市政工程下穿高鐵沉降超預警值應對措施

王博妮

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，河南鄭州 450001)

隨著城市的快速發展，越來越多的市政道路與高速鐵路產生交叉。 通常情況下，市政道路會采用下穿形式穿越高速鐵路。 為了保證高鐵的運行安全，《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》(TB10182—2017)中規定:下穿工程施工過程中，應對高速鐵路橋梁進行變形監測。 當實測值超過報警值時應分析原因，并采取相應的安全措施[1]。

以鄭州市某市政路下穿高鐵工程為例，針對施工過程中出現的高鐵橋墩上浮的情況，提出了局部堆載結合容重置換的處理措施，并進行了理論計算和實踐驗證。

1 工程概況

1.1 市政道路概況

項目起點為鄭州市西四環，終點為南水北調干渠橋，全長976 m，道路為南北走向，紅線寬53～55 m。 道路等級為城市主干路，設計速度為50 km/h，主線為雙向六車道，兩側設置人行道和非機動車道(見圖1)。

圖1 下穿高鐵處道路標準橫斷面(單位：m)

道路下穿高鐵處南側60 m 為設計西四環輔道，現場正在施工。 與高鐵交叉位置道路設計高程為145.654 m，高鐵梁底高程為153.45 m。

1.2 高鐵概況

高鐵橋梁上部結構為32 m 簡支箱梁，下部為雙線圓端形空心橋墩，采用鉆孔樁基礎。 道路分左右兩幅下穿高鐵橋梁，左幅從橋下562 ～563 號橋墩之間穿過;右幅從橋下561 ～562 號橋墩之間穿過，兩線交叉角度為86.8°。 規劃管線從橋下560 ～561 號橋墩、563～564 號橋墩之間穿過。

高鐵運營初期，562 ～563 號墩之間地面高程為141.85 m，564 號墩處原狀地面高程132.52 m，現562～564 號墩之間地面高程約為148.62 m，為非法填土所致。 根據地勘鉆探資料，地表往下3.9 ～19 m 為雜填土，以磚塊、水泥塊、碎石、混凝土塊等建筑垃圾為主(見圖2)。

圖2 561～563 號高鐵橋下現狀

1.3 地質資料

依據鉆探和土工試驗成果，勘探深度范圍內地層共分為12 層，其中第①層為人工堆積的雜填土和素填土，第②～⑦層為第四系晚更新統沖積形成的黃土狀粉土、粉土和粉質黏土。 土體主要物理力學參數見表1。

根據勘探揭露，勘察期間未見地下水。 場地地下水主要受大氣降水補給，排泄方式主要為蒸發和人工開采，其動態變化主要受季節性降水的影響。 地下水位年變幅為1.00～2.00 m。 本工程施工可不考慮地下水的影響。

表1 土體主要物理力學參數

2 設計方案

2.1 方案介紹

高鐵563 號、564 號橋墩設計墩高為21 m，現狀外露高度僅6 m，其余部分被雜填土覆蓋。 線位東側為劉莊小學，經分析研究，道路線位維持既有規劃線位。

道路設計高程距高鐵橋下原狀地面約為4 m，若采用U 形槽、混凝土板式結構或路基等形式穿越，則需清除橋下全部堆填土，然后施作道路填料及結構層。 經初步計算，路基填料及路面結構侵占鐵路橋承臺，墩身基礎附加沉降的累計沉降值超過《高速鐵路設計規范》規定。 故采用1-30 m 橋梁方案下穿高鐵橋梁(見圖3)。

圖3 方案概略

工程主體施工前，應先清理高鐵橋下現狀填土，清理厚度最大為5.7 m。 可采用小型機械配合人工進行開挖，棄土應及時清運至鐵路安全保護區范圍外。 清理過程中應設置有效的臨時排水系統。

2.2 參數選取

因缺乏高鐵的沉降觀測資料及鋪軌后橋墩沉降觀測數據，故以理論計算值為基準，進行高鐵橋梁工后沉降評估。

另外，經與工務段對接得到以下信息:①施工完成后，高鐵沒有進行過精調;②WJ-8 型扣件的鋼軌高低位置調整量為-4/+26 mm。

3 施工期間高鐵上浮

根據現場測量資料，當高鐵橋下土方清理厚度為3.7 m 時，562 號、563 號橋墩上浮值超過預警值(2 mm)。 此時距原設計清表位置還有2 m(見圖4)。

圖4 施工期間現場土方清理情況

為了控制高鐵橋墩沉降變形，決定變更剩余土方的清理方案。

4 應對措施研究

結合以往同類工程項目及施工單位相關工程經驗，研究了以下幾個清理方案。

4.1 防護樁隔離

防護樁能起到物理隔離作用，減小土方開挖對高鐵橋墩沉降的影響。 根據相關文獻及其他實際項目經驗，在高鐵橋墩周邊施工防護樁的隔離效果較好。

存在問題:①市政橋梁邊緣距高鐵橋墩較近，操作空間不足;②高鐵橋下雜填土較深，且以混凝土塊、磚塊等建筑垃圾為主，防護樁成孔困難。

4.2 注漿加固土體

注漿加固可擠密土體，提高原土體的強度。

存在問題:①造價較高，對于雜填土施工效果難以保證;②若注漿壓力、漿液比例不合適，可能會造成土體隆起。

4.3 容重置換

在高鐵橋墩周邊局部堆載，同步對高鐵橋下土體進行素混凝土置換。

5 實施方案

經綜合比選，最終決定采用局部堆載結合容重置換的方案。

5.1 減少土方開挖

原設計清表高程為142.756 m，距成橋后梁底80 cm(考慮市政橋梁施工完成后梁底的檢修)。 為盡量減少土方開挖量，梁底預留空間由原設計80 cm 調整為10 cm，調整之后的清表高程為143.456 m(剩余土方清理深度1.3 m)，僅在兩側橋臺內側設置75 cm寬，80 cm 高的檢修通道。

5.2 土體置換

根據現場情況，雜填土的容重取18 kN/m3，置換用的混凝土容重取24 kN/m3，故置換總深度為3.3 m。

土方清理前，在561 ～563 號橋墩承臺外2 m 范圍內，采用袋裝土進行堆載壓重，561 號橋墩堆載總重約200 t(16.3 kN/m2)，562 號、563 號橋墩堆載總重約600 t(48.8 kN/m2)。 堆載應對稱均衡進行，堆載袋可采用鋼絲網捆綁，以保證安全。 堆載壓重后，在不清理土方的情況下，可先行施工橋臺樁基、蓋梁及耳背墻結構。

采用C15 素混凝土置換土體(C15 素混凝土容重為24 kN/m3)，以容重差來平衡剩余待清理土方引起的高鐵橋墩變形，混凝土置換深度為3.3 m。 土體置換應由外而內對稱施工，參照《土方置換指導性施工流程》逐步開槽置換(見圖5)。

圖5 土方置換指導性施工流程

土方開槽置換順序為①→⑦，承臺周邊1 m 范圍內土體不作置換，清理土方至清表位置即可。 區域①、②一次開挖置換，區域③分兩步置換，區域④分三步置換，區域⑤分八步置換，區域⑥分五步置換，區域⑦分五步置換。 區域⑤→⑦每次開挖置換土方量不超過100 m3，區域⑤土體置換前，先將承臺周邊2 m 堆載土方(保留承臺范圍內堆載土方)移至區域①～區域③(該區域堆載重量6 N/m2)。 區域⑥土體置換前，在區域①～區域⑤進行堆載(該區域堆載重量6 kN/m2)。區域⑦應采用人工支撐開挖，土體置換前，先將承臺范圍內土方移至已完成置換的區域①～區域⑥(該區域堆載重量20 kN/m2)。

6 施工過程理論模擬分析

采用Midas GTS NX 巖土工程軟件，建立三維實體有限元模型進行數值模擬計算。 鑒于高鐵橋下后期雜填土土層的不均勻性，重點對巖土相關參數進行修正，使得模型更符合現場的實際情況。

6.1 模型建立

采用自動劃分實體網格的方法，劃分單元為四節點的四面體單元，土體尺寸為160 m×60 m×90 m(分別為鄭西高鐵橋的順橋向、橫橋向和土層厚度)。

施工須嚴格按照計算步驟進行優化，各施工階段劃分如下:①初始應力場→②既有高鐵成橋→③位移清零→④清表開挖3.7 m 至施工現狀→⑤施工市政工程下部結構→⑥高鐵承臺周邊臨時局部壓重→⑦開槽、置換混凝土→⑧施工市政橋上部結構→⑨開挖防護涵基坑→⑩施工防護涵并回填→○1承臺頂臨時局部壓重卸載。

對立交工程各個施工階段進行分析，建立三維實體有限元模型并進行數值模擬計算，主要進行以下簡化:

(1)初始應力場的模擬

根據勘察報告提供的不同土層剖面，考慮不同的土體分層條件和重度，計算橋涵施工前土體初始應力場分布。

(2)連續介質的模擬

采用“莫爾—庫倫(M-C)”土體彈塑性模型，土體卸載回彈階段考慮土的硬化效應;鄭西高鐵橋墩樁基礎、新建道路橋梁樁基礎均采用線彈性樁單元模型，同時建立摩擦界面單元(考慮了土體和樁結構之間的相互作用);Midas GTS 中3D 樁單元能與土體自動耦合，且能較好地模擬土體和樁之間的相互作用。

(3)邊界條件的模擬

對計算土體的底面約束豎向(z)的位移，側面分別約束橫向(x)、縱向(y)的位移，地表為自由面;樁基礎約束(z)方向的轉角。

有限元模型見圖6，新建橋梁樁基采用鉆孔樁，直徑為1.5 m，上部結構的荷載通過節點集中力的形式加載到樁頂。

圖6 三維有限元模型

6.2 沉降結果分析匯總

通過建模分析，樁基累計附加沉降情況如圖7、圖8。

根據Midas GTS 計算結果，將各施工階段橋墩累計沉降值進行匯總(如表2)。

圖7 560～564 號橋墩第4 階段累計附加沉降

圖8 560～564 號橋墩成橋階段累計附加沉降

表2 高鐵橋墩累計沉降匯總 mm

由表2 可以看出:后續施工高鐵橋墩的累計上浮值最大為3.622 mm。

7 施工現場變形監測分析

為實時跟蹤監測后續施工過程中高鐵橋墩變形情況，2016 年5 月～2016 年11 月對高鐵位移進行了加密監測，表3 為關鍵階段橋墩沉降觀測數據。

表3 高鐵橋墩關鍵階段沉降觀測

圖9 道路施工現狀

由表3 可知，高鐵橋墩累計沉降最大值為3.64 mm，表明采取的應對措施能夠滿足既定的控制目標，可保障工程建設期間高鐵的安全運營。