公路路基下穿公鐵合建橋梁影響分析及處置措施

王子挺

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

近年來,隨著我國城市的發(fā)展,越來越多的城市道路下穿既有鐵路,由此引發(fā)了一系列工程問題,已有學(xué)者開展相關(guān)研究。 孟繁增分析新建公路下穿既有高速鐵路橋時(shí)地面隆起變形[1];陳剛采用有限元法研究道路設(shè)計(jì)方案在實(shí)施過程中對(duì)城際鐵路橋梁的影響,并提出3 種不同的處理方案[2];劉長偉分析CFG 樁復(fù)合地基施工及運(yùn)營對(duì)既有橋墩和樁基的影響[3];李永奎分析路基填筑施工和安全運(yùn)營2 個(gè)階段下墊層厚度對(duì)CFG 樁和既有橋梁樁基的力學(xué)特性影響[4];楊學(xué)林對(duì)某高速公路樁板結(jié)構(gòu)下穿運(yùn)營高鐵橋梁進(jìn)行可行性研究,分別采用仿真分析和施工階段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)來證明方案的可行性[5];湛敏研究不同公路下穿方案對(duì)高鐵橋梁的影響,提出橋梁結(jié)構(gòu)、樁板結(jié)構(gòu)和“路基+U 形槽”復(fù)合結(jié)構(gòu)3 種方案,并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選[6];姜海君采用MIDAS-GTS 有限元軟件建立三維空間模型,模擬下穿工程施工過程對(duì)既有鐵路橋梁變形的影響[7];邊俊良分析新建公路下穿高速鐵路對(duì)其橋墩的影響[8];STEWART 研究路基堆載對(duì)附近橋墩的作用[9];MIAO研究橫向荷載作用下樁身的變形以及內(nèi)力變化[10];常瑞祥分析下穿樁板結(jié)構(gòu)對(duì)鐵路橋梁的影響[11];辛建分析下穿鐵路路基對(duì)公路橋梁的影響[12];楊申分析新建高速鐵路下穿既有公路橋梁防護(hù)方案研究[13]。 另外,還有一些研究集中于隧道盾構(gòu)及明挖對(duì)鐵路橋梁的防護(hù)措施及影響分析[14-17]。

由于鄰近公路和鐵路施工的標(biāo)準(zhǔn)不同,新建公路路基對(duì)城際鐵路的影響按照TB10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》的要求,即墩臺(tái)頂位移橫向不超過2 mm,縱向不超過2 mm,豎向不超過2 mm[18];路基對(duì)公路橋的影響需滿足JTGT H21—2011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的要求,即均勻總沉降值不超過cm,墩頂水平位移不超過cm(L為計(jì)算跨度)[19]。 以某公路路基下穿既有公鐵合建橋梁為工程背景,采用彈塑性三維有限元法對(duì)新建路基下穿既有公鐵合建橋梁進(jìn)行分析,并根據(jù)分析結(jié)果做出處置措施比選,確定最優(yōu)處置措施。

1 工程背景

某新建公路涉鐵段為環(huán)山路,設(shè)計(jì)荷載為城-A 級(jí),下穿公鐵合建橋梁。 鐵路橋?yàn)殡p線城際鐵路,設(shè)計(jì)速度為160 km/h,無砟軌道;公路橋設(shè)計(jì)速度為100 km/h,公路-Ⅰ級(jí)荷載。 共有2 處下穿點(diǎn),下穿點(diǎn)①附近為鐵路橋17 號(hào)墩~18 號(hào)墩,橋梁為連續(xù)剛構(gòu)橋;公路橋左幅52 號(hào)墩~53 號(hào)墩、48 號(hào)墩~49 號(hào)墩橋梁為簡支箱梁橋。 下穿點(diǎn)②附近為鐵路22 號(hào)墩~23 號(hào)墩,橋梁為連續(xù)剛構(gòu)橋;公路橋左幅58 號(hào)墩~59 號(hào)墩、54 號(hào)墩~55 號(hào)墩為連續(xù)剛構(gòu)橋,其中,18 號(hào)墩為明挖基礎(chǔ),其余為樁基礎(chǔ)。下穿點(diǎn)地下巖層主要為第四系人工填土、第四系海陸交互堆積層淤泥、粗砂和燕山期侵入花崗巖。 新建公路下穿公鐵合建橋梁平面示意見圖1,新建公路下穿公鐵合建橋梁立面示意見圖2。

圖2 新建公路下穿公鐵合建橋梁立面示意(單位:mm)

2 公路路基方案

2.1 計(jì)算原理

由于城際鐵路鋪設(shè)無砟軌道,且高速行駛的列車對(duì)軌道平順性要求較高,所以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形要求較高。 橋梁結(jié)構(gòu)的變形及受力需滿足鐵路規(guī)范要求。 公路路基對(duì)鐵路橋梁影響為較弱土層在路堤堆載以及運(yùn)營道路荷載作用下產(chǎn)生沉降和側(cè)向擠壓,路基堆載對(duì)樁基礎(chǔ)作用示意見圖3。

圖3 路基堆載對(duì)樁基礎(chǔ)作用示意(單位:mm)

2.2 設(shè)計(jì)方案

環(huán)山路標(biāo)準(zhǔn)寬度為8 m,斷面布置為2 m 人行道+6 m 機(jī)動(dòng)車道。 路基結(jié)構(gòu)從下到上分別為0.5 m 石屑?jí)|層、1.5 m 泡沫輕質(zhì)土和路面結(jié)構(gòu)層3 部分,坡度為1 ∶1.5。 下穿點(diǎn)①距離鐵路17 號(hào)墩為37.3 m,距離18 號(hào)墩為7.1 m,下穿點(diǎn)②距離鐵路22 號(hào)墩為5.4 m,距離23 號(hào)墩11.3 m。

3 路基下穿影響分析

3.1 模型建立

由于2 處下穿點(diǎn)的地質(zhì)條件差異較大,且相距較遠(yuǎn),所以2 處下穿點(diǎn)應(yīng)分別分析。 采用有限元軟件MIDAS GTS/NX 進(jìn)行分析,下穿點(diǎn)①和下穿點(diǎn)②的土層、路基和墩梁均采用實(shí)體單元,樁基采用梁單元;土層采用Molar-coulomb 模型,墩梁以及樁基采用彈性模型,土層底面為三向約束,側(cè)面為單向約束,頂面自由,新建公路下穿公鐵合建橋梁下穿點(diǎn)①有限元模型見圖4,新建公路下穿公鐵合建橋梁下穿點(diǎn)②有限元模型見圖5。

圖4 新建公路下穿公鐵合建橋梁下穿點(diǎn)①有限元模型

圖5 新建公路下穿公鐵合建橋梁下穿點(diǎn)②有限元模型

下穿點(diǎn)①和②處土層參數(shù)取值見表1。

表1 下穿點(diǎn)①和點(diǎn)②處土層參數(shù)取值

計(jì)算運(yùn)營期下穿道路對(duì)既有橋梁的影響,荷載包括路基自重,運(yùn)營期道路活載。 車道荷載為:均布荷載集中荷載施加在距離鐵路18 號(hào)墩最近處。

3.2 結(jié)果分析

下穿點(diǎn)①的鐵路墩17 號(hào)墩和18 號(hào)墩頂最大水平位移分別為2.27 mm 和2.39 mm。 公路墩48 號(hào)墩、49 號(hào)墩、52 號(hào)墩和53 號(hào)墩的最大墩頂水平位移分別為17.11,16.69,0.55,17.68 cm,見圖6、圖7。 公路墩為簡支梁橋墩,位移由墩底至墩頂呈現(xiàn)出線性增加趨勢(shì)。 在實(shí)際施工時(shí),需增加對(duì)剛構(gòu)橋整個(gè)墩身的監(jiān)測(cè)。

圖6 鐵路17 號(hào)~18 號(hào)墩、公路48 號(hào)~49 號(hào)&52 號(hào)~53 號(hào)墩水平位移

圖7 鐵路22 號(hào)~23 號(hào)墩、公路54 號(hào)~55 號(hào)&58 號(hào)~59 號(hào)墩水平位移

下穿點(diǎn)②的鐵路墩22 號(hào)墩和23 號(hào)墩頂最大水平位移分別為0.018 mm 和0.033 mm,公路墩54 號(hào)墩、55 號(hào)墩、58 號(hào)墩和59 號(hào)墩的最大墩頂水平位移分別為0.24,0.22,0.043,0.027 mm,見圖8。

圖8 淤泥就地固化示意(措施一)

4 處置措施比選

4.1 措施方案

對(duì)下穿點(diǎn)①給出2 種處置措施,第一種處置措施:在路基下方將淤泥就地固化,并在靠近橋墩基礎(chǔ)側(cè)設(shè)置?800 mm 間距200 mm 的水泥攪拌樁。 第二種處置措施:將路基改換樁板結(jié)構(gòu)下穿鐵路橋,樁板結(jié)構(gòu)的樁徑為1 m,間距2.5 m,樁端進(jìn)入弱風(fēng)化巖層2 m,見圖8 和圖9。

圖9 樁板結(jié)構(gòu)示意(措施二)(單位:mm)

4.2 有限元實(shí)現(xiàn)

措施一:在路基下方就地固化淤泥,固化劑摻量影響固化土的強(qiáng)度,固化淤泥的壓縮模量為100 MPa[20]。

措施二:將路基填土施工改為樁板結(jié)構(gòu),樁橫向間距4.9 m,縱向間距2.5 m,?1 m,入巖2 m,板結(jié)構(gòu)高2 m,采用C40 混凝土。

4.3 結(jié)果比較

計(jì)算道路施工過程中對(duì)公鐵合建橋梁的影響,主要計(jì)算結(jié)果見表2 和表3。

表2 淤泥就地固化后的墩頂位移 mm

表3 改用樁板結(jié)構(gòu)后的墩頂位移 mm

由表2、表3 可知,2 種措施均能有效控制墩頂位移。 其中,措施一最大墩頂水平位移為0.35 mm,位移減少85.02%;措施二最大墩頂水平位移為0.98 mm,位移減少58.15%。 但在最終施工階段下,措施一的墩頂水平位移為0.27 mm,措施二為0.25 mm,二者相差不大,但措施一中將淤泥就地固化可以改善土層,比樁板結(jié)構(gòu)對(duì)鐵路墩位移控制更有利。

分析處置后的下穿工程對(duì)既有鐵路橋的內(nèi)力影響。 就地固化:考慮附加力后,鐵路17 號(hào)墩單樁力為6 449.8 kN,單樁允許承載力為7 215 kN,滿足要求;18 號(hào)墩明挖基礎(chǔ)的基底應(yīng)力為1 045 kPa,允許應(yīng)力為1 200 kPa,滿足要求。 樁板結(jié)構(gòu):考慮附加力后,鐵路17 號(hào)墩單樁力為7 090 kN,單樁允許承載力為7 215 kN,滿足要求;18 號(hào)墩明挖基礎(chǔ)的基底應(yīng)力為1 170 kPa,允許應(yīng)力為1 200 kPa,滿足要求。 兩者雖然都能滿足要求,但樁板結(jié)構(gòu)施工時(shí)18 號(hào)墩基底應(yīng)力接近允許值,就地固化更加有優(yōu)勢(shì)。 對(duì)兩者的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較(見表4),就地固化具有更加優(yōu)勢(shì)的經(jīng)濟(jì)性,且就地固化施工更加方便,還可避免淤泥外運(yùn)。

表4 經(jīng)濟(jì)性比較 萬元

5 結(jié)語

(1)在未處理土層的情況下,路基下穿對(duì)鐵路橋和公路橋均有影響,會(huì)使公鐵合建橋產(chǎn)生較大的墩頂位移。 對(duì)于剛構(gòu)橋墩來說,墩身位移為非線性,除需要關(guān)注墩頂外,墩身位移也需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

(2)2 種處置措施均可以使得既有鐵路橋位移滿足規(guī)范要求,其中,措施一最大墩頂水平位移為0.35 mm;措施二最大墩頂水平位移為0.98 mm。 但采用就地固化淤泥具有更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。

(3)由于理論計(jì)算往往與實(shí)際施工有部分出入,施工期間應(yīng)進(jìn)行鐵路工程施工監(jiān)測(cè),并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比。