框構橋頂進施工對鄰近構造物的影響研究

葛德書

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

隨著我國經濟的快速發展，城市規模不斷擴大，現有的城市交通網絡已不適應發展需求，尤其是既有鐵路限制了城市發展布局，需采用上跨或下穿方式實現鐵路兩側的連通。受城市發展規劃及周邊建筑物等的限制，框構橋、U型槽等下穿方案更為符合實際需求，但框構橋、U型槽的修建會對既有鐵路路基或橋梁產生不利影響，為確保既有鐵路線路的安全運營，使用科學方法分析其影響成為項目決策的前置條件。通過實證研究，為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

焦作市東海大道位于焦作市城區東部，道路呈南北走向，北起焦輝路(國道207)，南至S104(國道327)，線路全長20.08km，規劃為城市主干路，是焦作市規劃三環路的重要組成部分，承擔焦作市的貨運交通和過境交通。道路標準橫斷面為四幅路型式，具體斷面布置形式為：5m人行道及非機動車道+4.5m邊綠化帶+15m機動車道+7m中央分隔帶+15m機動車道+4.5m邊綠化帶+5m人行道及非機動車道。

東海大道于K6+852處與鄭焦鐵路交叉，鄭焦鐵路里程K58+974.4，交角為86.1°。于K6+822.7處與既有新焦線交叉，既有新焦線里程K0+842.7，交角為85.3°。既有新焦線為雙線電氣化鐵路，軌道為60kg/m鋼軌，無縫線路，Ⅲ型鋼筋混凝土軌枕(1667根/km)。既有新焦線為繁忙鐵路干線，工程位于修武-待王區間，該區間每日開行客車5對，貨車142對，其中旅客列車最高時速120km/h。框架橋處新焦上行K47+717.2位于直線段，線路縱坡為焦作方向(大里程方向)3.6‰的上坡，新焦下行K47+717.2位于直線段，線路縱坡為焦作方向(大里程方向)3.9‰的上坡。

東海大道下穿既有新焦線采用框架橋頂進施工，既有新焦線框架橋工作基坑位于既有新焦線北側，基坑外緣至鄭焦鐵路距離約40m，且中間相隔既有新焦線鐵路路基，東海大道下穿鄭焦鐵路采用U型槽。新焦鐵路、鄭焦鐵路、框構橋及U型槽的平面位置關系見圖1，立面位置關系見圖2。

圖1 新焦鐵路、鄭焦鐵路、框構橋及U型槽的平面位置關系圖(單位：m)

圖2 新焦鐵路、鄭焦鐵路、框構橋及U型槽的立面位置關系圖(單位：m)

框構橋頂進施工前，需于鄭焦鐵路北側開挖工作基坑，基坑四周設置止水帷幕，并沿橋梁兩側各200m范圍內設置止水帷幕，配合橋下注漿的方式在基坑周圍形成閉合止水墻配合混凝土封底進行止水處理。基底混凝土封底完成后進行頂進滑板、后背墻、后背樁及框架主體的施工。基坑防水及基地處理見圖3。

圖3 基坑防水及基地處理示意圖

設計框架橋涵共計三部分：主體采用14.5m+(18.15+18.15)m+11m三孔布置框架橋。箱體銳角為86°。工作坑設置在線路北側，由北向南頂進施工。框架頂板厚為1.05m，底板厚為1.25m，邊墻厚為1.05m，中墻厚為1.2m。框架凈高的確定考慮道路使用高度、箱體加肋影響、道路縱橫坡影響、道路路面厚度、道路下埋設管線影響和頂進誤差等因素，按7.5m設計。橋下道路使用凈高不小于5.5m，框架總高9.8m。框架橋沿鐵路方向總長為72.86m，沿道路中線方向總長16.05m，鐵路軌底距框架頂板頂面最小距離為0.8m(含保護層厚度)[1-3]。頂進框架橋具體尺寸見圖4。

注：除高程單位為m，其余單位為cm

2 施工過程

項目的施工可分為兩個部分，即框構橋頂進和U型槽施工。框構橋的施工工序為：修建止水帷幕-基坑開挖-頂進作業。框構橋施工完成后，進行U型槽施工，為保證鄭焦鐵路橋梁的安全，U型槽施工需分為5個區域進行，即開挖既有橋中心位置U型槽(1區域)；開挖完成后進行U型槽施工，施工完成后將U槽內填土至道路路面高程；待第一節U槽施工完成后進行既有線左、右兩側U槽開挖(2和3區域)，隨著開挖進行，在區域1已施工U型槽上壓重；開挖完成后進行U型槽施工，施工完成后將U槽內填筑路面至路面高程；待1、2和3節U槽施工完成后進行4和5區域基坑同時開挖，隨著開挖進行，在區域2和3已施工U型槽上壓重；開挖完成后進行U型槽施工，施工完成后將U槽內填土至道路路面高程；完成后將U型槽上壓重分批、對稱撤下。U型槽分段方式見圖5。

圖5 U型槽施工方案布置圖

3 風險源分析

東海大道采用框構橋下穿新焦鐵路，框架橋施工過程中，會對鄭焦鐵路(高速鐵路)既有橋梁結構有一定影響。為了評估框構橋施工方案的合理性，避免高速鐵路既有橋梁在框構橋施工期間出現異常，需首先找出潛在風險源，然后針對各風險因素進行分析研究。

經風險分析，潛在風險源為框架橋頂進下穿既有新焦線施工對鄭焦鐵路橋墩影響。針對潛在風險源，對框架橋頂進施工過程中由于土層受力狀態變化引起鄭焦鐵路橋梁橋墩位移變化進行研究。

4 研究方法

目前，國內外關于施工和運營引起地層變形的預測分析方法有很多種，主要有經驗法、解析法、有限元法等。其中經驗法及解析法多是針對地下工程施工引起地層變形的情況提出，而有限元法能考慮復雜的邊界條件，模擬復雜的巖土介質的特性，能夠動態模擬工程的實際建造過程，模擬空間效應和求解復雜的結構問題[4]。本項目針對施工和運營過程中，土層受力狀態變化引起鐵路橋墩位移變化，此部分，采用PLAXIS巖土有限元軟件，模擬框架橋頂進下穿既有新焦線施工對鄭焦鐵路橋梁的影響，并根據相關規范給出評價和建議。

5 框架頂進模型建立及計算工況分析

5.1 既有新焦線框架頂進模型

(1)土體

綜合考慮邊界效應及計算效率，以橋梁2號橋墩中間為中心，240m×160m×85m范圍內土體建立模型。

(2)單元的選取

土層采用實體單元；鄭焦鐵路橋墩和承臺采用實體彈性單元；鉆孔灌注樁采用樁單元模擬；頂進框架采用板單元模擬。

(3)邊界及荷載

土體四周邊界采用水平約束，底邊界采用豎向約束；定義改變屬性邊界條件模擬橋墩、承臺、頂進框架在施工過程中實體屬性改變的情況；鄭焦鐵路跨東海大道成橋荷載以面壓力荷載的形式分別施加于承臺頂。

模型劃分為114497單元，162885節點。計算模型見圖6。

圖6 結構計算模型(框構橋)

5.2 計算工況分析

具體計算工況如表1所示。

表1 計算工況

6 框架橋頂進計算結果及分析

橋梁0～4號墩臺豎向位移和相鄰墩沉降差計算結果見表2。

由表2可知，既有新焦線框構橋頂進施工會使鄭焦鐵路橋墩產生位移，對2號墩影響最大。在框構橋頂進施工過程中，2號橋墩墩頂沉降最大發生在框架頂進后，沉降為向上1.13mm；U型槽施工過程中，2號橋墩墩頂沉降最大發生在基坑開挖過程中，沉降為向上2.16mm；全部施工完成后，絕對沉降為向上0.38mm，相鄰墩沉降差為0.19mm。

表2 0～4號墩臺豎向位移計算結果(單位：mm)

參考《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》中3.0.3規定，本項目高速鐵路為有砟鐵路，墩臺頂位移限值為3mm，框構橋施工對高速鐵路橋的影響小于規范規定限值[5]。

為確保鄭焦鐵路的運營安全，建議施工期間對既有橋梁進行監控測量。根據計算結果，結合規范要求及工程實際特點，綜合考慮施工誤差、測量儀器的監測精度和列車行走對軌道、地面的隨機影響，確定變形控制值，建議將控制值的70%作為預警值，控制值的85%作為警報值。

7 結語

鐵路橋涵或公路橋涵等構造物距頂進法施工的框構橋距離較近時，框構橋的頂進會對既有構造物產生不利影響，為確保構造物的安全運營，應科學計算，以定量分析為主，定量與定性相結合，為決策者提供科學依據。