樁板結(jié)構(gòu)下穿多條運(yùn)營高鐵橋梁的變形研究分析

蘭鴻翔

（杭州鐵路設(shè)計(jì)院有限責(zé)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(yùn)營，其他新建市政道路的施工將會(huì)與高速鐵路產(chǎn)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(xiàng)重要的工作。李悄[1]等人針對軟土地區(qū)公路下穿高速鐵路方案引起的變形進(jìn)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(jìn)行分析，結(jié)果表明實(shí)體墩方案鐵路橋梁影響較??；解建超[3]針對下穿高速鐵路U 型槽結(jié)構(gòu)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(jié)果表明輕質(zhì)混凝土填料和增加樁長可減小鐵路橋梁附加變形?，F(xiàn)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(jìn)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(xiàn)狀為雙向兩車道，現(xiàn)拓寬為雙向四車道，設(shè)計(jì)速度50 km/h，兩側(cè)設(shè)置機(jī)非混行道和人行道，機(jī)動(dòng)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(cè)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(cè)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(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所列（為便于區(qū)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(shè)計(jì)參數(shù)表

1.2 地質(zhì)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(tǒng)海積、沖海積地層，土層厚度、分布及性質(zhì)均較穩(wěn)定，土層自上而下為：雜填土、暗塘土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土夾粉砂、粉砂、粉質(zhì)黏土、中砂、礫砂，地下水位2.0～3.8 m，具體土層參數(shù)如表2 所列。

表2 土層參數(shù)表

1.3 樁板結(jié)構(gòu)下穿鐵路的方案

新建道路下機(jī)動(dòng)車道樁板結(jié)構(gòu)布跨采用5.0 m一跨，板厚0.8 m，寬度8.0 m（含兩側(cè)防撞護(hù)欄寬度），兩側(cè)設(shè)置6.0 m 的鋼筋混凝土搭板；南北側(cè)機(jī)非混行道樁板結(jié)構(gòu)，曲線布置，采用5.0 m 一跨，板厚0.8 m，寬度7.0 m（含兩側(cè)防撞護(hù)欄寬度），兩側(cè)設(shè)置6.0 m鋼筋混凝土搭板；樁基采用φ60 cm，長度30 m。樁板結(jié)構(gòu)與既有1#、2# 高速鐵路橋墩空間位置關(guān)系見圖2、圖3 所示。

圖2 樁板結(jié)構(gòu)與既有1# 高速鐵路橋墩空間位置關(guān)系圖

圖3 樁板結(jié)構(gòu)與既有2# 高速鐵路橋墩空間位置關(guān)系圖

2 計(jì)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(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況和保證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性和收斂性，將模型計(jì)算范圍取：模型尺寸為縱向135 m（高鐵運(yùn)營方向）×橫向110 m（道路運(yùn)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(gòu)關(guān)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(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬，模型中只模擬鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)實(shí)體，上部結(jié)構(gòu)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?jiǎng)澐郑菏紫葘?#高速鐵路、2# 高速鐵路兩條鐵路的結(jié)構(gòu)物作為基本初始狀態(tài)，計(jì)算各土層的初始應(yīng)力狀態(tài)；然后在該狀態(tài)下建立新建市政道路的樁板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模型（見圖5），計(jì)算土層應(yīng)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(jié)構(gòu)施工階段模擬圖示

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（試行）規(guī)定：橋梁下部結(jié)構(gòu)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(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182—2017）規(guī)定，道路下穿高速鐵路無砟軌道時(shí)，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(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)

為保證1#高速鐵路、2# 高速鐵路在施工過程中運(yùn)營的安全，根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182—2017）規(guī)定：下穿工程施工過程中，應(yīng)對高速鐵路橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況和監(jiān)測精度要求，監(jiān)測采用自動(dòng)化監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)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(jiān)測方案

根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)展情況及鐵路監(jiān)測要求，現(xiàn)場采用的監(jiān)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(shè)一個(gè)北斗位移監(jiān)測基準(zhǔn)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(gè)墩頂?shù)乃膫€(gè)角點(diǎn)各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，并對監(jiān)測點(diǎn)采取一定的保護(hù)措施，以免影響監(jiān)測結(jié)果。

3.2 監(jiān)測結(jié)果與理論值對比分析

由于監(jiān)測系統(tǒng)為實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測，數(shù)據(jù)不間斷采集且橋墩和監(jiān)測點(diǎn)布置較多，因此該工程僅選取部分每個(gè)橋墩代表性數(shù)值和關(guān)鍵施工階段實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，具體數(shù)據(jù)見表4、表5 所列。

表4 自動(dòng)化監(jiān)測與理論分析結(jié)果對比表（1）單位：mm

表5 自動(dòng)化監(jiān)測與理論分析結(jié)果對比表（2）單位：mm

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果與自動(dòng)化監(jiān)測結(jié)果對比可以看出，兩者的數(shù)值均在規(guī)范允許變化范圍內(nèi)；兩者的變化趨勢大體上一致，在樁板結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)施工時(shí)，由于周圍土體的卸載作用導(dǎo)致最鄰近橋墩出現(xiàn)沉降且數(shù)值較遠(yuǎn)處橋墩大，在道路運(yùn)營時(shí)，由于道路車輛的荷載作用，位移變化數(shù)值較樁板結(jié)構(gòu)施工時(shí)，有所增加但是數(shù)值變動(dòng)幅度不大，這是由于道路運(yùn)營的車輛荷載通過樁板結(jié)構(gòu)的面板傳遞給下部結(jié)構(gòu)，且下部結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，所以變形不大，這也與模型計(jì)算結(jié)果有較好的吻合。

4 結(jié)論

針對某新建市政道路下穿鐵路橋梁工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析并結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，主要研究結(jié)論如下：

（1）新建道路工程采用樁板結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)規(guī)范》和《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

（2）工程采用樁板結(jié)構(gòu)下穿鐵路橋梁理論分析結(jié)果與自動(dòng)化監(jiān)測結(jié)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(shù)的實(shí)際情況會(huì)有些許差異，故計(jì)算結(jié)果與實(shí)際也有一定差異，且實(shí)測值受到鐵路列車運(yùn)營的影響，具有一定的波動(dòng)性，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論仿真分析的可靠性。