新建鐵路下穿對運營高鐵橋梁變形影響研究

解建超

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

1 概述

隨著我國新建工程下穿運營高鐵工程越來越多,而運營高鐵對工后變形較為敏感,為了確保高鐵運營的安全,已有許多學者進行相關研究。蔣小銳等基于珠三角新塘經白云機場至廣州北站城際鐵路區間隧道下穿武廣高鐵花都特大橋這一實際工程,探討隧道下穿高鐵工程的控制標準及施工控制措施,并結合軌道變形及車輛系統動力響應分析,研究施工期間高速鐵路限速運行措施[2];白蘭蘭結合軟土地區地鐵上部修建市政道路路基,提出輕質EPS聯合輕質U形槽的設計方案,對斷面形式、U形槽結構進行計算分析[2];徐俊娥以松軟土地基條件下市政道路以路塹U形槽下穿京津城際剛構橋為例,通過數值模型分析設計施工方案[3];夏春燕結合公路下穿京滬高鐵,通過ABAQUS模型分析新建道路樁板結構施工對高鐵樁基負摩阻力、樁身軸力和差異沉降的影響[4];儲胡照以市政道路下穿城際鐵路橋梁為例,采用“橋梁博士”對比分析采用高樁板方案和多跨門式剛構橋方案的彎矩分布[5];曾思坡對城市道路下穿運營高鐵橋梁采用樁板結構的方案進行分析,在樁基嵌入巖石的情況下,通過理論計算,分析新建道路荷載及車輛撞擊力對高鐵樁基承載力的影響[6];張磊結合鐵路下穿高速公路橋梁,在壓縮層較厚,但是有巖石地基的情況下,對比分析采用“雙側懸臂墻+復合地基”與樁基U形槽方案的優缺點[7-8];張文斌結合城際鐵路下穿杭甬高鐵橋梁,通過Midas/GTS有限元,研究了樁板結構及簡支梁兩種結構形式下穿對高鐵橋墩承載力和沉降的影響[9]。

不難看出,已有新建工程下穿高鐵橋梁大多以樁板結構或以橋梁結構形式下穿,而以U形槽下穿的情況較少,在已有研究成果的基礎上,結合工程實際,針對新建鐵路高填路堤下穿對高鐵橋梁變形影響進行研究。

2 工程概述

新建豆雙汊周聯絡線鐵路為Ⅰ級鐵路,下穿段津保高鐵橋梁為有砟鐵路,設計時速250km,相交角度為66°,該處高鐵梁跨為32m,梁底距地面高16.80m。受跨河跨路影響,下穿津保段線路縱斷面高程無法進一步降低,軌面距地面6.8m,擬采用路基形式通過。為減少對既有津保橋梁的影響,擬采取“鉆孔樁+U形槽”通過,該結構整體性強、施工工藝可靠、對土體擾動小[10-11]。U形槽采用C40鋼筋混凝土結構,側墻高4.8m,頂寬0.4m,底寬1.1m,底板寬12.1m,厚1.0m,U形槽底部采用C40鋼筋混凝土鉆孔灌注樁加固,鉆孔灌注樁與U形槽剛結,鉆孔灌注樁樁徑1.0m,設計樁長分別為25m、35m和45m,樁縱、橫向間距4.5m,線位中心與橋梁承臺最小間距7.3m(見圖1～圖3)。若采用EPS(密度為20～30kg/m3)進行路基填筑,可大幅減少上部結構荷載,但抗壓強度僅100～180kPa,且壓縮模量小,難以滿足鐵路運輸要求[12]。泡沫輕質混凝土作為一種輕質的路基填料,濕重度為600～700kg/m3,抗壓強度不小于1.0MPa,在幫寬既有高鐵路堤中得到大量應用[11]。以下分別采用普通路基填料和泡沫輕質混凝土填料進行對比研究。

圖1 下穿高鐵平面位置(單位:m)

圖2 下穿高鐵橫斷面(高程單位:m;其余:cm)

圖3 下穿高鐵現場

下穿位置地層由上至下主要為:①黏土:黃褐色,軟塑,σ0=90kPa;②粉質黏土:褐灰色,流塑,σ0=90kPa;③粉質黏土:灰黃色,軟塑,σ0=120kPa;④粉質黏土:黃褐色,軟塑,σ0=140kPa;⑤黏土:褐黃色,硬塑,σ0=140kPa;⑥粉質黏土:褐黃色,軟塑,σ0=160kPa;⑦黏土:黃褐色,軟塑,σ0=160kPa;⑧粉質黏土:黃褐色,軟塑,σ0=180kPa;⑨粉質黏土:黃褐色,硬塑,σ0=200kPa。

在深厚松軟土地區,新建鐵路下穿對既有鐵路橋的影響比較復雜,以下通過ABAQUS有限元軟件建立“鉆孔樁+U形槽”及既有橋梁三維模型,分別研究路堤樁基U形槽樁基設計長度為25m、35m、45m時,采用普通填料和輕質混凝土對既有高鐵橋梁的變形影響。計算中,初始位移為0,地基土和路基填料服從M-C非線性彈性變形規律,通過建立鐵路橋梁模型計算土層應力及位移,分析U形槽及軌道列車荷載作用下對鐵路橋梁的影響。

3 模型建立

3.1 材料參數

模型主要材料和地層力學參數見表1、表2。

表1 主要材料力學參數

表2 地層力學參數

模型計算中,地層彈性模量是影響計算結果的關鍵參數之一,彈性模量一般按壓縮模量的倍數選取,通過復核模量法沉降計算結果反推模型壓縮模量的倍數。

采用復合模量法計算地基變形,地基內的應力分布按各向同性均質線性變形體進行計算[13]。

式中,s為地基最終變形量/mm;s′為按分層總和法計算出的地基變形量;n為沉降計算深度范圍內所劃分的土層數;p0為路堤基底附加應力;zi、zi-1為路堤基底至第i層土 、第i-1層土底面的距離;ˉαi、ˉαi-1為路堤基底計算點至第i層土、第i-1層土底面范圍內平均附加應力系數;Ψs為沉降計算經驗系數,根據地區沉降觀測資料及經驗確定。

當數值模型采用3倍壓縮模量時,其計算結果與復核模量法計算結果對比見表3。

表3 路基沉降計算結果

由表3可知,地層彈性模量取3倍壓縮模量時,數值模型與復核模量法計算結果較為接近,故本次數值模型采用3倍壓縮模量。

3.2 模型尺寸

為保證計算模型的收斂性和準確性,斷面計算范圍為:橫向取U形槽邊墻外55m,沿線路方向取45m,地基土層厚70m。

圖4 模型尺寸(單位:m)

3.3 幾何模型

4 結果分析

4.1 U形槽及橋墩的沉降

圖7～圖9為U形槽沉降計算,從圖7～圖9可以看出,采用普通填料時,隨著樁長加長,樁基U形槽與周圍土體呈現出更強的整體下沉趨勢,樁長較短時,局部沉降更為明顯。U形槽自身沉降對比見表4。

圖5 模型網格

圖6 樁長25m模型

圖7 樁長25m時U形槽沉降云圖(單位:m)

圖8 樁長35m時U形槽沉降云圖(單位:m)

圖9 樁長45m時U形槽沉降云圖(單位:m)

從表4可以看出,不同設計樁長下,輕質混凝土填料可明顯減少U形槽自身沉降。隨著樁長的加長,沉降減小,更多的荷載傳遞到深層壓縮系數較低的土層。

表4 U形槽自身沉降 mm

普通填料與輕質混凝土填筑下,不同設計樁長時引起橋墩的附加沉降見表5。

表5 橋墩附加沉降 mm

從表5可以看出,采用輕質混凝土填料可降低鐵路對高鐵橋墩的沉降影響,樁長越短,輕質混凝土的作用越明顯,填筑輕質混凝土使橋墩沉降減小了38%～41%。TB10002.1-2017《鐵路橋涵設計規范》規定,設計時速250km及以上有砟軌道靜定結構墩臺基礎工后沉降限值為墩臺均勻沉降30mm,相鄰墩臺沉降差15mm[14]。采用普通填料時,橋墩附加沉降較大,樁長25m、35m時難以滿足差異沉降要求。樁長45m或采用輕質混凝土填料時,橋墩附加差異沉降為規范限值的40%～67%。樁長大于35m且采用輕質混凝土填筑時,附加差異沉降為規范限值的40%～53%。

TG/GW116—2013《高速鐵路有砟軌道線路維修規則》中軌道高低平順性規定見表6～表8[15]。

表6 軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值 mm

表8 橋墩豎向附加折角 rad

對于有砟軌道,假定軌道沿鐵路方向為無限長的柔性結構,當變形量較小時,軌道變形與橋面變形一致,可認為軌道變形控制與橋梁變形控制相同。據此可將軌道靜態高低偏差管理值轉換為容許折角[16]。

對比表7和表8,橋墩豎向附加折角小于作業驗收容許折角的50%。新建路基在兩橋墩的中心穿越,引起兩橋墩的附加沉降相同,故造成線路折角較小。

表7 軌道靜態幾何尺寸容許折角 rad

4.2 橋墩水平位移

TB10002.1—2017《鐵路橋涵設計規范》規定,設計時速200km及以上鐵路墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角不應大于1‰ rad,采用普通填料時,橋墩水平位移數值模擬計算見圖10～圖13。

圖10 樁長25m橋墩水平位移(單位:m)

圖11 樁長35m橋墩水平位移(單位:m)

圖13 橋墩水平位移變形(放大150倍)

從圖10～圖12可以看出,采用普通填料時,樁長25m、35m、45m時,根據線路交叉66°角度關系,計算得到,路堤及列車荷載作用下墩頂最大橫向附加位移分別為9.7mm、7.7mm、6.1mm;根據橋墩的橫向相對位移及簡支梁橋墩間距32m,計算得到樁長25m、35m、45m時,附加折角分別為 0.91‰ rad、0.72‰ rad、0.57‰ rad(均滿足規范限值1‰ rad)。不難看出,樁長由25m加長到35m時,墩頂橫向水平位移減小2mm;樁長由35m加長到45m時,墩頂橫向水平位移減小1.6mm。新建鐵路與既有高鐵的交叉角度為66°,橋墩沿高鐵線路橫向位移較小,而沿高鐵線路縱向位移較大。

圖12 樁長45m橋墩水平位移(單位:m)

TB10002.1—2017《鐵路橋涵設計規范》規定,有砟簡支橋梁的墩頂的順橋向水平變形量應滿足Δ≤采用普通填料時,樁長25m、35m、45m時,路堤及列車荷載作用下墩頂順橋向水平位移分別為21.7mm、17.3mm、13.7mm(均滿足規范限值28.3mm)。

從圖13可以看出,變形放大150倍后,U形槽自身產生沉降,并連同橋墩一起下沉,且橋墩發生了向U形槽方向的傾斜變形,橋梁的樁基發生了向U形槽方向的彎曲,因此造成橋墩樁基的軸力、彎矩重分布。

5 結論

(1)當路堤填筑較高時,順橋向位移和橫向位移較易滿足規范限制要求,而豎向差異沉降為主要控制因素。

(2)通過加大地基處理深度可減少對既有橋梁的影響,填筑普通填料時,樁長45m時較樁長25m時對橋墩附加豎向沉降可減少41%。

(3)采用輕質填料可降低對既有橋墩的影響,采用輕質混凝土填料可使橋墩的附加沉降減小38%～41%。

(4)樁長大于35m且采用輕質混凝土填筑時,附加差異沉降為規范限值的40%～53%。