滬通鐵路路基下穿京滬高速鐵路橋梁施工影響分析

謝浩

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

滬通鐵路作為“八縱八橫”高速鐵路主通道之一“沿海通道”的重要組成部分［1-2］，其線路多次下穿京滬高速鐵路、滬寧城際鐵路等運(yùn)營高速鐵路。下穿運(yùn)營高速鐵路施工不僅會改變既有鐵路基礎(chǔ)的應(yīng)力和變形分布，還會導(dǎo)致工程施工難度加大，對新建鐵路的應(yīng)力和變形狀態(tài)也會產(chǎn)生影響，因而大大增加了此類工程的安全風(fēng)險。因此，在建設(shè)過程中須要重點(diǎn)解決新建鐵路施工安全和既有高速鐵路運(yùn)營安全相互矛盾的問題［3］。

針對上述問題，國內(nèi)已積累了部分相關(guān)研究成果。李番［4］通過對鉆孔樁施工過程進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，得出附近土體應(yīng)力、土體水平和豎向位移等計(jì)算值的發(fā)展趨勢與實(shí)測值基本一致。耿傳飛［5］采用有限元法模擬鉆孔施工引起周圍土體應(yīng)力變化，并根據(jù)土體應(yīng)力沿深度變化規(guī)律，探討了不同鉆孔順序下橋梁施工對既有橋的影響。李智彥等［6］采用數(shù)值模擬研究鉆孔灌注樁在各步施工工序下對周圍土體應(yīng)力和變形的影響，指出基礎(chǔ)開挖步是核心風(fēng)險源，并提出在既有橋樁結(jié)構(gòu)周圍土體進(jìn)行注漿加固。馬文琪等［7］運(yùn)用FLAC3D 軟件分析隧洞與鉆孔灌注樁樁間距、樁長對既有隧洞變形的影響規(guī)律，得出隧洞豎向位移與樁間距大致呈線性變化，樁長的變化對隧洞的影響表現(xiàn)出有峰頂?shù)碾p段線，樁底高程宜避免位于隧洞拱頂與拱底之間；陳聰?shù)龋?］對地鐵隧道下穿既有鐵路橋梁進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，結(jié)果表明采用注漿加固和隔離樁防護(hù)可有效控制地表沉降和樁基位移。

本文以滬通鐵路安亭下行疏解線新建路基下穿運(yùn)營京滬高速鐵路為工程實(shí)例，采用ABAQUS 軟件進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，研究滬通鐵路新建路基施工全過程對京滬高速鐵路的影響。

1 工程概況

新建滬通鐵路安亭下行疏解線采用單線有砟軌道路基，設(shè)計(jì)時速200 km，于DK131+063.94—DK131 +144.94段下穿運(yùn)營京滬高速鐵路，臨近453#墩、454#墩（運(yùn)營里程K1285+370—K1285+403，設(shè)計(jì)時速350 km無砟軌道橋梁結(jié)構(gòu)），夾角約62°，與京滬高速鐵路橋墩承臺最小凈距離2.2 m，如圖1所示。下穿地段京滬高速鐵路橋梁基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)（10根），樁徑1.0 m，樁長55～57 m。滬通鐵路新建路基采用樁板結(jié)構(gòu)加固，樁長40 m，樁徑0.8 m，如圖2所示。

圖1 下穿地段平面位置示意（單位：m）

圖2 下穿地段地基加固措施（單位：m）

2 計(jì)算模型與參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

采用ABAUQS 軟件建立下穿地段的三維數(shù)值模型［9-11］。滬通鐵路安亭下行疏解線與京滬高速鐵路斜交，考慮最不利狀態(tài)和建模方便，計(jì)算模型以最近的距離（2.2 m）與既有京滬高速鐵路路線垂直下穿，如圖3所示。

圖3 安亭下行疏解線下穿京滬高速鐵路三維有限元模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

土體的應(yīng)力應(yīng)變通常具有非線性、彈塑性、剪脹性、各向異性等特性，其本構(gòu)關(guān)系是有限元分析的核心。為使模擬計(jì)算更精確的同時減小計(jì)算量，本文選用HS 硬化模型（Hardening Soil Model）模擬開挖影響較大的淺層土體；開挖影響較小的深層土體采用摩爾庫倫模型模擬；樁板結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用線彈性模型，彈性模量取28 GPa，泊松比取0.167。計(jì)算參數(shù)見表1、表2。

表1 淺層土體HS硬化模型參數(shù)

表2 深層土體摩爾庫倫模型參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 樁基施工對京滬高速鐵路的影響分析

樁基施工主要包括樁孔開挖和混凝土澆筑。

3.1.1 樁基施工對京滬高速鐵路橋墩的影響

受樁孔開挖應(yīng)力釋放的影響，京滬高速鐵路橋墩墩身發(fā)生水平位移和沉降，而在鉆孔澆筑結(jié)束后，墩身變形基本恢復(fù)至施工前的狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果見表3。可知，樁孔開挖階段最大水平位移均發(fā)生在墩底，京滬高速鐵路453#，454#橋墩最大水平位移分別為0.410，0.526 mm。樁孔開挖階段兩墩沉降差最大為1.704 mm，鉆孔樁混凝土澆筑階段沉降差最大為0.092 mm。

表3 樁基施工階段京滬高速鐵路橋墩變形

TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，無砟軌道相鄰橋墩沉降差不應(yīng)大于5 mm；鐵運(yùn)〔2012〕83號《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》規(guī)定，250（不含）～350 km/h線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差經(jīng)常保養(yǎng)值不應(yīng)超過4 mm，即新建路基施工造成既有京滬高速鐵路橋墩水平和豎向變形不應(yīng)超過4 mm。由此可知，樁基施工階段，對京滬高速鐵路橋墩變形的影響滿足規(guī)范要求。

3.1.2 樁基施工對京滬高速鐵路橋面板的影響

由于相鄰兩橋墩發(fā)生差異沉降，橋面板發(fā)生向453#橋墩的傾斜。鉆孔樁樁孔開挖、混凝土澆筑時京滬高速鐵路橋面板坡率分別為0.054%，0.003%。根據(jù)TB 10002—2017 規(guī)定，無砟軌道橋梁相鄰墩臺梁端水平折角不應(yīng)大于1%rad，該橋面板坡率遠(yuǎn)低于規(guī)范限值。

3.1.3 樁基施工對京滬高速鐵路樁基礎(chǔ)的影響

愛美之心人皆有之。在當(dāng)今社會中，越來越多的青少年喜歡使用唇膏、指甲油、粉底液、眉筆等化妝品來打扮自己。卻不知道，化妝品作為一種日用品，含有多種添加劑，可導(dǎo)致青少年性早熟、身材矮小等多種內(nèi)分泌疾病。

選取京滬高速鐵路453#橋墩下靠近滬通鐵路新建路基一側(cè)的單樁進(jìn)行分析，樁位如圖4 所示。滬通鐵路樁基施工過程中樁基礎(chǔ)的水平位移見圖5。

圖4 分析樁位示意

圖5 樁基施工階段京滬高速鐵路橋墩樁基礎(chǔ)水平位移

由圖5 可知，樁孔開挖時京滬高速鐵路樁基礎(chǔ)發(fā)生向孔內(nèi)的水平位移，最大為0.45 mm，而鉆孔樁混凝土澆筑施工完成后，京滬高速鐵路樁基礎(chǔ)變形基本恢復(fù)。受泥漿護(hù)壁作用的影響，淺部樁周應(yīng)力釋放小于樁底，使得京滬高速鐵路樁基礎(chǔ)在該深度（新建樁基礎(chǔ)樁底深度）附近發(fā)生最大水平位移。

綜上，樁孔開挖過程中，地基樁周土體水平方向會產(chǎn)生一定的松弛，將對地基樁周一定范圍內(nèi)土體和結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生影響，混凝土澆筑過程則逐漸抵消了這部分影響。

3.2 筏板施工對京滬高速鐵路的影響分析

筏板施工主要包括筏板基坑開挖和筏板混凝土澆筑。

3.2.1 筏板施工對京滬高速鐵路橋墩的影響

筏板施工階段京滬高速鐵路橋墩變形見表4。受筏板基坑開挖應(yīng)力釋放的影響，京滬高速鐵路橋墩墩身發(fā)生向坑內(nèi)的水平位移和沉降，而在筏板混凝土澆筑結(jié)束后，橋墩變形基本恢復(fù)。筏板基坑開挖階段相鄰橋墩沉降差最大為2.511 mm，筏板混凝土澆筑階段沉降差最大為0.658 mm。可見，筏板施工階段變形較樁基施工階段更為明顯，但仍能滿足TB 10002—2017和鐵運(yùn)〔2012〕83號的要求。

表4 筏板施工階段京滬高速鐵路橋墩變形

3.2.2 筏板施工對京滬高速鐵路橋面板的影響

筏板施工階段基坑開挖、混凝土澆筑時京滬高速鐵路橋面板因橋墩差異沉降引起的坡率分別為0.079%，0.021%，遠(yuǎn)低于TB 10002—2017限值。

3.2.3 筏板施工對京滬高速鐵路樁基礎(chǔ)的影響

筏板基坑開挖階段坑底土體應(yīng)力釋放向上隆起變形，周圍土體發(fā)生向坑內(nèi)的水平位移，引起京滬高速鐵路橋墩樁基礎(chǔ)發(fā)生水平位移，最大水平位移發(fā)生位置受應(yīng)力擴(kuò)散的影響稍低于坑底深度，位于樁頂以下3～5 m 深度內(nèi)，為1.801 mm，見圖6。筏板混凝土澆筑施工完成后，京滬高速鐵路樁基礎(chǔ)變形基本恢復(fù)。

圖6 筏板施工階段京滬高速鐵路橋墩樁基礎(chǔ)水平位移

綜上，筏板基坑的開挖對運(yùn)營京滬高速鐵路的影響與樁基施工相似，存在土體的應(yīng)力釋放，對附近土體的應(yīng)力、應(yīng)變、位移產(chǎn)生影響。不同的是，筏板基坑開挖雖然深度較淺但是面積較大，影響范圍深度較為集中，筏板混凝土澆筑后的土壓力增大比樁基施工階段要明顯。

3.3 路基填筑施工對京滬高速鐵路的影響分析

路基填筑施工相當(dāng)于對運(yùn)營京滬高速鐵路附近地基進(jìn)行加載，其產(chǎn)生的附加壓力會導(dǎo)致地基土體應(yīng)力、位移產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響京滬高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)。

3.3.1 路基填筑施工對京滬高速鐵路橋墩的影響

路基填筑施工階段京滬高速鐵路橋墩變形見表5。可知，在填土荷載作用下京滬高速鐵路相鄰橋墩沉降差最大為1.867 mm。水平變形和相鄰橋墩差異沉降較樁基施工階段更為明顯，但小于筏板基坑開挖階段；豎向變形稍大于筏板施工階段，滿足TB 10002—2017和鐵運(yùn)〔2012〕83號的要求。

表5 路基填筑施工階段京滬高速鐵路橋墩變形

3.3.2 路基填筑施工對京滬高速鐵路橋面板的影響

經(jīng)分析計(jì)算，路基填筑施工階段京滬高速鐵路橋面板因橋墩差異沉降引起的橋面板坡率最大為0.059%，遠(yuǎn)低于TB 10002—2017限值。

3.3.3 路基填筑施工對京滬高速鐵路樁基礎(chǔ)的影響

路基填筑施工過程中京滬高速鐵路橋墩樁基礎(chǔ)水平位移見圖7。可知，最大水平位移發(fā)生在距樁頂約41 m 深度處（新建樁基礎(chǔ)樁底深度處），為0.482 mm，稍大于樁孔開挖階段，小于筏板基坑開挖階段。

圖7 路基填筑施工階段京滬高速鐵路橋墩樁基礎(chǔ)水平位移

4 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為確保京滬高速鐵路在施工階段的運(yùn)營安全，驗(yàn)證理論數(shù)值分析的可靠性，施工過程中針對453#墩、454#墩的沉降進(jìn)行了全過程監(jiān)測，結(jié)果見圖8。新建路基于2015年5月17開始施工準(zhǔn)備，6月6日—9月24日為樁基施工階段，453#墩、454#墩沉降先增大后減小，最大沉降分別為 1.004，0.547 mm；9 月 25 日—12 月 3 日為筏板施工階段，453#墩、454#墩沉降先增大后減小，最大沉降分別為2.057，0.835 mm；12月3日—1月8日為路基填筑施工階段，453#墩、454#墩沉降逐漸增大，施工完成后趨于平緩，最大沉降分別為1.961，1.122 mm。453#墩和454#墩在施工各階段的沉降變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果基本接近，但沉降最大值較數(shù)值模擬結(jié)果偏小。這表明數(shù)值模擬結(jié)果基本可靠，但略偏于保守。

圖8 京滬高速鐵路橋墩施工階段沉降監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

1）下穿地段樁基施工、筏板施工和路基填筑施工均會對運(yùn)營京滬高速鐵路橋墩產(chǎn)生一定影響，施工全過程中橋墩水平位移、沉降和相鄰橋墩沉降差理論上最大值分別為2.484，3.798，2.511 mm，均滿足《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》的要求。

2）京滬高速鐵路橋面板坡率受新建路基施工影響程度較小，遠(yuǎn)低于規(guī)范限值。

3）樁孔開挖階段受泥漿護(hù)壁作用的影響，淺部樁周應(yīng)力釋放小于樁底，京滬高速鐵路樁基礎(chǔ)最大水平位移發(fā)生在新建路基樁底深度附近；筏板開挖階段，京滬高速鐵路樁基礎(chǔ)最大水平位移發(fā)生位置受應(yīng)力擴(kuò)散的影響稍低于坑底深度，位于樁頂以下3 ～5 m深度范圍內(nèi)；路基填筑階段，京滬高速鐵路樁基礎(chǔ)最大水平位移發(fā)生在新建路基樁底深度處，這是由于樁基和筏板施工完成后加固區(qū)剛度遠(yuǎn)大于下臥層，地基變形主要通過下臥層傳遞。

4）筏板基坑開挖對京滬高速鐵路橋墩和樁基礎(chǔ)的水平變形影響最為顯著，路基填筑對京滬高速鐵路橋墩沉降的影響更加明顯。

5）鉆孔樁和筏板混凝土澆筑階段，京滬高速鐵路橋梁和樁基礎(chǔ)變形基本恢復(fù)，表明鉆孔樁和筏板混凝土澆筑可有效抵消樁孔開挖和筏板基坑開挖對京滬高速鐵路橋梁、樁基礎(chǔ)的不利影響。

6）453#墩和454#墩在施工各階段的沉降變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果基本接近，但沉降最大值較數(shù)值模擬結(jié)果偏小，數(shù)值模擬結(jié)果基本可靠，但略偏于保守。