新建市政橋梁下穿在建高鐵橋梁的影響分析

摘要 為了準(zhǔn)確分析新建市政橋梁下穿工程對在建高鐵橋梁的影響，采用Midas GTS NX來建立三維空間模型，分析市政橋梁下穿工程施工及運(yùn)營過程對在建高速鐵路既有橋墩變形的影響。研究表明：下穿橋梁搭設(shè)支架并現(xiàn)澆箱梁、通車運(yùn)營階段對在建高鐵既有橋墩變形影響較大，施工便道施工與通行、樁基施工過程對在建高鐵既有橋墩變形影響較小，墩臺(tái)施工、修建過水渠及蓋板涵并通水過程對在建高鐵既有橋墩變形影響非常小，市政橋梁下穿施工及運(yùn)營各階段，對在建高鐵既有橋墩變形的影響均處于可控范圍。

關(guān)鍵詞 高速鐵路；橋梁下穿；位移變形；有限元分析

中圖分類號(hào) U443.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）07-0078-03

0 引言

隨著我國高速鐵路事業(yè)的迅猛發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)絡(luò)日趨完善，截至2021年末，全國高速鐵路營業(yè)里程達(dá)到4萬公里[1]。同時(shí)，隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷深入，各城鎮(zhèn)市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到了快速發(fā)展，新建工程與高速鐵路交叉的情況也時(shí)有發(fā)生。為了確保高鐵橋梁的結(jié)構(gòu)安全，需要下穿橋梁對在建高速鐵路橋梁的影響進(jìn)行分析。在下穿高速鐵路橋梁的項(xiàng)目中，施工主體多以管道、道路、橋梁等為主，目前也要相關(guān)學(xué)者做了一些分析研究工作[2-5]。

該文依托新建科院北路下穿在建福廈高鐵項(xiàng)目，通過數(shù)值模擬分析的方法研究新建市政橋梁施工及運(yùn)營階段對在建高鐵橋梁的影響，為類似下穿工程的實(shí)施提供一些參考。

1 工程概況

在建福廈高鐵是我國“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)中東南沿海高速鐵路的重要通道，項(xiàng)目北起福建省福州市，途經(jīng)莆田市和泉州市，南至廈門市和漳州市，連接起福建省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)，設(shè)計(jì)速度為350 km/h，采用無砟軌道。該次被下穿前埔特大橋橋跨布置為（36×32+2×24+4×

32）m簡支箱梁。

新建科院北路為城市主干路，雙向六車道，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，項(xiàng)目下穿在建福廈高鐵前埔特大橋是重要的交叉節(jié)點(diǎn)工程。在交叉節(jié)點(diǎn)工程處，科院北路以橋梁的形式從福廈高鐵前埔特大橋35#～38#墩間分四幅下穿。

2 下穿方案設(shè)計(jì)

考慮涉鐵交叉相關(guān)要求，并考慮道路運(yùn)營舒適性、施工方便、造價(jià)等方面的因素，同時(shí)注意造型美觀，與周圍的環(huán)境協(xié)調(diào)，科院北路采用PC現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)形式下穿在建福廈高鐵。下穿橋梁由主線左橋、主線右橋、輔道左橋和輔道右橋共4幅組成，橋跨布置均為（20+30+20）m現(xiàn)澆箱梁。

科院北路下穿福廈高鐵橋采用雙向六車道，4幅橋橋長均為77 m，主線左橋和主線右橋橋?qū)捑鶠?3.38 m，輔道左橋橋?qū)挒?.815 m，輔道右橋橋?qū)挒?0.815 m。其中，輔道左橋于前埔特大橋37#墩～38#墩之間下穿，交叉處前埔特大橋上部結(jié)構(gòu)為1×24 m簡支箱梁，交叉角度86.3°，交叉處最小凈空8.23 m。主線左橋于前埔特大橋36#墩～37#墩之間下穿，交叉處前埔特大橋上部結(jié)構(gòu)為1×24 m簡支箱梁，交叉角度86.5°，交叉處最小凈空7.88 m。主線右橋于前埔特大橋37#墩～38#墩之間下穿，交叉處前埔特大橋上部結(jié)構(gòu)為1×32 m簡支箱梁，交叉角度86.5°，交叉處最小凈空7.87 m。輔道右橋于前埔特大橋37#墩～38#墩之間下穿，交叉處前埔特大橋上部結(jié)構(gòu)為1×32 m簡支箱梁，交叉角度85.9°，交叉處最小凈空8.15 m。

同時(shí)，為了科院北路下穿福廈高鐵橋施工需要，在平行于高鐵橋墩2側(cè)設(shè)置2條施工便道，距離高鐵橋墩位置約為10 m。此外，為了滿足科院北路下穿福廈高鐵橋排水要求，在既有路基下設(shè)置1.8 m×1.6 m的蓋板線外涵，涵長約16 m，在下穿福廈高鐵前埔特大橋34#墩～35#墩之間設(shè)置明溝，明溝頂凈寬2.8 m，底凈寬1 m，高1.5 m。

3 計(jì)算分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

為了更有針對性地對新建市政橋梁下穿在建高速鐵路橋梁的影響進(jìn)行分析，需要對項(xiàng)目實(shí)施過程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別。通過對該項(xiàng)目下穿方案的詳細(xì)分析，下穿橋梁施工及運(yùn)營階段主要存在6個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)一是便道施工對在建高鐵既有橋墩的影響。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)二是下穿橋梁樁基施工對在建高鐵既有橋墩的影響。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)三是下穿橋梁承臺(tái)與橋墩施工對在建高鐵既有橋墩的影響。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)四是下穿橋梁澆筑施工及通行對在建高鐵既有橋墩的影響。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)五是34#～35#墩間施工過水涵及水溝并通水狀態(tài)對在建高鐵既有橋墩的影響。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)六是橋梁運(yùn)營對在建高鐵既有橋墩的影響。

3.2 計(jì)算方法

該次研究采用數(shù)值模擬分析的方法，對科院北路下穿福廈高鐵橋施工及運(yùn)營過程對福廈高鐵樁基、承臺(tái)及橋墩的影響進(jìn)行分析。該次數(shù)值模擬分析采用Midas GTS NX進(jìn)行仿真建模，并分析交叉處的高鐵樁基、承臺(tái)及橋墩變形的變化規(guī)律，以此對其下穿工程施工對高速鐵路橋梁的影響作出評價(jià)。

3.3 有限元模型建立

為了能夠考慮了土體開挖后土體硬化效應(yīng)，較好地描述土體和巖體在土體開挖與回填作用下的力學(xué)響應(yīng)，該次有限元分析采用的巖體破壞準(zhǔn)則為修正摩爾庫倫本構(gòu)準(zhǔn)則，并根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告取用相應(yīng)巖土體物理力學(xué)參數(shù)。

科院北路下穿福廈高鐵橋全長77 m，橋面寬度合計(jì)約46 m，與之相交的高鐵橋墩為34#～39#墩，共計(jì)6個(gè)橋墩。為了能夠很好地確保計(jì)算結(jié)果不受邊界效應(yīng)的影響，該次有限元計(jì)算模型尺寸中的深度需取到基巖層，長度及寬度需取到核心計(jì)算區(qū)域結(jié)構(gòu)體范圍2倍以上，故該次所取計(jì)算模型尺寸為長寬高分別為200 m×160 m×50 m，并據(jù)此建立了圖1所示有限元模型。

為了全面分析科院北路下穿福廈高鐵橋施工前后對前埔特大橋樁基、承臺(tái)及橋墩的影響，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施工程中的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，該次計(jì)算設(shè)置了如下8個(gè)施工階段：

（1）高鐵橋梁樁基、承臺(tái)和橋墩成橋狀態(tài)。

（2）下穿橋梁施工便道施工與通行。

（3）下穿橋梁樁基施工。

（4）下穿橋梁承臺(tái)與橋墩施工。

（5）下穿橋梁搭設(shè)支架并現(xiàn)澆箱梁。

（6）下穿橋梁澆筑完成成橋狀態(tài)（支架已拆除）。

（7）下穿橋梁修建過水渠及蓋板涵并通水階段。

（8）橋梁運(yùn)營階段。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合該項(xiàng)目的6個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果提取將重點(diǎn)圍繞各施工階段中高鐵橋梁樁基、承臺(tái)及橋墩的變形進(jìn)行，并標(biāo)記墩頂最大值。通過分析計(jì)算，各施工階段高鐵橋墩墩頂各方向最大累計(jì)位移如表1所示。各施工階段各墩頂累計(jì)位移變化圖如圖2所示。

結(jié)合主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，通過對科院北路下穿福廈高鐵橋施工及運(yùn)營過程數(shù)值模擬分析，可得到如下計(jì)算結(jié)果：

（1）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)一（下穿橋梁便道施工階段）：下穿橋梁施工便道施工與通行過程中對高鐵橋墩變形影響較小，引起墩頂最大豎向累計(jì)位移為0.173 mm，位于37#墩；墩頂最大縱向水平累計(jì)位移為0.130 mm，位于35#墩；墩頂最大橫向水平累計(jì)位移為0.196 mm，位于37#墩。

（2）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)二（下穿橋梁樁基施工階段）：下穿橋梁樁基施工過程中對高鐵橋墩變形影響較小，引起最大的墩頂最大豎向累計(jì)位移為0.314 mm，位于37#墩；墩頂最大縱向水平累計(jì)位移為0.265 mm，位于38#墩；墩頂最大橫向水平累計(jì)位移為0.245 mm，位于37#墩。

（3）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)三（下穿橋梁承臺(tái)與橋墩施工階段）：下穿橋梁承臺(tái)與橋墩施工過程中對高鐵橋墩變形影響非常小，引起墩頂最大豎向累計(jì)位移為0.377 mm，位于37#墩；墩頂最大縱向水平累計(jì)位移為0.344 mm，位于38#墩；墩頂最大橫向水平累計(jì)位移為0.293 mm，位于37#墩。

（4）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)四（下穿橋梁澆筑施工階段）：下穿橋梁搭設(shè)支架并現(xiàn)澆箱梁階段對高鐵橋墩變形影響相對較大，引起的墩頂最大豎向累計(jì)位移0.815 mm，位于37#墩；墩頂最大縱向水平累計(jì)位移為0.755 mm，位于38#墩；墩頂最大橫向水平累計(jì)位移為0.394 mm，位于38#墩。

（5）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)五（施工過水涵及水溝并通水狀態(tài)）：修建過水渠及蓋板涵并通水過程中對高鐵橋墩變形影響非常小，引起的墩頂最大豎向累計(jì)位移0.609 mm，位于37#墩；墩頂最大縱向水平累計(jì)位移為0.614 mm，位于38#墩；墩頂最大橫向水平累計(jì)位移為0.330 mm，位于38#墩。

（6）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)六（橋梁運(yùn)營階段）：橋梁運(yùn)營階段對高鐵橋墩變形影響相對較大，引起墩頂最大豎向累計(jì)位移為1.156 mm，位于37#墩；墩頂最大縱向水平累計(jì)位移為1.111 mm，位于38#墩；墩頂最大橫向水平累計(jì)位移為0.308 mm，位于38#墩。

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）中3.03條規(guī)定，下穿工程無砟軌道影響高速鐵路橋梁墩臺(tái)頂橫向水平位移、縱向水平位移和豎向位移限制均為±2 mm[6]。由高鐵橋梁墩臺(tái)頂各方向位移結(jié)果可知，橋梁下穿各施工及運(yùn)營階段引起的墩頂最大豎向累計(jì)位移、縱向水平累計(jì)位移和橫向水平累計(jì)位移分別為1.156 mm、1.111 mm、0.394 mm，均小于2 mm，滿足規(guī)范相應(yīng)要求，上述各風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)均處于可控范圍。

4 結(jié)論與建議

（1）科院北路下穿福廈高鐵橋施工及運(yùn)營階段對在建高鐵既有橋墩的影響均處于可控范圍，引起的福廈高鐵既有橋墩墩頂最大豎向累計(jì)位移為1.156 mm，最大縱向水平累計(jì)位移1.111 mm，最大橫向水平累計(jì)位移0.394 mm，均滿足位移限制要求。

（2）下穿橋梁搭設(shè)支架并現(xiàn)澆箱梁、通車運(yùn)營階段對在建高鐵既有橋墩變形影響較大，施工便道施工與通行、樁基施工過程對在建高鐵既有橋墩變形影響較小，墩臺(tái)施工、修建過水渠及蓋板涵并通水過程對在建高鐵既有橋墩變形影響非常小，施工及運(yùn)營各階段，對在建高鐵既有橋墩的影響均處于可控范圍。

（3）福廈高鐵前埔特大橋?yàn)樵诮üこ?，根?jù)有限元分析結(jié)果，因施工引起的墩頂最大豎向位移為1.156 mm。若該工程在福廈高鐵前埔特大橋架梁前完成，可由高鐵施工單位通過利用墊石厚度來調(diào)整；若在架梁后鋪軌前完成，可通過利用軌道結(jié)構(gòu)精調(diào)來調(diào)整。

（4）在下穿橋梁施工過程中，需加強(qiáng)施工過程安全管理，對受影響的在建高鐵既有橋墩應(yīng)實(shí)施全過程監(jiān)測，并采取可行的防護(hù)方案，如出現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時(shí)停止施工并進(jìn)行相應(yīng)處治。

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