市政橋梁下穿高鐵全過程數值模擬分析

邢耀飛

溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司 浙江 溫州 325000

引言

近年來城市軌道交通發展迅速，地鐵線路穿越高鐵橋梁的情況頻繁出現，盾構隧道穿越高鐵橋梁勢必會對高鐵運營產生一定影響。盾構下穿鐵路引起鐵路變形，導致線路不平順，道床不均勻沉降；因此應嚴格控制盾構施工對高速鐵路產生的變形。諸多學者對地鐵盾構隧道下穿高鐵橋梁已有部分研究并取得了一定的成果，但對近距離穿越高鐵橋梁樁基的研究還較少。

1 模型建立

本項目即將實施的市政橋梁位（20+30+20）連續梁，橋梁全長80m，橋面寬度合計約40m，為了減小對高鐵橋墩的影響，考慮在兩邊跨內設置施工便道。與本項目相交的高鐵橋墩有4個，最遠距離80余米，故本次模型所取計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算區域結構體范圍2倍以上，深度取到基巖層，邊界效應的影響滿足圣維南原理，模型模擬采用程序自動邊界約束，即底部約束全部平動位移，長寬面分別約束水平方向位移，網格劃分按照關鍵部位網格密，非關鍵部位逐漸稀疏的網格劃分原則，建立好的數值計算模型。設計時考慮全過程分析，考慮各個不同的施工階段的最不利影響，在數值模擬時考慮采用分階段驚醒模擬施工進程，根據橋梁一般施工習慣考慮如下施工階段劃分進行分析。施工階段劃分為：階段一，初始應力場計算；階段二，自平衡（本階段主要橋梁高鐵橋墩下部結構已運營多年，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，模擬橋梁承臺開挖并施工承臺及橋墩；階段六，模擬市政橋梁上部結構施工及成橋運營[1]。

2 位移場分析

隧道左側橋梁承臺位移主要為豎向沉降，在左右線隧道施工完成后達到最大，豎向位移最大值位于鄰近隧道側，為0.47mm，水平位移最大值為-0.40mm；隧道中間橋梁承臺位移主要為豎向沉降，在左右線隧道施工完成后達到最大，豎向位移在盾構到達前，由于土倉壓力作用，盾構對線路前方土體呈現一定的擠壓趨勢，一般情況下該趨勢在一定程度上導致樁體彎曲變形，但影響量較小；因土體受壓，在一定程度上側摩阻力有增大的趨勢，對樁體豎向受力（側摩阻力及樁端阻力）基本沒有影響；盾構到達時，由于土體開挖，樁周土體應力釋放，松弛后，導致樁體產生位移變形；由于管片的變形和注漿壓力的影響，樁體兩側受力不均，樁身體現為水平向遠隧道方向移動。因此，在盾構施工過程中要控制樁身位移及變形，土倉內壓力、掘進速度及出土速度的控制尤為關鍵[2]。

3 分析方法

為了更好地模擬施工過程對高鐵的影響，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值仿真模型進行施工階段的模擬計算，該項目土體計算取線路縱向為X軸、橫向為Y軸、豎向為Z軸。為盡量避免模型尺寸效應的影響，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連續、各項同性的假定基礎上進行的[3]。

4 模型地質參數

根據詳細勘察階段巖土工程勘察報告提供的巖土體及結構物理力學指標建議值，結合工程實際情況及與其他工程類比，對計算中所用到的巖土體與結構物理力學參數進行取值。其中，盾構管片彈性模量考慮管片連接對管片剛度的折減效應，取0.8的折減系數。支護結構物理力學參數，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，對全橋及土層建立三維實體有限元模型進行數值模擬計算，主要的計算過程簡化如下：①初始應力場的模擬：根據既有福廈高鐵資料，考慮不同的土體分層條件和重度，計算初始應力場分布；考慮了既有橋墩對初始應力場的影響。②連續介質的模擬：有限元數值計算中土體采用“修正摩爾－庫倫”土體彈塑性模型，樁基礎采用梁單元建立，樁單元與土體單元通過共節點耦合。③邊界條件的模擬：對計算土體的底面約束豎向z、橫橋向y與縱橋向x的位移，側面分別約束橫橋向y、縱橋向x的位移，地表為自由面。

6 計算結果及分析

左線區間施工縱向步距根據盾構管片的環寬按照1.50m進行開挖施工。根據有限元計算結果，地鐵區間施工期間，高鐵橋墩向區間開挖方向發生水平位移與沉降，地表以上355、356號橋墩發生最大沉降，沉降值為0.96mm，355、356號橋墩發生最大水平位移，位移值約0.3mm。根據計算結果，盾構區間地表沉降最大值為0.52mm，盾構管片結構拱頂沉降最大值為2.5mm，管片結構凈空收斂最大值為0.1%D（D為管片外徑）。經過施工階段數值模擬分析，高鐵橋樁結構變形及盾構區間變形滿足相關控制標準。

7 結束語

通過上述數值結果模擬全過程計算，市政橋梁施工及運營對高鐵橋的影響滿足相關規范要求。在施工過程中，應嚴格按“動態設計、信息法施工”的要求實施，對受影響的鐵路橋墩在下穿橋施工過程中實施全過程監測，如有異常及時停止施工并采取相應的措施。此外樁基的分析為靜力學分析，載施工橋梁樁基時，建議采取減少機械鉆孔過程中震動的措施，以免較大震動荷載對鐵路橋梁結構安全產生影響。