市政框構橋施工對高鐵高架橋的影響分析★

魏 盼

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

0 引言

基坑開挖會對其周圍建筑物產生一定的影響，對臨近基坑建筑物變形的控制是基坑工程施工中的重點和難點[1]。高速鐵路列車運行對變形要求很苛刻，為了確保高鐵安全運營，避免交叉工程施工帶來的不利影響，高速鐵路建設過程中會提前為其他工程預留施工措施[2]。

目前，國內外對隧道、基坑施工對臨近高架橋的影響做了大量研究。一些學者結合實際工程案例對盾構隧道下穿高架橋對橋墩變形及橋樁受力變化等進行了研究。另外一些學者對明挖基坑下穿高架橋進行了相關研究，如陳福建等[3]介紹了無錫地鐵1號線金城路站基坑圍護設計、監測方案，分析了監測數據，得出了下穿高架橋段基坑開挖過程中樁體的變形、基坑周邊地表沉降、支撐軸力、臨時立柱及高架橋墩豎向位移的變化規律；趙雨軍[4]以南京某地鐵深基坑鄰近既有高架橋為工程背景,通過建立深基坑與高架橋的三維空間模型,探究不同的支護參數和基坑開挖順序對鄰近高架橋墩頂的位移變化規律；Finno等[5]在考慮群樁效應的基礎上，利用數值模擬方法對群樁在基坑開挖時的響應特性進行了分析，并與現場采集的工程數據進行對比，得出土體變形有時會在基坑開挖時超過預期值，而此時對群樁的承載力影響并不那么顯著；殷順浪等[6]以重慶地鐵環線渝魯車站至五里店車站區間臨近沖壓廠高架橋的明挖區間基坑工程為背景，利用有限元軟件建立三維有限元模型，通過模擬計算，得到了基坑開挖對臨近高架橋墩臺的影響，并分析了基坑開挖對橋墩和墩臺位移變化規律，根據分析結果提出了相應的施工建議；張靜元等[7]依據某實際公路下穿高鐵高架橋工程，利用Midas-GTS有限元軟件模擬基坑開挖過程，分析在高鐵高架橋正常運營情況下，基坑開挖不同深度對橋梁墩頂、樁基礎和周圍土體的影響，以確保鐵路橋梁的安全運營。

但市政框構橋下穿高鐵橋樁施工過程中，基坑工程施工對高鐵橋墩變形規律的研究幾乎沒有，本文以新機場高速公路地下綜合管廊下穿京滬高鐵框構橋為依托工程，通過數值模擬方法分析基坑工程施工對高鐵橋墩變形及橋樁內力的影響規律[8-15]。

1 工程概況

1.1 工程地質及水文條件

管廊框構結構主要位于②3層粉質黏土、②0層粉細砂、②2層黏土及③0層粉土。勘察期間地下20 m范圍內未揭露地下水，場地土對混凝土具有微腐蝕性；對混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性；場地土對鋼結構具有微腐蝕性。

1.2 工程位置關系

新機場高速公路地下綜合管廊在京滬高鐵處采用2+1艙分別下穿高鐵高架橋，交叉角度90°,其斷面凈空分別為2.6 m,3.9 m及2 m。基坑支護結構距離521#橋墩為7.43 m，距離522#橋墩為7.37 m,7.43 m，距離523#橋墩為7.37 m。工程位置關系圖如圖1，圖2所示。

1.3 框構橋施工

京滬高鐵框構橋采用頂進方式在既有京滬高鐵橋墩之間穿過，長40 m；兩框構橋之間為機場管廊現澆段，長度為96.796 m。框構橋與現澆段之間設置30 mm變形縫。基坑圍護樁分別采用φ800 mm@1 200 mm及φ1 250 mm@1 500 mm灌注樁，樁頂設置800 mm×800 mm冠梁；基坑內支撐采用一道600 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，水平間距6.0 m左右。

框構橋施工分為以下3個階段：1)施作京滬高鐵頂進段基坑灌注樁、京滬高鐵地基加固處理、施作現澆段基坑圍護樁并進行頂進橋施工；2)在頂進基坑內施作現澆管廊、開挖現澆段基坑并施作現澆段管廊；3)回填覆土、管廊工程收尾。

2 監測方案及數據

2.1 測點布置及監測

對北京新機場高速綜合管廊GLSO3標段521#，522#，523#橋墩測點進行了監測工作，每個橋墩布置2個測點，共6個測點，監測點布置如圖3所示。

框構橋施工前，安裝測點，并取得初始值；施工過程中，全天監測，監測數據發生較大變化時，增加監測頻率；穿越施工結束后，繼續監測，直到監測數據趨于穩定后停止監測。

2.2 施工位移監測及分析

橋墩變形監測按照監測方案執行，對框構橋穿越高鐵高架橋整個施工過程進行監測，監測數據如圖4所示。

由以上監測數據可以看出：框構橋施工過程中，橋墩豎向位移整體趨勢是先沉降，后隆起，最后趨于穩定；橋墩水平位移變化值較豎向位移較小。框構橋下穿施工過程中，橋墩的最大豎向位移統計如表1所示。橋墩最大水平位移統計如表2所示。

表1 橋墩豎向監測位移最大值統計表 mm

表2 橋墩水平監測位移最大值統計表 mm

3 數值模擬

3.1 計算假定

本文采取Midas/GTS有限元軟件對框構橋穿越高鐵高架橋施工過程進行數值模擬分析。計算時假定土體為連續介質，土體結構均采用實體單元模擬；在模型底部施加豎向固定位移約束，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面；土體采用Mohr-Coulomb準則，其余結構考慮在彈性范圍內工作，采用線彈性本構關系[15]。

3.2 計算模型及參數設置

建立新機場高速公路地下綜合管廊下穿京滬高鐵高架橋三維計算模型，模型以沿京滬高鐵方向為X軸，與高鐵垂直方向為Y軸，豎直方向為Z軸，三維模型網格劃分效果圖如圖5所示。數值模擬計算參數如表3所示。

表3 土層物理參數

3.3 模擬工況

數值模擬工況的選取，主要模擬分析框構橋施工對高架橋橋墩變形的影響，并與監測數據進行對比分析。再分析框構橋基坑的支護結構與高速鐵路橋墩承臺的不同距離對橋墩變形的影響。

根據設計資料，支護結構距離橋墩承臺的距離為7.37 m～7.43 m。根據TB 10182—2017公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程規定，下穿工程基坑的支護結構與高速鐵路橋墩承臺距離不宜小于3 m,所以模擬方案以2.5 m為一個遞減單位，按照7.43 m，4.93 m，2.43 m 3種距離來設置模擬方案，即：

方案一：支護結構與高速鐵路橋墩承臺距離7.43 m。

方案二：支護結構與高速鐵路橋墩承臺距離4.93 m。

方案三：支護結構與高速鐵路橋墩承臺距離2.43 m。

3.4 計算結果分析

分別針對以上3種模擬方案按照以下工序進行數值模擬計算。工序1～工序9：初始狀態、圍護樁施工、地基加固處理、開挖頂橋基坑、頂進框構橋施工、頂進基坑內施作現澆管廊、開挖現澆段基坑、施作現澆段管廊、回填覆土。框構橋施工過程中橋墩豎向及水平變形如圖6，圖7所示。

由圖6可以看出：支護結構距離高速鐵路橋墩承臺距離越小，橋墩豎向變形越大。方案一中最大豎向位移為-0.91 mm，方案二中最大位移為1.42 mm，方案三中橋墩豎向最大位移為-2.52 mm。綜上所述，當距離小于3 m時，橋墩豎向變形大于規范TB 10182—2017公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程規定限值2 mm。

由圖7可以看出：支護結構距離高速鐵路橋墩承臺距離越小，橋墩水平變形越大。方案三中最大水平位移為-0.88 mm，方案二中最大水平位移-1.67 mm，方案三中最大水平位移為-2.83 mm。綜上所述，當距離小于3 m時，橋墩水平變形大于規范TB 10182—2017公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程規定限值2 mm。

橋墩豎向及水平最大位移統計如表4，表5所示，并與監測數據進行對比。

表4 橋墩最大豎向位移統計表 mm

表5 橋墩最大水平位移統計表 mm

對比監測數據和方案一計算結果可以看出數值模擬計算結果與監測數據存在一定誤差，尤其是基坑圍護樁施工時誤差較大。造成這種誤差的主要原因有：1)數值模擬計算工序無法完全與實際施工工序相吻合；2)數值模擬計算簡化了施工過程中的某些施工工法。

在框構橋施工期間，地層位移變形影響范圍內的橋樁距離基坑越近，變形越大，如圖8所示為不同施工方案時521#橋樁水平位移。可以看出，距離基坑最近的樁基段，主要產生向基坑一側的水平正向位移。橋樁在埋深4.2 m～6.0 m范圍內變形最大(注：該處基坑開挖深度為5.7 m，樁頂埋深為4.2 m)，埋深6.0 m～15 m范圍內，橋樁水平變形較為明顯，埋深大于15 m時，橋樁水平變形基本不受施工影響。

4 結論與建議

通過對框構橋穿越高鐵橋樁工程案例進行有限元建模計算，并與施工期間取得的監測數據進行比較分析，本文得到如下結論：

1)分別對基坑支護結構距離高速鐵路橋墩承臺距離7.43 m，4.93 m，2.43 m三種施工方案進行數值模擬，分析鄰近基坑橋墩變形情況，結果表明，基坑的支護結構與高速鐵路橋墩承臺距離不宜小于3 m。

2)分析框構橋施工對橋樁水平變形的影響，得出施工對橋樁水平變形影響范圍為15 m，樁身埋深大于15 m時，其水平變形幾乎不受施工影響。

3)框構橋穿越施工會造成高鐵橋樁產生豎向及水平位移。在采用合理的圍護結構設計方案和施工步序的條件下，施工引起的高鐵橋樁縱向及水平位移均可滿足變形控制指標要求。

4)將框構橋從一個大斷面化為兩個小斷面，從高鐵橋梁兩跨下穿越，可有效減小框構橋穿越對高鐵橋樁產生的影響。

5)經過有限元分析計算，并與施工期間取得的監測數據比較，可以發現，框構橋這樣相對較大斷面的結構穿越高鐵橋樁產生的影響都可以滿足高鐵對橋樁位移的變形控制指標要求，電力、燃氣、供水等管線穿越高鐵橋樁工程，在保證與高鐵橋樁距離的條件下，不應對高鐵橋樁的受力及位移產生較大的影響。

目前上述管線被要求采用定向鉆施工的形式穿越高鐵橋樁，是完全不必要的。這些工程將產生巨大的人力、物力浪費，建議取消此類要求。