樁板結構下穿多條運營高鐵橋梁的變形研究分析

蘭鴻翔

（杭州鐵路設計院有限責任公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著我國越來越多的高速鐵路建成投入運營，其他新建市政道路的施工將會與高速鐵路產生交叉，因此對于新建工程下穿高速鐵路的方案研究是一項重要的工作。李悄[1]等人針對軟土地區公路下穿高速鐵路方案引起的變形進行分析，得出采用路基下穿并減小和換填路基填方的方式可減小對高速鐵路的變形影響；孫宗磊[2]等人針對新建高速鐵路下穿京滬高鐵不同橋墩方案對京滬高鐵橋梁沉降進行分析，結果表明實體墩方案鐵路橋梁影響較小；解建超[3]針對下穿高速鐵路U 型槽結構采用不同路基填料和不同樁基長度引起高鐵橋梁附加變形分析，結果表明輕質混凝土填料和增加樁長可減小鐵路橋梁附加變形。現以某新建市政道路下穿鐵路橋梁不同方案引起的橋梁附加變形進行分析，為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 新建市政道路概況

某新建市政道路現狀為雙向兩車道，現拓寬為雙向四車道，設計速度50 km/h，兩側設置機非混行道和人行道，機動車道分別從既有某高速鐵路14#～15#、15#～16#橋墩、某高速鐵路5#～6# 橋墩之間穿越；北側輔道某高速鐵路12#～13# 橋墩、某高速鐵路4#～5# 橋墩下穿越；南側輔道從既有某高速鐵路17#～18# 橋墩、某高速鐵路6#～7# 橋墩之間穿越，如圖1 所示，具體鐵路設計參數如表1 所列（為便于區分將上述高速鐵路分別命名為1#高速鐵路和2# 高速鐵路）。

圖1 道路下穿鐵路平面圖

表1 1# 高速鐵路、2# 高速鐵路橋梁設計參數表

1.2 地質資料

橋址沿線主要為江灘地貌，沿線地基土淺部主要為一套全新統海積、沖海積地層，土層厚度、分布及性質均較穩定，土層自上而下為：雜填土、暗塘土、黏質粉土、砂質粉土夾粉砂、粉砂、粉質黏土、中砂、礫砂，地下水位2.0～3.8 m，具體土層參數如表2 所列。

表2 土層參數表

1.3 樁板結構下穿鐵路的方案

新建道路下機動車道樁板結構布跨采用5.0 m一跨，板厚0.8 m，寬度8.0 m（含兩側防撞護欄寬度），兩側設置6.0 m 的鋼筋混凝土搭板；南北側機非混行道樁板結構，曲線布置，采用5.0 m 一跨，板厚0.8 m，寬度7.0 m（含兩側防撞護欄寬度），兩側設置6.0 m鋼筋混凝土搭板；樁基采用φ60 cm，長度30 m。樁板結構與既有1#、2# 高速鐵路橋墩空間位置關系見圖2、圖3 所示。

圖2 樁板結構與既有1# 高速鐵路橋墩空間位置關系圖

圖3 樁板結構與既有2# 高速鐵路橋墩空間位置關系圖

2 計算與分析

2.1 有限元模型建立

理論分析采用大型有限元分析軟件Midas GTS NX，結合現場實際情況和保證模型計算的準確性和收斂性，將模型計算范圍取：模型尺寸為縱向135 m（高鐵運營方向）×橫向110 m（道路運營方向）×豎向51 m（土層方向）。

土體采用修正莫爾-庫倫模型[4]模擬其本構關系，模型邊界條件為：上部邊界為自由、四周邊界采用水平約束、底部邊界采用固定約束[5]。模型中除樁基采用梁單元模擬外，其余結構均采用實體單元模擬，模型中只模擬鐵路橋梁下部結構實體，上部結構采用等效荷載來模擬[3]，三維空間有限元模型如圖4 所示。

圖4 有限元模型圖

2.2 施工階段模擬

建模基本原則及施工階段主要劃分：首先將1#高速鐵路、2# 高速鐵路兩條鐵路的結構物作為基本初始狀態，計算各土層的初始應力狀態；然后在該狀態下建立新建市政道路的樁板結構基礎模型（見圖5），計算土層應力變化和引起的鐵路橋梁附加變形。主要施工階段劃分如表3 所列。

表3 有限元模型工況劃分一覽表

圖5 樁板結構施工階段模擬圖示

2.3 計算結果與分析

根據《高速鐵路設計規范》（試行）規定：橋梁下部結構要求工后總沉降不超過20 mm，相鄰墩臺不均勻沉降不超過5 mm。根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB 10182—2017）規定，道路下穿高速鐵路無砟軌道時，高速鐵路橋墩墩頂位移限制：墩頂橫向位移、縱向位移、豎向位移均≤2 mm。

3 自動化監測系統

為保證1#高速鐵路、2# 高速鐵路在施工過程中運營的安全，根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB 10182—2017）規定：下穿工程施工過程中，應對高速鐵路橋梁進行變形監測。結合項目實際情況和監測精度要求，監測采用自動化監測，監測內容主要包括：

（1）1#和2#高速鐵路橋墩的豎向沉降；

（2）1#和2#高速鐵路橋墩的水平、縱向變形。

3.1 監測方案

根據實際工程進展情況及鐵路監測要求，現場采用的監測方案如下：

在1# 高速鐵路與2# 高速鐵路的工程涉及沿線自設一個北斗位移監測基準站，分別在1# 高速鐵路12#～18# 橋墩和2# 高速鐵路4#～7# 橋墩的每個墩頂的四個角點各設置一個監測點，并對監測點采取一定的保護措施，以免影響監測結果。

3.2 監測結果與理論值對比分析

由于監測系統為實時自動化監測，數據不間斷采集且橋墩和監測點布置較多，因此該工程僅選取部分每個橋墩代表性數值和關鍵施工階段實測數據進行分析對比，具體數據見表4、表5 所列。

表4 自動化監測與理論分析結果對比表（1）單位：mm

表5 自動化監測與理論分析結果對比表（2）單位：mm

根據監測結果與自動化監測結果對比可以看出，兩者的數值均在規范允許變化范圍內；兩者的變化趨勢大體上一致，在樁板結構樁基礎施工時，由于周圍土體的卸載作用導致最鄰近橋墩出現沉降且數值較遠處橋墩大，在道路運營時，由于道路車輛的荷載作用，位移變化數值較樁板結構施工時，有所增加但是數值變動幅度不大，這是由于道路運營的車輛荷載通過樁板結構的面板傳遞給下部結構，且下部結構的整體剛度較大，所以變形不大，這也與模型計算結果有較好的吻合。

4 結論

針對某新建市政道路下穿鐵路橋梁工程進行數值模擬分析并結合自動化監測系統，主要研究結論如下：

（1）新建道路工程采用樁板結構下穿鐵路橋梁方案可行，且工程引起的橋梁附加變形均在《高速鐵路設計規范》和《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》控制標準范圍內。

（2）工程采用樁板結構下穿鐵路橋梁理論分析結果與自動化監測結果較吻合，變化趨勢一致。由于有限元分析采用的樁土模擬作用，土層參數的實際情況會有些許差異，故計算結果與實際也有一定差異，且實測值受到鐵路列車運營的影響，具有一定的波動性，進一步驗證了理論仿真分析的可靠性。