某出水明渠下穿工程對既有鐵路橋墩的影響分析

江 攀

(西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031)

隨著我國經濟的快速發展，各類工程的建設進程日益加快，但由于地域限制，新建工程常常臨近既有工程，為了確保新建工程的合理設計及既有工程的安全，常常要分析此類交叉工程之間的相互影響[1]。由于涉及到廣大乘客的安全，新建工程對既有鐵路的影響更是研究的重點[2]，近年來，大量河道出于對通航及防洪等因素的考慮，需要進行改造，當其與既有鐵路出現相互交叉時，必須對河道改建工程進行安全評估，分析其對既有鐵路造成的影響[3]。本文以某一出水明渠工程下穿既有鐵路橋梁為背景，對河道工程的設計方案進行介紹，并分析其對既有鐵路橋梁的影響，可為日后類似工程的設計和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 原河道概況

原河道位于合肥市境內，河底寬度9～14 m，河底高程約8.4 m，河道邊坡為土質邊坡，邊坡坡率1∶1.2～1∶1.8，無其他防護措施。堤壩頂標高為12.5～13.5 m，周圍地勢標高為11～12 m，地形較平坦。

1.2 既有鐵路橋墩概況

既有鐵路為無砟軌道，出水明渠與該鐵路相交2#～3#墩間。橋梁相鄰各跨均為32 m簡支箱梁結構，重力式實心墩，樁基接承臺基礎。橋位處地形起伏不大，梁底高程約26.9 m。

1.3 出水明渠工程設計方案

出水明渠工程長60 m，主要包括岸線整治及河道疏浚，平面上由R=90 m、R=60 m的曲線及一段直線組成。工程采用樁接U槽結構作為永久堤防，U槽內填充級配碎石，總寬5 m，底板厚0.6～1.0 m，邊墻高3 m。下基礎采用φ1.0 m的鉆孔樁，樁間距7 m×3 m，樁長18 m。河道邊坡均采用框架梁護坡防護，河底采用0.5 m厚的漿砌片石鋪砌至河底設計標高7.84 m。鋼混框架梁橫截面尺寸0.4 m×0.3 m，采用2.5 m×2.5 m的矩形窗格布置，窗格內砌筑漿砌片石。

1.4 土層條件

根據地勘資料，場地土層物理力學參數見表1。

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

選取下穿工程涉鐵范圍內的巖土和結構物，采用數值模擬方法計算下穿出水明渠對鐵路橋墩的影響，既有鐵路橋墩包括1#～4#墩。利用Midas NX建立三維有限元模型，考慮邊界效應的影響，模型總長度138 m(順橋向/X向)、寬度90 m(橫橋向/Y向)、深度85 m(豎向/Z向)，建立的三維計算模型如圖1所示。

表1 土層物理力學參數

圖1 三維計算模型

2.2 模型邊界條件

模型的邊界條件分別為：上表面自由邊界，側面施加法向位移約束，底部施加完全固定約束。

2.3 本構及參數選取

土體采用修正Mohr-Coulumb本構模型[4]，計算參數按照地勘資料選取。

2.4 施工工況設置

根據實際施工情況，本次模擬共設置5個工況：工況1初始應力場平衡、工況2近2#墩側河堤整平挖方、工況3U槽底板挖方及鉆孔樁施工、工況4U槽施工及填筑、工況5河道疏浚及墊層鋪砌，部分典型工況如圖2所示。

圖2 典型施工工況模擬

2.5 出水明渠下穿工程對鐵路橋墩的影響

通過有限元模擬，出水明渠下穿工程施工后，既有鐵路橋梁各墩頂X、Y、Z方向的累計位移統計見表2、表3及表4。

表2 墩頂順橋向(X向)累計位移 單位：mm

由上表可以看出，既有鐵路橋墩墩頂最大累計水平位移及豎向位移均發生在2#墩，分別為0.42 mm、-0.20 mm。

表3 墩頂橫橋向(Y向)累計位移 單位：mm

表4 墩頂豎向(Z向)累計位移 單位：mm

綜合上述結果可得，出水明渠下穿工程對既有鐵路橋墩墩頂的總體影響較小，墩頂累計位移小于相關規范中無砟軌道2 mm的一般取值，滿足受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺頂位移限值要求[5]。

3 結論

本文以某出水明渠工程下穿一既有鐵路橋梁為背景，對此下穿工程的方案設計進行了介紹，并分析了該工程對既有鐵路橋墩的影響。分析表明，本工程通過采取合理的設計方案及防護措施，保證了出水明渠下穿施工后，對既有鐵路橋梁墩頂的累計位移影響較小，位移值均未超限，設計方案可行。同時，由于各階段施工過程中的影響難以計算，如出現鉆孔樁施工時對軟土承載特性的影響等情況，建議在施工中加強對鐵路橋墩的變形監測，所有施工過程需嚴格控制。