高速鐵路橋梁并行地段的線間距研究

劉 佳

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

高速鐵路以高速度、高舒適度、高安全性和高密度連續(xù)運(yùn)營(yíng)等特點(diǎn)，要求軌道具有持久穩(wěn)定的高平順性。這對(duì)高速鐵路橋梁基礎(chǔ)工后沉降及不均勻沉降提出了非常嚴(yán)格的控制要求［1-2］。新建高速鐵路位于華北平原中部，連接兩個(gè)省會(huì)級(jí)的重要城市，是我國(guó)“四縱四橫”客運(yùn)專線網(wǎng)中的重要組成部分。其中某段線路與既有高速鐵路共通路，并行段橋梁長(zhǎng)度68 km。在并行路段設(shè)計(jì)中，一方面要求保證新建高鐵的建設(shè)不對(duì)既有高速鐵路產(chǎn)生影響或影響較小，保證既有高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全;另一方面要盡量壓縮兩條鐵路之間距離，以節(jié)省占地。本文以此為研究對(duì)象，得出兩線的合理線間距。

1 沉降量有限元計(jì)算

本文使用巖土有限元程序Plaxis.8.x，其中土體是服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則及非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則的理想彈塑性模型，土體的固結(jié)、滲流和蠕變等基本特性能被很好的模擬。將既有高鐵結(jié)構(gòu)物作為基本初始狀態(tài)，計(jì)算土層的初始應(yīng)力狀態(tài)。然后在這種狀態(tài)下建立新建高鐵的結(jié)構(gòu)物模型，計(jì)算土層的應(yīng)力及沉降變化情況，進(jìn)而考查土層變形對(duì)既有高鐵結(jié)構(gòu)物的影響。

1.1 計(jì)算模型

首先在有限元模型中建立橋梁樁基礎(chǔ)和承臺(tái)的模型，將上部結(jié)構(gòu)的恒載轉(zhuǎn)換為承臺(tái)的自重施加到模型上。模型左邊為新建高鐵的下部結(jié)構(gòu)，右邊為既有高鐵的下部結(jié)構(gòu)，整個(gè)模型的原點(diǎn)設(shè)置在新建高鐵的線路中線上。承臺(tái)底距離地表2.2 m，樁長(zhǎng)48 m，橫向建立4根樁，樁間距根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］要求按照2.5倍成孔樁徑設(shè)計(jì)，即2.8 m。承臺(tái)的范圍只考慮到兩邊樁的最外側(cè)，寬度為2.8×3=8.4 m。模型總寬度140 m，土層總深度70 m。模型邊界按照不發(fā)生滲流考慮。按照相鄰線線間距為15，20，25和30 m 4種間距建模，有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

為了使計(jì)算更加具有代表性，對(duì)本段地質(zhì)資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，形成概化的地質(zhì)資料參數(shù)。將土層分為14層，地下水位深度2.2 m，具體土層參數(shù)見(jiàn)表1。

在確定土的有效范圍時(shí)，按照等效作用分層總和法，將樁基視作實(shí)體基礎(chǔ)，采用從群樁樁頂外圍按φ/4向下擴(kuò)散［3-4］，土體土層的加權(quán)平均得到的6°擴(kuò)散角，從承臺(tái)以下樁的外側(cè)邊緣擴(kuò)散至樁尖深度，最終形成一個(gè)高48.0 m、寬15.9 m的土柱，如圖2所示。為了簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變模型，將樁的剛度和重量平均分布到15.9 m的寬度上，然后取單延米進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)土體受壓過(guò)程，將計(jì)算分為3個(gè)施工階段，見(jiàn)表2。

表1 土層參數(shù)

表2 施工階段說(shuō)明

圖2 計(jì)算示意(單位:m)

1.2 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算，線間距為15，20，25和30 m 4種情況下，新建高鐵的橋梁施工造成既有高鐵橋梁樁尖以下最大沉降量如表3所示，可以看出，隨著線間距的增大，沉降量基本呈線性減小的趨勢(shì)。圖3為15 m線間距時(shí)既有高鐵的沉降量分布。圖中x坐標(biāo)原點(diǎn)為既有線邊樁中心。

從沉降角度來(lái)看，兩線的線間距應(yīng)≥25 m。

表3 既有高鐵沉降計(jì)算結(jié)果

圖3 15 m線間距時(shí)既有高鐵橋梁樁尖以下沉降量

2 施工安全研究

與既有高鐵并行地段新建高速鐵路的橋梁長(zhǎng)度約68 km，考慮既有高鐵已經(jīng)運(yùn)營(yíng)通車，列車時(shí)速高，沉降要求嚴(yán)格，并行范圍長(zhǎng)，施工期間鉆機(jī)、吊機(jī)作業(yè)等勢(shì)必對(duì)既有高鐵運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響，根據(jù)相關(guān)文件規(guī)定［5］，此類施工按照對(duì)既有高鐵行車安全的影響，為A類施工。按照鉆機(jī)、吊機(jī)施工機(jī)械傾覆、旋轉(zhuǎn)等可能侵入既有高鐵箱梁梁體或影響接觸網(wǎng)安全進(jìn)行分析，以確定合理的線間距。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，并行段既有高鐵和新建高鐵平均橋高為11 m，其中梁頂至地面平均高度為10 m。

2.1 鉆機(jī)作業(yè)

鉆機(jī)作業(yè)時(shí)，鉆機(jī)大臂長(zhǎng)17 m，鉆頭高1.5 m，鉆頭距離地面1.5 m，鉆機(jī)作業(yè)時(shí)總高度為20 m，旋轉(zhuǎn)半徑為4 m。如圖4所示，鉆桿傾覆時(shí)，若考慮2 m安全值，則相鄰線最小線間距需要25 m。

2.2 吊車作業(yè)

吊機(jī)作業(yè)時(shí)，鋼筋籠長(zhǎng)16.5 m，吊索長(zhǎng)5 m，鋼筋籠距離地面1 m，終起吊高度為23 m。

施工時(shí)可能有以下情況發(fā)生:

1)吊索斷裂，鋼筋籠從吊機(jī)掉落下來(lái)向既有高鐵傾覆;

2)吊機(jī)失穩(wěn)，吊桿向既有高鐵傾覆。

如圖5所示，鋼筋籠傾覆和吊機(jī)失穩(wěn)吊桿傾覆兩種情況的傾覆曲線，以鋼筋籠傾覆最為不利，考慮起吊高度、鋼筋籠吊裝位置等變化因素，鋼筋籠傾覆時(shí)增加2 m安全距離，既有高鐵與新建高鐵相鄰線的線間距取25 m，可以確保并行段基礎(chǔ)施工時(shí)高鐵的運(yùn)營(yíng)安全。

圖4 鉆機(jī)作業(yè)

圖5 吊機(jī)作業(yè)

3 結(jié)論與建議

綜合以上沉降分析及安全施工影響分析，與既有高鐵橋梁并行地段，新建高鐵修建橋梁時(shí)，相鄰線的線間距宜采用25 m。同時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1)上述線間距的結(jié)論是在本段概化地質(zhì)資料基礎(chǔ)上取值計(jì)算所得，考慮最不利的地質(zhì)情況，實(shí)際采用時(shí)宜適當(dāng)考慮富余量。

2)新建高鐵施工期間嚴(yán)禁抽水作業(yè)，可采取隔水措施，防止水位降低引起地層沉降對(duì)既有高鐵運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響。

3)新建高鐵橋梁施工期間應(yīng)采用鋼板樁等防護(hù)措施，減少基坑開(kāi)挖面積，同時(shí)坑底位于地下水位以下的，應(yīng)采用封底混凝土進(jìn)行止水。

4)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，提前做好相關(guān)預(yù)案。

［1］冷伍明，楊奇，聶如松，等.高速鐵路橋梁樁基工后沉降組合預(yù)測(cè)研究［J］.巖土力學(xué)，2011(11):3341-3348.

［2］姚連凱.客運(yùn)專線橋梁基礎(chǔ)沉降計(jì)算和分析［J］.鐵道建筑，2007(12):13-15.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［4］張忠苗.樁基工程［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［5］北京鐵路局.京鐵師函［2009］700號(hào) 新建鐵路鄰近營(yíng)業(yè)線施工分類管理規(guī)定［Z］.北京:北京鐵路局，2009.