市政橋梁下穿高鐵全過程數(shù)值模擬分析

邢耀飛

溫州市鐵路與軌道交通投資集團(tuán)有限公司 浙江 溫州 325000

引言

近年來城市軌道交通發(fā)展迅速，地鐵線路穿越高鐵橋梁的情況頻繁出現(xiàn)，盾構(gòu)隧道穿越高鐵橋梁勢必會(huì)對(duì)高鐵運(yùn)營產(chǎn)生一定影響。盾構(gòu)下穿鐵路引起鐵路變形，導(dǎo)致線路不平順，道床不均勻沉降；因此應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)施工對(duì)高速鐵路產(chǎn)生的變形。諸多學(xué)者對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿高鐵橋梁已有部分研究并取得了一定的成果，但對(duì)近距離穿越高鐵橋梁樁基的研究還較少。

1 模型建立

本項(xiàng)目即將實(shí)施的市政橋梁位（20+30+20）連續(xù)梁，橋梁全長80m，橋面寬度合計(jì)約40m，為了減小對(duì)高鐵橋墩的影響，考慮在兩邊跨內(nèi)設(shè)置施工便道。與本項(xiàng)目相交的高鐵橋墩有4個(gè)，最遠(yuǎn)距離80余米，故本次模型所取計(jì)算模型尺寸為長寬高分別為200m×150m×50m，長度與寬度超出核心計(jì)算區(qū)域結(jié)構(gòu)體范圍2倍以上，深度取到基巖層，邊界效應(yīng)的影響滿足圣維南原理，模型模擬采用程序自動(dòng)邊界約束，即底部約束全部平動(dòng)位移，長寬面分別約束水平方向位移，網(wǎng)格劃分按照關(guān)鍵部位網(wǎng)格密，非關(guān)鍵部位逐漸稀疏的網(wǎng)格劃分原則，建立好的數(shù)值計(jì)算模型。設(shè)計(jì)時(shí)考慮全過程分析，考慮各個(gè)不同的施工階段的最不利影響，在數(shù)值模擬時(shí)考慮采用分階段驚醒模擬施工進(jìn)程，根據(jù)橋梁一般施工習(xí)慣考慮如下施工階段劃分進(jìn)行分析。施工階段劃分為：階段一，初始應(yīng)力場計(jì)算；階段二，自平衡（本階段主要橋梁高鐵橋墩下部結(jié)構(gòu)已運(yùn)營多年，在初始階段已考慮該部分，本階段位移清零以不考慮殘余變形的影響）；階段三，便道施工，并考慮便道車道荷載（采用10KPa）；階段四，模擬市政橋梁樁基施工；階段五，模擬橋梁承臺(tái)開挖并施工承臺(tái)及橋墩；階段六，模擬市政橋梁上部結(jié)構(gòu)施工及成橋運(yùn)營[1]。

2 位移場分析

隧道左側(cè)橋梁承臺(tái)位移主要為豎向沉降，在左右線隧道施工完成后達(dá)到最大，豎向位移最大值位于鄰近隧道側(cè)，為0.47mm，水平位移最大值為-0.40mm；隧道中間橋梁承臺(tái)位移主要為豎向沉降，在左右線隧道施工完成后達(dá)到最大，豎向位移在盾構(gòu)到達(dá)前，由于土倉壓力作用，盾構(gòu)對(duì)線路前方土體呈現(xiàn)一定的擠壓趨勢，一般情況下該趨勢在一定程度上導(dǎo)致樁體彎曲變形，但影響量較小；因土體受壓，在一定程度上側(cè)摩阻力有增大的趨勢，對(duì)樁體豎向受力（側(cè)摩阻力及樁端阻力）基本沒有影響；盾構(gòu)到達(dá)時(shí)，由于土體開挖，樁周土體應(yīng)力釋放，松弛后，導(dǎo)致樁體產(chǎn)生位移變形；由于管片的變形和注漿壓力的影響，樁體兩側(cè)受力不均，樁身體現(xiàn)為水平向遠(yuǎn)隧道方向移動(dòng)。因此，在盾構(gòu)施工過程中要控制樁身位移及變形，土倉內(nèi)壓力、掘進(jìn)速度及出土速度的控制尤為關(guān)鍵[2]。

3 分析方法

為了更好地模擬施工過程對(duì)高鐵的影響，基于有限元理論，采用巖土工程Midas GTS通用軟件建立了三維數(shù)值仿真模型進(jìn)行施工階段的模擬計(jì)算，該項(xiàng)目土體計(jì)算取線路縱向?yàn)閄軸、橫向?yàn)閅軸、豎向?yàn)閆軸。為盡量避免模型尺寸效應(yīng)的影響，基本分析模型的總尺寸定義為縱向（X）×橫向（Y）×豎向（Z）=180m×120m×80m，本模型是建立在同一土層是均質(zhì)連續(xù)、各項(xiàng)同性的假定基礎(chǔ)上進(jìn)行的[3]。

4 模型地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察報(bào)告提供的巖土體及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)指標(biāo)建議值，結(jié)合工程實(shí)際情況及與其他工程類比，對(duì)計(jì)算中所用到的巖土體與結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值。其中，盾構(gòu)管片彈性模量考慮管片連接對(duì)管片剛度的折減效應(yīng)，取0.8的折減系數(shù)。支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)，C50鋼筋混凝土重度25kN/m3，彈性模量E=27.6GPa，泊松比μ=0.20。

5 施工過程模擬

通過施工階段的分析，對(duì)全橋及土層建立三維實(shí)體有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，主要的計(jì)算過程簡化如下：①初始應(yīng)力場的模擬：根據(jù)既有福廈高鐵資料，考慮不同的土體分層條件和重度，計(jì)算初始應(yīng)力場分布；考慮了既有橋墩對(duì)初始應(yīng)力場的影響。②連續(xù)介質(zhì)的模擬：有限元數(shù)值計(jì)算中土體采用“修正摩爾－庫倫”土體彈塑性模型，樁基礎(chǔ)采用梁單元建立，樁單元與土體單元通過共節(jié)點(diǎn)耦合。③邊界條件的模擬：對(duì)計(jì)算土體的底面約束豎向z、橫橋向y與縱橋向x的位移，側(cè)面分別約束橫橋向y、縱橋向x的位移，地表為自由面。

6 計(jì)算結(jié)果及分析

左線區(qū)間施工縱向步距根據(jù)盾構(gòu)管片的環(huán)寬按照1.50m進(jìn)行開挖施工。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，地鐵區(qū)間施工期間，高鐵橋墩向區(qū)間開挖方向發(fā)生水平位移與沉降，地表以上355、356號(hào)橋墩發(fā)生最大沉降，沉降值為0.96mm，355、356號(hào)橋墩發(fā)生最大水平位移，位移值約0.3mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，盾構(gòu)區(qū)間地表沉降最大值為0.52mm，盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)拱頂沉降最大值為2.5mm，管片結(jié)構(gòu)凈空收斂最大值為0.1%D（D為管片外徑）。經(jīng)過施工階段數(shù)值模擬分析，高鐵橋樁結(jié)構(gòu)變形及盾構(gòu)區(qū)間變形滿足相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)束語

通過上述數(shù)值結(jié)果模擬全過程計(jì)算，市政橋梁施工及運(yùn)營對(duì)高鐵橋的影響滿足相關(guān)規(guī)范要求。在施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格按“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息法施工”的要求實(shí)施，對(duì)受影響的鐵路橋墩在下穿橋施工過程中實(shí)施全過程監(jiān)測，如有異常及時(shí)停止施工并采取相應(yīng)的措施。此外樁基的分析為靜力學(xué)分析，載施工橋梁樁基時(shí)，建議采取減少機(jī)械鉆孔過程中震動(dòng)的措施，以免較大震動(dòng)荷載對(duì)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。