新建公路橋梁下穿運(yùn)營(yíng)高速鐵路橋梁的安全性影響分析

陳時(shí)玉

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)基建工程的發(fā)展尤為重視，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和高速鐵路的快速發(fā)展，不可避免地出現(xiàn)對(duì)既有公路的拓寬改造以及公路與鐵路交叉的情況。高速鐵路橋梁墩高一般較高，新建公路常采用下穿的形式穿越鐵路營(yíng)業(yè)線。針對(duì)公路下穿鐵路橋梁所產(chǎn)生的影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)做了大量研究。張志國(guó)分析了新建路基施工產(chǎn)生的地層擾動(dòng)與變形會(huì)對(duì)既有高鐵橋梁運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生的影響。劉長(zhǎng)偉依托某工點(diǎn)下穿既有線橋梁工程，運(yùn)用有限元軟件分析了CFG樁復(fù)合地基施工、輕質(zhì)土路堤填筑以及后期運(yùn)營(yíng)對(duì)已有橋墩樁基的影響。

1 工程概況

新建橋梁全寬21.13~24.26 m，右幅設(shè)計(jì)線與在建南沿江城際鐵路線路中心線交角約為22°。與南沿江城際鐵路最小樁間距為10.531 m，右幅護(hù)欄外緣距南沿江城際鐵路25#墩最小距離2.521 m，鐵路橋下道路最小凈空為6.391 m。受施工空間限制，下穿南沿江城際鐵路位置處組合箱梁無(wú)法采用架橋機(jī)架設(shè)，架梁時(shí)采用雙臺(tái)300 t汽車吊進(jìn)行抬吊，吊機(jī)工作半徑按10 m控制，吊臂與南沿江城際鐵路橋梁梁底按1.5 m控制，吊臂與南沿江城際鐵路橋墩最小距離按2.5 m控制。

既有S232路基段下穿南沿江城際鐵路范圍內(nèi)填土高度1.87~3.487 m。拆除路基邊緣與在建南沿江城際鐵路26#墩承臺(tái)邊緣最小距離為3.487 m，開挖深度1.44~1.75 m。與在建南沿江城際鐵路橋墩27#墩承臺(tái)邊緣最小距離為7.691 m，開挖深度0.93~1.22 m。與在建南沿江城際鐵路橋墩28#墩承臺(tái)邊緣最小距離為44.543 m，開挖深度1.12~1.35 m，如圖1~圖3所示。

圖1 既有道路與26#墩相對(duì)位置關(guān)系

圖3 既有道路與28#墩相對(duì)位置關(guān)系

在建江蘇南沿江城際鐵路為雙線電氣化線路，線間距5.0 m，60 kg/m鋼軌，無(wú)砟軌道。與本項(xiàng)目交叉處為跨滬寧城際高鐵特大橋，新建S232擬下穿處跨滬寧城際高鐵特大橋上部結(jié)構(gòu)為（60+100+100+60）m變截面PC連續(xù)箱梁橋，下部結(jié)構(gòu)中墩均為圓端型實(shí)體墩，每個(gè)橋墩11根鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基直徑為2.0 m；邊墩均為圓端型實(shí)體墩，每個(gè)橋墩10根鉆孔鉆注樁基礎(chǔ)，樁基直徑為1.25 m。橋梁底至地面最小凈空約18.35 m。

圖2 既有道路與27#墩相對(duì)位置關(guān)系

橋址所在區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)江中下游沖湖積高亢平原工程地質(zhì)區(qū)。區(qū)內(nèi)主要為農(nóng)田及工廠，地勢(shì)平坦，一般地面標(biāo)高為5.1～5.6 m，在京杭運(yùn)河堤頂位置標(biāo)高在6.5 m左右。場(chǎng)區(qū)內(nèi)土層主要為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、泥炭土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、黏土。地下水位較淺，標(biāo)高約為-2.0 m。

2 有限元分析

2.1 計(jì)算分析軟件以及本構(gòu)原理

新建工程施工過(guò)程等采用有限元分析軟件Midas-GTS進(jìn)行模擬計(jì)算，GTS NX 是一款基于C++語(yǔ)言編程、以有限元理論為基礎(chǔ)的巖土分析軟件。程序提供了靜力分析、動(dòng)力分析、滲流分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、固結(jié)分析、施工階段分析、邊坡穩(wěn)定性分析等多種分析方法。

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，采用各向同性材料模擬，各向同性材料在任意方向具有相同的性質(zhì)。線彈性各向同性材料以胡克定律為基礎(chǔ)，除一些特殊單元外，可以用于所有單元。

施工過(guò)程采用有限元分析軟件Midas-GTS進(jìn)行模擬計(jì)算，在Midas-GTS中采用單元的生死技術(shù)有效地模擬圍巖土體的開挖和加載過(guò)程。計(jì)算時(shí)巖土的塑性本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫(kù)倫模型，該模型主要適用于在單調(diào)荷載作用下顆粒狀材料，在巖土工程中應(yīng)用廣泛。

2.2 計(jì)算模型

有限元計(jì)算采用三維空間模型，土體、鐵路橋墩采用實(shí)體單元模擬，橋樁采用樁單元模擬，新建橋梁的蓋梁、墩柱和系梁采用梁?jiǎn)卧M，既有道路路基采用實(shí)體單元模擬。使用單元的生死來(lái)模擬路基的挖除過(guò)程。為了消除約束邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算模型范圍是450 m×220 m×100 m。建模范圍按照新建工程橋墩距離鐵路梁邊緣線不小于30 m考慮，如圖4。

圖4 有限元模型圖

2.3 計(jì)算參數(shù)

材料參數(shù)主要包含粘聚力、內(nèi)摩擦角、切線和割線模量以及卸載模量等，各參數(shù)取值如表1。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果匯總

S232省道下穿南沿江城際鐵路的累計(jì)附加豎向、縱向以及橫向變形折線圖如圖5~圖7所示。計(jì)算結(jié)果中，豎向變形正值代表上浮，負(fù)值代表下沉；縱橋向變形中，正值代表從小里程向大里程變形，負(fù)值相反；橫橋向變形的正值代表向大里程向右側(cè)變形，負(fù)值相反。以下結(jié)果均是施工引起的橋墩累計(jì)附加變形，不包括鐵路橋梁工后沉降。

圖5 南沿江城際鐵路橋墩累計(jì)附加豎向變形圖

圖7 南沿江城際鐵路橋墩累計(jì)附加橫向變形圖

從圖中可以看出，既有道路路基挖除和常州S232省道橋梁施工對(duì)于南沿江城際鐵路相關(guān)橋墩均產(chǎn)生了一定影響。在南沿江城際鐵路施工完畢之后，施工常州S232省道相關(guān)橋墩，及上部梁體，會(huì)使得橋墩產(chǎn)生一定附加沉降，同時(shí)，產(chǎn)生一定的附加縱橫向變形。

在附加豎向位移方面，南沿江城際25#橋墩受到施工的影響最大，且隨著省道橋梁施工引起的附加荷載的增大而增大。常州S232省道在模擬運(yùn)營(yíng)荷載階段，25#橋墩產(chǎn)生的附加豎向位移值達(dá)到-1.09 mm；而挖除既有道路路基產(chǎn)生的最大豎向位移為0.66 mm，發(fā)生在26#橋墩。在附加縱向位移方面，受到施工影響相對(duì)較大的是27#墩，發(fā)生在架3#~4#墩之間的箱梁階段，其產(chǎn)生的附加縱向位移最大值分別為1.04 mm；挖除既有道路路基產(chǎn)生的最大縱向位移為0.75 mm，發(fā)生在27#墩。在附加橫向位移方面，受到施工影響產(chǎn)生位移較大的是27#墩，其產(chǎn)生的附加橫向位移最大值分別是-1.46 mm，發(fā)生在挖除既有道路路基階段。

圖6 南沿江城際鐵路橋墩累計(jì)附加縱向變形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，挖除既有道路路基對(duì)南沿江城際鐵路橋墩墩頂位移影響較大。疊加新建工程施工引起的鐵路墩頂累計(jì)位移后，仍能滿足《鄰近鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（TB 10314-2021）中的墩頂附加變形要求。本研究成果可以為拆除既有道路路基的工程設(shè)計(jì)施工提供參考，但需注意的是土層參數(shù)對(duì)施工過(guò)程模擬的準(zhǔn)確性起決定性作用，文章所采用的土層參數(shù)均建立在本工程地勘資料的基礎(chǔ)上。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需根據(jù)不同的地質(zhì)條件具體分析，南沿江城際鐵路的變形應(yīng)以實(shí)際測(cè)量為準(zhǔn)。