29 號) 要求的線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值作為控制標準(如表2)。

2.5 受下穿工程影響的墩臺頂附加位移限值

《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》(TB 10182—2017)[6]第3.0.3 條給出受下穿工程影響的高速鐵路墩臺頂位移限值(如表3)。

表2 200～250 km/h 線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值

表3 墩臺頂位移限值 mm

綜合考慮《高速鐵路設計規范》 (TB 10621—2014)、《鐵路橋涵設計規范》(TB 10002—2017)、《高速鐵路有砟軌道線路維修規則》(鐵運〔2013〕29 號)、《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》 (TB 10182—2017)的相關要求，確定高鐵橋梁變形控制限值如表4。

表4 高鐵橋墩基礎位移限值 mm

3 三維數值模擬

3.1 模型建立

采用大型有限元程序ABAQUS 建立場地三維模型，考慮到空間效應[10]，取模型尺寸為180 m×80 m×60 m(長×寬×高)，其中沿U 形槽方向的長度為180 m。 計算模型包括地基土、橋墩、承臺、樁基、鐵路路基、基坑以及支護結構和U 形槽。

地基土、承臺、樁基均采用三維實體單元C3D8R進行模擬，并采用結構化網格劃分技術對模型進行網格劃分。 模型的邊界條件:頂面為自由面，兩側水平約束，底面取豎向和水平向約束。 土體采用Drucker-Prager[11]本構模型，高鐵橋墩、U 形槽和防護樁采用線彈性本構模型，計算模型見圖5。

3.2 計算參數

(1) 主要材料參數

橋梁主要建筑材料參數按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB 10092—2017)取值，如表5 所示。

圖5 三維數值模型

表5 鋼筋混凝土材料參數

(2)巖土參數

根據地勘資料，場地主要土層力學參數見表6。

表6 鋼筋混凝土材料參數

(3)計算工況

根據施工過程，劃分以下計算工況(見表7)。

表7 計算工況步序

4 計算結果分析

不同計算工況步序下鐵路橋墩墩頂變形如表8 所示。

表8 鐵路橋墩墩頂變形 mm

由表8 可知，整個施工過程及道路后期運營對鐵路樁基均有一定影響。 分別以順橋向附加水平變形、橫橋向附加水平變形、豎向附加沉降變形為縱坐標，以計算工況步序號為橫坐標，給出附加變形時程曲線(如圖6 所示)。

由圖6(a)可知，順橋向附加水平變形最大值出現在步序4，即開挖U 形槽基坑、現澆U 形槽后，18 號、19 號和20 號墩的順橋向水平位移分別為0.827 mm，0.032 mm 和-0.831 mm。

圖6 高鐵橋墩附加變形時程曲線

由圖6(b)可知，橫橋向附加水平變形最大值出現在步序3，即現澆框架、頂進框架后，18 號、19 號和20 號墩的橫橋向水平位移分別為0.103 mm，0.129 mm 和0.152 mm。

由圖6(c)可知，豎向附加沉降變形最大值出現在步序4，即開挖U 形槽基坑，現澆U 形槽后，18 號、19 號和20 號墩的垂直向變形分別為-1.332 mm，-1.535 mm 和-1.340 mm。

5 結論

運用ABAQUS 有限元程序，考慮空間效應，建立場地-結構三維模型，按照施工步驟劃分不同計算工況步序，模擬道路施工和后期使用過程對高鐵橋墩附加變形的影響，得到以下結論:

(1)徐州市新元大道北延道路工程施工方案對鐵路高架橋有一定的影響，但影響程度有限，總體方案基本可行。

(2)通過三維有限元數值分析，徐州市新元大道北延工程施工及運營荷載引起高鐵橋墩頂部順橋向附加水平變形最大值為0.831 mm，橫橋向附加水平變形最大值為0.152 mm，豎向附加沉降最大變形值為1.535 mm，滿足規范對高鐵橋墩基礎位移限值的要求。

(3)本工程區域存在粉土層，且高鐵橋下基坑深度為8.0 m，施工期間應加強基坑防護措施，增加橫撐，控制基坑變形，可有效降低橋墩變形位移。

(4)鉆孔樁應適當加長鋼護筒，防止塌孔;施工時宜采取跳樁法施工。

(5)應嚴格按照《上海鐵路局高速鐵路運營期變形監測管理實施細則》(上鐵工[2016]205 號)進行變形觀測，確保鐵路運營安全。