新建鐵路下穿京滬高鐵設計及影響分析

徐京海

(中國鐵路上海局集團有限公司,上海 200070)

1 概述

隨著我國高速鐵路不斷發展,新建工程與高鐵交叉的情況日益增多。結合穿越鐵路營業線工程的相關經驗,宜優先選擇在高速鐵路橋梁地段下穿,可采用路基、橋梁、樁板結構、U形槽等多種方案。

在下穿高鐵過程中,填土或開挖會引發相鄰已建成橋梁結構的附加沉降、土體水平位移、樁側負摩阻力等一系列問題。已有學者開展相關研究,孫宗磊等針對下穿京滬高鐵橋墩布置方案,采用有限元程序進行沉降影響分析[1];李耐振等對下穿高鐵的U形槽和樁板結構進行比較分析[2]。另外,下穿高速鐵路工程應按規定對設計方案進行專項咨詢[3-4]。不難看出,下穿高鐵工程必須進行合理的分析預判,以減小其對高速鐵路的影響和確保高鐵運營安全[5-9]。基于前人的研究,以新建連云港市-鎮江鐵路(以下簡稱連鎮鐵路)下穿京滬高鐵為例,對設計情況、影響分析及后期施工監測情況進行介紹。

2 設計情況

2.1 鐵路概況

連鎮鐵路左線、右線及京滬改線上行線、下行線共4處下穿京滬高鐵鎮江京杭運河特大橋引橋(見圖1)。京滬高速鐵路是我國高速鐵路主通道,設計速度為350km/h,無砟軌道。下穿工點位于直線段,線路縱坡為-4‰,線間距為5m,除連鎮鐵路左線交叉處為(32+48+32)m連續梁(跨滬寧城際鐵路及既有京滬鐵路)外,其余均為32m簡支箱梁,橋面寬13.4m,雙柱式橋墩,鉆孔樁基礎。受接滬寧城際丹徒站平面條件限制,連鎮鐵路只能以45°左右下穿京滬高鐵,采用樁板結構,相對位置關系見表1、表2。

表1 新建結構與京滬高鐵橋梁基礎平面距離關系

表2 新建結構與京滬高鐵橋梁基礎立面高差關系

圖1 連鎮鐵路下穿京滬高鐵平面

2.2 結構設計

樁板結構是一種地基處理形式,主要由鋼筋混凝土樁基、托梁、托板組成。上部荷載通過托板傳遞到樁基,樁基把荷載擴散到樁周土體或樁底巖層,從而達到控制沉降與變形的目的[10-11]。

樁板結構平面布置:總長度為京滬高鐵橋梁梁體水平投影邊線外20m,新建樁基距離既有高鐵橋梁樁基距離不小于6D(D為樁徑)[12],結構距離京滬高鐵承臺最小距離為2.18m。

樁板結構立面布置:為滿足新建鐵路下穿京滬高鐵限界要求,高鐵橋梁下凈高均大于8m,新建結構基本在既有橋承臺底高程以上,基坑開挖深度為0～2.5m。

樁板結構板頂寬7.6m,長82m,分4聯: (2-8+3-8+3-8+2-8)m;托板厚1.0m,托梁高1.5m,布置22根φ1.25m鉆孔樁(樁長30m),縱向間距為8m,橫向間距為4m。橋下地表水通過地表截水溝引出,京滬改線上、下行線下穿京滬高鐵的平立面見圖2、圖3(連鎮左線、連鎮右線下穿京滬高鐵樁板結構設計情況類似)。

圖2 京滬改線上、下行線下穿京滬高鐵平面(單位:cm)

圖3 京滬改線上、下行線下穿京滬高鐵立面(高程單位:m;其余:cm)

3 建模分析

有限元模型如圖4～圖6所示。計算模型中,土體、80號～82號高鐵橋墩和樁基礎、京滬改線樁基礎均采用實體單元模擬。模型共計337684個單元、340186個節點。順京滬鐵路方向為170m,橫橋向為140m,深度方向為90m。

圖4 有限元整體模型

圖6 土層分布

計算區域內,土層分布如圖7所示,分別為①1層素填土、④21層粉質黏土(硬塑,180kPa)、④22層粉質黏土(硬塑,200kPa)、④23層粉質黏土(軟塑,160 kPa)、④24層粉質黏土(硬塑,220kPa)、④11-1層黏土(硬塑,230kPa)、④25層粉質黏土(硬塑,240kPa)。土層及混凝土力學參數見表3。

圖5 樁板結構與京滬高鐵的相對位置

圖7 81號墩沉降變形計算結果

表3 各個土層及混凝土力學參數

為分析新建結構對京滬高速鐵路的影響,數值分析計算步驟如下。

步驟1:初始階段;

步驟2:樁基施工;

步驟3:新建結構托梁及附屬工程施工;

步驟4:通車運營。

樁板結構樁基礎施工階段,80號～82號墩變形如表4所示。80號、82號墩都是以順橋向水平變形和沉降為主,最大值分別為0.29mm、0.27mm;81號墩以沉降變形為主,最大值為0.22mm。

表4 樁基施工階段80號～82號橋墩變形值mm

新建結構托梁及附屬工程施工階段,80號～82號墩變形如表5所示。80號、82號墩都是以順橋向水平變形和沉降為主,最大值分別為0.57mm、0.52mm;81號墩以沉降變形為主,最大值為0.48mm。

表5 上部結構施工階段80號～82號橋墩變形值mm

通車運營階段,80號～82號墩變形如表6所示。在新建鐵路運營荷載作用下,既有橋墩變形進一步增大。80號、82號墩都是以順橋向水平變形和沉降為主,最大值分別為0.91mm、0.84mm;81號墩以沉降變形為主,最大值0.79mm。

表6 運營階段,京滬高鐵80號～82號橋墩變形值mm

4 施工監測

新建工程下穿高速鐵路施工及運營均會對既有高鐵基礎及上部結構產生影響,應加強對高速鐵路結構的變形監測,以保障高鐵運營安全[13-15]。施工期間,對京滬高鐵80號、81號橋墩的墩身沉降和墩身水平位移進行監測,分析下穿樁板結構施工對京滬高鐵的影響。施工前,先觀測、收集所有監測點基準數據,原地面降土施工期間(約15d),監測頻次為2次/d;鉆孔樁、托梁、托板施工期間(約2個月),監測頻次為4次/d;附屬施工期間(約1個月),監測頻次為1次/d;板樁結構完成后,延續監測1個月,直至沉降及平面位移變形趨于穩定,監測頻次為2次/周。

以81號墩為例,從2016年6月9日至2017年5月16日,沉降最大變化量均未超過預警值1mm(橫橋向和順橋向平面位移也均小于1mm)。81-1號監測數據與理論分析對比見表7,由表7可知,理論分析結果與實測值較為接近。沉降監測點各期累計沉降曲線見圖8,由圖8可知,監測期間各監測點未發生異常情況,京滬高鐵線路橋墩沉降變形量較小,樁板結構施工對京滬高鐵線路橋墩影響較小,均在安全可控范圍內。

表7 監測數據與理論分析對比

圖8 沉降觀測點81-1號曲線變化

5 結語

(1)新建工程與運營高鐵交叉采用樁板結構下穿高鐵,可有效減少新建結構對高鐵的影響。設計時應注意控制新建樁基與既有高鐵橋梁樁基距離,一般不宜小于6倍樁徑(視地質情況決定),新建結構至既有高鐵橋梁邊線距離不小于20m,并盡量減少開挖深度。

(2)通過三維有限元數值計算分析和現場監測,連鎮鐵路下穿京滬高鐵引起的高鐵橋墩頂部最大位移和沉降均小于1mm,滿足高鐵安全運營變形控制要求。

(3)數值計算分析采用的計算參數與現場實際情況很難完全一致,導致計算結果與實測值有0.2mm左右的差異,施工時應加強對高鐵結構的變形監測,以確保工程實施過程及完成后高速鐵路運營的安全。