鄰近高鐵新建構(gòu)筑物對(duì)商合杭高鐵橋梁的變形影響分析

王 睿

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津市 300451）

0 引 言

目前，中國(guó)基本已建成“四縱四橫”高速鐵路網(wǎng)，高鐵累計(jì)運(yùn)營(yíng)里程達(dá)2.9萬(wàn)km，占世界總運(yùn)營(yíng)里程三分之二以上。高速鐵路的大規(guī)模建成通車方便了乘客快捷出行，但由于高速鐵路對(duì)沉降變形等要求較高，臨近高速鐵路的新建工程是否滿足高鐵運(yùn)營(yíng)安全的要求就成了一個(gè)必需解決的問題[1-2]。

1 工程概況

毫州市渦北污水處理廠位于毫州譙城區(qū)渦北片區(qū)，東側(cè)為在建商合杭高鐵，設(shè)計(jì)日處理規(guī)模為4×104m3/d，污水處理廠重點(diǎn)收集渦北片區(qū)生活污水。渦北污水處理廠一期于2013年投入運(yùn)行，日處理能力為2萬(wàn)m3，采用曝氣生物濾池工藝。該工程擬對(duì)污水處理廠按遠(yuǎn)期規(guī)模擴(kuò)建至4萬(wàn)m3/d，擴(kuò)建位置在既有廠房與在建商合杭高鐵之間，平面位置如圖1所示。

2 商合杭高鐵概況

商丘至合肥至杭州鐵路線位于河南、安徽和浙江三省境內(nèi)，線路起于河南省省商丘市，向南途徑安徽省亳州、阜陽(yáng)、淮南、六安、合肥、馬鞍山、蕪湖、宣城，而后進(jìn)入浙江省湖州至杭州。新建線路長(zhǎng)608.024 km，沿線共新建及改擴(kuò)建車站22座，是溝通中原地區(qū)、安徽省與長(zhǎng)江三角區(qū)的快速客運(yùn)專線。本工程影響范圍為新建商丘至合肥至杭州鐵路商丘至阜陽(yáng)段的亳州特大橋。

圖1 污水處理廠與商合杭高鐵平面位置圖

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

線路等級(jí)：高速鐵路；

此段設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值：350 km/h；軌道標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)縫線路、無(wú)砟軌道；設(shè)計(jì)荷載：ZK活載。

2.2 橋梁設(shè)計(jì)概況

亳州特大橋位于商合杭高鐵商丘至阜陽(yáng)段，亳州特大橋中心里程DK62+585.57，全長(zhǎng)5.189 7 km。該次施工影響范圍為亳州特大橋542#～550#號(hào)橋墩，采用32 m簡(jiǎn)支箱梁，雙線流線形圓端實(shí)體橋墩，樁基礎(chǔ)，詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

3 污水廠擴(kuò)建設(shè)計(jì)概況

污水處理廠新增單體建筑根據(jù)工程需要設(shè)置，主要有A2O及斜板沉淀組合池、反硝化深床濾池、鼓風(fēng)機(jī)房及污泥濃縮池等。新建構(gòu)筑物詳見表2。

4 高速鐵路橋梁變形限值

4.1 沉降限值要求[3]

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10177—2014）明確給出了工后沉降的定義、橋梁工后沉降量及差異沉降量限值要求，其內(nèi)容如下：

（1）第2.1.9條給出工后沉降的定義：鋪軌工程完成以后，基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生的沉降量為工后沉降。

（2）第7.3.10條給出橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)的沉降應(yīng)按恒載計(jì)算，其工后沉降量不應(yīng)超過表7.3.10限值，見表3。

表3 靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值

4.2 橫向水平變形限值要求[3]

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10177—2014）第7.3.9條給出墩臺(tái)橫向水平線剛度需要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，并應(yīng)對(duì)最不利荷載作用下墩臺(tái)頂橫向彈性水平位移進(jìn)行計(jì)算。

在ZK活載、橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度的作用下，墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應(yīng)不大于1.0‰弧度，如圖2所示。

4.3 縱向水平變形限值要求[4]

《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002—2017）第5.4.4條規(guī)定對(duì)鐵路橋梁的墩頂?shù)捻槝蛳蛩阶冃瘟拷o出了明確要求：

墩臺(tái)頂帽面順橋方向的彈性水平位移應(yīng)符合下列規(guī)定，

表1 亳州特大橋542號(hào)～550號(hào)墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)表

表2 擴(kuò)建工程新建構(gòu)筑物一覽表

圖2 水平折角示意圖

式中：L為橋梁跨度，m：當(dāng)L＜24 m時(shí)，L按24 m計(jì)算；當(dāng)為不等跨時(shí)，L采用相鄰中較小跨的跨度，m；Δ為墩臺(tái)頂帽面處的水平位移，mm；包括由于墩臺(tái)身和基礎(chǔ)的彈性變形，以及基底土彈性變形的影響。

5 擴(kuò)建工程對(duì)商合杭高鐵的變形分析

5.1 有限元模型

采用大型通用有限元分析軟件Plaxis 3d建立整體三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，污水處理廠擴(kuò)建工程施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)商合杭亳州特大橋影響范圍為542#～550#號(hào)橋墩，由于范圍較大，該次分542#～546#、547#～550#兩個(gè)模型進(jìn)行分析評(píng)估，模型三維透視圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 542#～546#三維透視模型

圖4 547#～550#三維透視模型

5.2 變形分析結(jié)果

5.2.1 沉降影響分析

各墩沉降計(jì)算結(jié)果見表4，542#～546#及547#～550#墩土體沉降變形分別如圖5和圖6所示。

表4 沉降計(jì)算結(jié)果匯總

圖5 542#～546#墩土體沉降變形圖

圖6 547#～550#墩土體沉降變形圖

由上表可知，污水廠擴(kuò)建工程引起商合杭高鐵橋梁542#～550#號(hào)墩最大附加沉降為2.342 mm，疊加原設(shè)計(jì)工后沉降后最大總沉降為18.805 mm，引起的最大附加差異沉降為2.442 mm，最大累計(jì)總差異沉降3.395 mm。因此該施工階段引起的商合杭高鐵橋梁基礎(chǔ)總沉降及差異沉降均滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）中沉降的限值要求。

5.2.2 墩頂橫向水平變形分析

商合杭高鐵墩頂橫向水平變形計(jì)算結(jié)果見表5，542#～546# 及 547#～550# 墩土體橫向水平變形如圖7和圖8所示。

表5 商合杭高鐵墩頂橫向水平變形值

圖7 542#～546#墩土體橫向水平變形圖

圖8 547#～550#墩土體橫向水平變形圖

由表5可知，污水廠擴(kuò)建工程引起的墩頂最大附加橫向水平變形值最大為6.185 mm，疊加設(shè)計(jì)初始值累計(jì)橫向水平變形值最大為17.3 mm。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，544#、546#、547#、548# 和 549# 墩的墩頂橫向位移超出允許橫向水平位移限值。

5.2.3 墩頂縱向水平變形分析

商合杭高鐵墩臺(tái)頂縱向水平變形計(jì)算結(jié)果見表6。

由表6可知，污水廠擴(kuò)建工程引起的墩頂縱向水平變形，最大縱向水平變形值為2.064 mm，疊加初始設(shè)計(jì)累計(jì)縱向水平變形值最大為14.074 mm，在縱向水平位移限值以內(nèi)。

表6 商合杭高鐵墩臺(tái)頂縱向水平變形值

5.3 污水處理廠施工對(duì)商合杭高鐵橋梁變形評(píng)估結(jié)論

（1）污水廠擴(kuò)建工程引起的商合杭高鐵附加沉降量為-2.205～1.258 mm，疊加設(shè)計(jì)值后的累計(jì)沉降量最大值為-18.805 mm，滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）規(guī)定的工后沉降量20 mm的限值要求。

（2）污水廠擴(kuò)建工程引起的商合杭高鐵附加差異沉降量為1.368～2.442 mm，疊加設(shè)計(jì)值后的累計(jì)差異沉降量最大值為3.395 mm，滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）規(guī)定的工后差異沉降量5 mm的限值要求。

（3）污水廠擴(kuò)建工程引起的商合杭高鐵附加橫向水平變形為0.181～6.185 mm，疊加設(shè)計(jì)值后的累計(jì)橫向水平位移最大值為17.3 mm，其中544#、546#、547#、548#和549#墩的墩頂橫向位移不滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）規(guī)定的橫向水平變形的限值要求。

（4）污水廠擴(kuò)建工程引起的商合杭高鐵附加縱向水平變形為-1.523 mm～2.064 mm，疊加設(shè)計(jì)值后的累計(jì)縱向水平位移最大值為14.074 mm，滿足《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB 10002.1—2005）規(guī)定的縱向水平變形的限值要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)污水處理廠擴(kuò)建工程對(duì)鄰近商合杭高鐵橋梁結(jié)構(gòu)的變形分析，可以得到如下結(jié)論和建議。

（1）為減小亳州污水處理廠改擴(kuò)建工程施工對(duì)商合杭高鐵橋梁的影響，建議該工程先于商合杭高鐵橋梁施工。

（2）為保證本工程的可行性，應(yīng)在商合杭高鐵亳州特大橋543#～550#墩范圍與本工程之間設(shè)置安全防護(hù)（隔離）措施，同時(shí)對(duì)亳州特大橋544#～549#墩的樁基礎(chǔ)進(jìn)行加強(qiáng)。

（3）該次變形評(píng)估分析可作為鄰近高鐵的新建工程或貨物堆載場(chǎng)等對(duì)高鐵橋梁結(jié)構(gòu)變形影響的參考。