鐵路路基下穿高速公路時支擋結構施工對鄰近橋墩的影響分析

陳孝義

(中鐵四院集團廣州設計院有限公司，廣東廣州 510600)

隨著國內交通網絡越來越密,相互交叉的工程建設會越來越多，對既有建筑物安全性保證研究已成為頭等大事，路基支擋結構的開挖必將引起周圍地基中地下水位和應力場的改變，導致周圍地基土體的變形，將對鄰近高速鐵路橋墩產生附加變形[1-2]。橋墩結構對變形和沉降尤為敏感，若變形或沉降超過允許值，講對既有高速公路運營安全產生影響。因此本文結合廣州樞紐東北貨車外繞線鐵路下穿增莞高速公路的案例，運用彈塑性有限差分方法，模擬鐵路路基支擋結構樁基施工對鄰近橋墩的影響[1-5]，以期得到一些有益的結論。

1 工程概況

1.1 施工內容

廣州樞紐東北貨車外繞線鐵路K57+120～+150段路基以路堤通過，地貌屬于沖積平原區谷地，地形較緩，地面標高一般3.1～3.8 m，相對高差0.5 m，區內交通較為便利。

鐵路路基里程K57+120～K57+150段約30 m下跨增莞高速，與增莞高速橋梁斜交通過，其中增莞高速為雙向四車道兩承臺四橋墩結構，公路與鐵路夾角約為50°，鐵路路肩標高為7.03 m，鐵路地基處理樁頂標高為2.53 m，其中K57+120～K57+150段為既有廣深III、IV線，既有路肩距橋臺約11 m，增莞高速梁底標高為17.5 m。

既有廣深III、IV線鐵路為四股道，在外側增建外繞線，為加寬填方路基，填方高約4～4.5 m，地基處理最近的鉆孔樁距既有樁基距離為4 m，為受限路基，設懸臂式樁基承臺擋墻收坡。懸臂式擋土墻基礎采用樁基承臺結構,樁基采用直徑1.0 m鉆孔灌注樁基礎，間距2.85 m。由圖1、圖2可知，圖中1號、2號樁離既有墩臺較近約4 m，其施工可能對墩臺造成影響，以下將對此進行分析。

圖1 路基下穿增莞高速公路支擋結構平面

圖2 路基下穿增莞高速公路支擋結構橫斷面

1.2 地層巖性及土層物理力學參數

場地主要地層巖性及土層物理力學參數從上至下如下所示：(1)0：Q4ml素填土，松散，巖土施工工程分級：I級；(2)0-1：Q4al+pl 淤泥質黏土，流塑，σo=80kPa；Ⅱ級；(2)1-3：Q4al+pl粉質黏土，可塑。σo=150kPa，Ⅲ級；(2)4-2：Q4al+pl細砂，飽和，稍密，σo=120kPa，Ⅰ級；(6)1-2：Edn含粉砂鈣質泥巖，強風化，σo=300kPa，Ⅳ級；(6)1-3：Edn含粉砂鈣質泥巖，弱風化，σo=400kPa，Ⅳ級。見表1。

表1 土層物理力學參數

2 數值建模

有限元軟件Midas/GTS是將通用的有限元分析內核與巖土結構的專業性要求有機地結合而開發的巖土與隧道結構有限元分析軟件。計算分析主要采用Midas/GTS中的應力分析模塊，主要分析路基支擋結構樁基施工對鄰近高速公路橋墩承臺與樁基受力和變形的影響。

2.1 模型建立

根據平面布置圖1及橫剖面圖2，建立三維有限元模型(圖3、圖4)，土層參數取值如表1所示，巖土體材料本構采用修正摩爾庫倫模型。墩柱上的橋梁荷載，采用22 000 kN的分布力等效代替。計算模型在X、Y兩個方向的兩側都施加水平約束，底部加豎向約束，頂面為自由面，不加約束。

圖3 三維有限元整體模型示意

圖4 三維有限元模型局部示意

2.2 荷載工況

計算過程中分別按1號樁鉆孔開挖施工與樁混凝土澆灌，2號樁鉆孔開挖施工與樁混凝土澆灌。數值計算過程如下。

2.2.1 1號樁鉆孔施工

采用鈍化1號樁鉆孔所在位置的土體單元來模擬挖孔，采用在孔壁施加沿深度線性增加的分布壓力來模擬泥漿護壁(圖5)。

圖5 1號樁鉆孔施工示意

2.2.2 1號樁混凝土澆灌

激活1號樁鉆孔所在位置的單元，并將單元材料屬性改為混凝土，以此來模擬1號樁混凝土澆灌(圖6)。

圖6 1號樁混凝土澆灌示意

2.2.3 2號樁鉆孔施工

采用鈍化2號樁鉆孔所在位置的土體單元來模擬挖孔，采用在孔壁施加沿深度線性增加的分布壓力來模擬泥漿護壁(圖7)。

圖7 2號樁樁鉆孔施工示意

2.2.4 2號樁混凝土澆灌

激活2號樁鉆孔所在位置的單元，并將單元材料屬性改為混凝土，以此來模擬2號樁混凝土澆灌(圖8)。

圖8 2號樁混凝土澆灌示意

3 計算結果

在鐵路路基支擋施工前，對模型場地進行地應力平衡和初始位移清零[6-8]，以分析支擋結構灌注樁施工對高速公路橋梁墩臺及樁基的影響。

3.1 原場地地應力平衡

原場地地應力平衡后豎向應力和位移清零見圖9、圖10。

圖9 地應力平衡后豎向應力

圖10 地應力平衡后位移清零

3.2 灌注樁施工對墩臺影響

墩臺最終水平向位移如圖11、圖12所示，由圖可知橋梁墩柱最大水平位移值約3.6 mm(Y向位移約3 mm，X向約1.9 mm)發生在墩柱頂部，位移方向朝著1號、2號鉆孔灌注樁方向。

圖11 橋梁墩臺Y方向位移

圖12 橋梁墩臺X方向位移

橋梁墩柱最終豎向位移如圖13所示，由圖可知最大豎向位移約1.3 mm，發生在承臺外緣(靠近鉆孔灌注樁側)，墩柱頂部豎向位移約1 mm。

圖13 橋梁墩臺最終豎向位移

4 結論

隨著相互交叉的工程建設日益增多，本文以廣州樞紐東北貨車外繞線鐵路下穿增莞高速公路的案例，結合土層參數，基于有限元Midas/GTS軟件建立了三維數值模型，研討了樁基開挖及混凝土灌注等因素對鄰近高速公路承臺樁的變形影響進行了分析計算，得到如下結論：

(1)通過三維有限元數值分析可知，距離最近的1號樁、2號樁開挖及混凝土灌注過程中引起增莞高速公路橋墩的最大水平位移及最大豎向位移及部位：①橋梁墩柱最大水平位移值約3.6 mm發生在墩柱頂部，位移方向朝1號、2號鉆孔灌注樁方向；②橋梁墩柱最大豎向位移約1.3 mm，發生在承臺外緣(靠近鉆孔灌注樁側)，墩柱頂部豎向位移約1 mm，說明支擋結構樁基施工對鄰近橋墩影響較小。

(2)后續施工過程中通過對既有橋墩的監測[9-10]，實際橋墩在最大水平位移為4.1 mm，最大豎向位移為1.8 mm，計算結果與現場實際情況符合，進一步印證了樁基施工引起附近的增莞高速公路橋墩的影響值較小。