軟土地區多孔框架涵頂進結構力學特性研究

楊青青，魏 琪

（1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市300302；2.中國鐵路設計集團有限公司，天津市300300）

0 引 言

隨著我國公路、鐵路網的日益發展完善，公鐵交叉現象日益頻繁。公鐵交叉節點作為一個薄弱環節，對公路和鐵路的工程設計、施工及后期的運營都有著很大的影響。

處理公鐵交叉問題時，我國大都優先考慮道路下穿鐵路方式。鐵路為路基段時采用框架涵型式最為常見，而頂進施工工藝是公路下穿鐵路路基工程的核心技術。

現階段國內外對于框架涵頂進技術和力學特性研究頗多。彭俊生等[1]利用有限元方法建立了板柱組合模型，進行了框架橋力學特性計算；陳佑新等[2]通過數值模擬方法，對箱涵結構頂進全過程進行了力學計算，得到箱涵各階段應力和變形情況；畢見山[3]分別對威海市珠海路、北京豐臺、石家莊槐安路等框架涵頂進施工進行了研究，通過Ansys軟件對大型箱涵頂進結構進行了模擬分析；謝富貴等[4]利用Marc，通過有限元計算表明框架涵頂進施工過程中涵底上緣和涵頂下緣為該結構薄弱環節，受拉應力較大；郭瑞等[5]結合廣東地區框架涵頂進結構，研究得到了淺覆土特長箱涵頂部與底部的受力隨著頂進長度和覆土厚度的增加而變大的力學規律。

綜上可知，隨著Abaqus、Midas、Ansys、Flac3D等有限元軟件的大量普及利用，采用數值模擬方法來研究多孔框架涵結構力學特性切實有效。然而綜合上述研究不難發現，現有研究大都集中于4孔及以下框架涵結構，而目前隨道路寬度日益增加，4孔及以下的框架涵已難以滿足需求。因此，有必要對多孔框架涵頂進結構進行更加深入的研究。另外，寧波地區軟土發育，地基含水量大、承載力較低，當前對于寧波軟土地區框架涵力學特性的研究較少。

因此，本文對寧波軟土地區的8孔框架涵結構進行力學特性分析，研究其頂進過程中結構的力學效應及對既有鐵路的影響，探求相應的力學規律，以更好地指導工程實踐。

1 工程概況

本文依托寧波市云臺山路下穿北侖鐵路線工程。云臺山路為寧波市重要規劃項目，是未來重要交通走廊。原云臺山路下穿既有鐵路為整體式3孔框架涵結構，跨度為3.54 m、9.9 m、3.54 m。為滿足道路擴寬需要，項目孔跨設計為3 m+5 m+8 m+8 m+8 m+8 m+5 m+8 m的8孔框架涵結構。

2 模型建立

2.1 基本假定

在本次有限元力學模型建立中作如下假定：

（1）根據該地區地質資料，土體大致為水平成層分布。

（2）土體、框架涵結構均為各向同性，土體利用彈塑性材料模擬，混凝土結構采用彈性材料模擬。

（3）初始應力為土體自重。

（4）鉆孔灌注樁通過圍護墻模型模擬，圍護墻采用板單元，支撐和立柱采用梁單元。

2.2 模型建立

本文按照工程實際采用8孔框架進行建模，模型區域為計算主層區域頂進方向（橫向）200 m，垂直方向200 m，豎向90 m。

參照工程地質報告資料，該地區由上到下分別分布粉質黏土、淤泥、淤泥質黏土、黏土；框架涵結構參數根據設計圖紙選取。云臺山路下穿北侖線框架涵尺寸圖見圖1。

圖1 云臺山路下穿北侖線框架涵尺寸圖（單位：m）

明挖基坑根據設計圖紙采用深5.2 m；鐵路路基結構根據鐵路路基設計規范選取，并采用中-荷載模擬列車荷載。列車中-荷載示意圖見圖2。

圖2 列車中-荷載示意圖

2.3 工況設計

為研究8孔框架涵結構頂進過程中的頂進孔數及底層防護措施對既有鐵路變形的影響，設計工況如下：

本實驗通過查閱文獻發現，豆蔻、白術的揮發性成分，丹參的脂溶性成分、水溶性酚酸類成分，大黃的蒽醌類化合物及其衍生物，炙甘草的三萜類、黃酮類和多糖類成分，山藥的多糖、氨基酸、微量元素等成分，均具有改善腎功能、調節胃腸功能、改善微循環、免疫調節和抗炎作用，因此，根據各味藥所含成分的水溶性及相關藥理作用，實驗設計了3種工藝路線，以此篩選JYP的最佳制備工藝。

工況1：頂進單孔（#5）。

工況2：頂進3孔（#1、#5、#8）。

工況3：頂進4孔（#1、#3、#5、#8）。

工況4：頂進7孔（#1、#2、#3、#5、#6、#7、#8）。

工況5：頂進8孔。

工況6：頂進后底層加設防護樁。

3 框架涵頂進對既有鐵路位移的影響

根據有限元數值模擬，框架涵頂進過程中，既有鐵路位移計算結果見表1。

由表1可知：

表1 框架涵頂進過程中既有鐵路位移數值計算表單位：mm

（2）軌道和鋼軌各向位移基本保持穩定。

（3）8孔及更大孔數框架涵對既有鐵路位移影響可控，具備施工條件。

（4）頂進后隨著底部樁基的加固處理，軌道和鋼軌的位移特性有了進一步的改善。

（5）分析位移分布可知：軌道結構位移由中心向兩側降低；鋼軌垂向位移由框架涵中心向兩側逐漸增加，需對框架涵中心處鋼軌加以重視；鋼軌和軌道縱向位移最大值出現在框架涵和縱向相鄰土體的連接部分，因此需要對連接處進行沉降監測和加固處理。

4 框架涵頂進過程框架涵的力學特性

對框架涵頂進過程各工況進行有限元計算，得到框架涵應力及位移計算結果，見表2。

表2 框架涵頂進過程中框架涵力學特性計算表

由表2可知：

（1）隨著頂進孔數的增加，框架涵內部垂向及橫向應力減少、縱向應力基本不變。

（2）頂進后的底部加固處理可以有效降低框架涵結構各向位移水平，具有一定必要性。

（3）分析頂進后框架涵力學特性分布可知，垂向應力、縱橫向位移于框架涵兩側產生集中，縱向應力于框架涵底板處較大，而橫向應力集中于框架涵各孔間交界處，需要對以上薄弱部位進行重點監測及加固處理。

5 結 語

（1）隨著頂進孔數增加，鐵路軌道及鋼軌各項位移變化較小，框架涵垂向、橫向應力有所降低。

（2）頂進過程中，框架涵中部鋼軌、框架涵與鐵路路基連接處、框架涵底板及各孔連接處產生應力集中，需重點考慮。

（3）頂進后框架涵底板加固可以很好改善軌道及框架涵力學響應。

（4）頂進孔數不作為制約框架涵力學特性的根本因素，更大規模框架涵結構在理論上可行。