下穿高鐵橋段箱涵基坑支護數(shù)值模擬與分析

王寶存

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，合肥 230088)

1 概 述

1.1 工程概況

港口灣灌區(qū)工程是納入國務院172項重大節(jié)水供水工程的新建大型灌區(qū)項目，位于安徽省宣城市。其中，佟李干渠跨商合杭高鐵橋采用箱涵型式，自高鐵442#和443#橋墩間垂直穿過，箱涵設計過流8.2 m3/s，斷面尺寸為3.8 m×3.8 m，墻厚0.5 m[1]。

高鐵橋寬12.5 m，穿越段橋墩跨徑32.6 m，橋梁已完成鋪軌，橋底距現(xiàn)狀地面約5.6 m。該段工程施工時，高鐵橋墩沉降及變形控制標準為2 mm，高鐵橋外側起向外各200 m范圍內(nèi)禁止抽取地下水[2]。

該段基坑開挖采用如下基坑支護型式：自穿越高鐵橋中心線兩側各30 m范圍內(nèi)采用地下連續(xù)墻進行支護施工，支護墻厚0.6 m，墻底深入巖層約6 m，支護連續(xù)墻沿高度方向從下往上布置兩道對撐，第一道為鋼梁支撐，第二道為鋼筋砼梁支撐，對撐沿箱涵軸線方向間距5.0 m(高鐵橋下為2.5 m)。高鐵橋支護段以外采用截滲墻進行防滲處理，與支護段連續(xù)墻相接。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)本次地質(zhì)測繪及鉆孔資料，穿越段揭露土層有人工填土、②1、④1、⑤3以及白堊系上統(tǒng)宣南組中段(K2x2)基巖地層。

工程地質(zhì)剖面見圖1，物理力學指標見表1。混凝土標號C30，鋼支撐按HRB400進行考慮，參數(shù)見《水工混凝土設計規(guī)范》(SL 191-2008)[3]。

表1 物理力學指標表

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型建立

本次采用大型有限元程序ABAQUS分析[4-5]，主要模擬箱涵下穿商合杭高鐵橋對442#和443#橋墩的影響。計算過程中，土體、地下連續(xù)墻、砼支撐、鋼支撐、混凝土涵洞、商合杭高鐵橋墩和樁基礎等均采用三維實體單元模擬。連續(xù)墻按5 m一節(jié)劃分，計算模型順商合杭高鐵方向長100 m，橫橋向90 m，深度方向40 m，模型共計38 052單元、28 575節(jié)點。模型前后左右均為法向約束，模型底部為豎向加法向約束。計算模型見圖2和圖3。

圖2 整體模型圖

圖3 箱涵、支撐特樁基等模型圖 注：X為順橋向，高鐵橋里程方向為正；Z為沉降方向，以向上為正；Y為橫橋向，正向以右手定則確定。

2.2 模擬方案

模擬的開挖、支護共分10個步驟進行，工況劃分見表2。

表2 模型計算工況劃分表

2.3 模擬計算結果

2.3.1 橋墩墩頂位移

考慮到兩側橋墩對稱，選取443#橋墩墩頂進行分析，各工況下墩頂順橋向、橫橋向、沉降方向位移以及總位移值見表3。

表3 各工況下墩頂位移值 /mm

工況7下位移最大，計算模型見圖4，樁墩總位移云圖見圖5。

圖4 工況7計算模型圖

圖5 工況7樁墩總位移云圖

2.3.2 樁側摩阻力及軸力影響

443#橋墩在10種工況下的左下角基樁側摩阻力增幅較小，樁側摩阻力增量最大值不超過0.5 kN(工況7)，計算結果見圖6。

443#橋墩左下角在各工況下樁身軸力均出現(xiàn)一定程度的減小，軸力減小的幅度不超過-75 kN(工況7)，計算結果見圖7。

圖7 各工況下443#左下角樁身軸力增量隨深度變化曲線圖

3 結論與建議

通過三維數(shù)值計算，從計算分析結果來看，安徽省港口灣水庫工程佟李干渠穿高鐵段箱涵的施工對商合杭鐵路橋梁有一定的影響，但均未超出規(guī)范值。參考以上計算結果，總結如下：

1) 安徽省港口灣水庫工程佟李干渠新建工程采用連續(xù)墻圍護、明挖施工形式下穿商合杭鐵路，設計方案基本可行。

2) 通過三維有限元數(shù)值計算分析，安徽省港口灣水庫工程佟李干渠新建工程的施工及后期運營荷載引起的商合杭鐵路的橋墩變形、位移和沉降量均小于2 mm，滿足高鐵安全相關規(guī)范要求。

3) 根據(jù)《鐵路安全管理條例》，高鐵橋外側起向外各200 m范圍內(nèi)禁止抽取地下水，本次模擬計算未考慮地下水影響。考慮到本工程區(qū)域地下水豐富，⑤3砂礫卵石層為強透水層，本設計中高鐵橋支護段以外采用截滲墻進行防滲處理，與支護段連續(xù)墻相接。施工時，應確保截滲墻質(zhì)量，做到高鐵橋附近地下水位不因工程施工發(fā)生變化。