某集裝箱鐵路工程下穿津秦高速鐵路橋梁安全影響分析

周津斌

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁處，天津 300142)

某集裝箱鐵路工程下穿津秦高速鐵路橋梁安全影響分析

周津斌

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁處，天津 300142)

下穿既有高速鐵路橋梁工程，施工期間及運營階段的橋下工程恒載及活載影響，會導致既有高速鐵路周圍土體發(fā)生垂直和水平運動，產(chǎn)生的附加應(yīng)力會引起臨近的既有高速鐵路基礎(chǔ)產(chǎn)生豎向沉降及側(cè)向位移，數(shù)值過大甚至會影響到高速鐵路運營安全。結(jié)合某在建集裝箱五線鐵路下穿已建成的津秦高速鐵路橋梁工程，利用樁土共同作用有限元程序plaxis等有限元軟件，從承載力、水平變形及沉降等方面分析土體運動對津秦高速鐵路橋梁的安全影響。分析結(jié)果表明，以路基下穿津秦高速鐵路方案沉降影響超出允許范圍，存在安全風險，后改為樁板結(jié)構(gòu)下穿。

下穿高速鐵路橋梁;附加應(yīng)力;樁基承載力;沉降影響;Plaxis有限元;影響評估

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市與城市之間的聯(lián)系越來越緊密，高速鐵路可靠、快捷的特點也成為了人們出行的重要交通工具。但是高速鐵路的高安全性及高密度持續(xù)運營的特點也要求軌道具備穩(wěn)定的平順性，且目前運營的大部分高速鐵路采用的都是無砟軌道，這就對高速鐵路橋梁變形及基礎(chǔ)工后沉降提出了嚴格的要求［1］。線下工程沉降變形穩(wěn)定是無砟軌道鋪設(shè)的必要條件，對其進行控制和研究具有重大的工程意義。

高速鐵路項目建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，導致大量的新建鐵路、公路等交通工程需以下穿形式通過既有高速鐵路。當新建結(jié)構(gòu)距離高速鐵路橋墩較近時，施工期間會不可避免地產(chǎn)生對土層的擾動，導致地面不同程度的沉降。而交通工程運營后，新建結(jié)構(gòu)的恒載及其上活載也會導致周圍土體的垂直和水平運動，從而使臨近的高速鐵路橋梁基礎(chǔ)增加了附加應(yīng)力和彎矩，從而產(chǎn)生豎向沉降、側(cè)向位移，數(shù)值較大時甚至嚴重影響到高速鐵路的安全運營。

所以在橋下臨近結(jié)構(gòu)物(譬如橋梁、路基、樁板結(jié)構(gòu)等)進行施工前，如何合理的評估及分析對高速鐵路的安全影響是一個重要而亟待解決的問題。

2 工程概況

某集裝箱工程的既有北環(huán)左線(BHK)、新建進港三線左線、新建進港三線右線、改建北環(huán)右線(YBHK)及改建專用線(ZDK)均以路基形式依次從津秦高速鐵路寧車沽永定新河特大橋32號橋墩和33號橋墩之間分幅下穿通過，夾角約69°。如圖1所示。

津秦高速鐵路寧車沽永定新河特大橋為雙線，設(shè)計速度目標值350 km/h，32、33號橋墩采用圓端形實體橋墩，為(32+48+32)m連續(xù)梁的中墩，墩高17m，均采用12根直徑1.5m的鉆孔樁基礎(chǔ)。設(shè)計參數(shù)資料見表1。

表1 寧車沽永定新河特大橋32～33號墩基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)

由圖1可知，最外側(cè)改建專用線(ZDK)與津秦高速鐵路32號橋墩邊緣的最小距離為4.66 m，平面布置滿足限界要求。

圖1 集裝箱工程鐵路與津秦高速鐵路交叉平面關(guān)系(單位:m)

3 控制因素

3.1 對高速鐵路橋梁基礎(chǔ)承載力的影響

新建工程對臨近高速鐵路橋墩基礎(chǔ)設(shè)計承載力的影響，可能會導致基礎(chǔ)的樁長增加，樁身截面配筋的增大，如果原設(shè)計的安全富余量不足，則會影響到高速鐵路橋梁的安全性，對高速鐵路橋梁基礎(chǔ)承載力的主要影響如下。

(1)附加荷載對高速鐵路承臺的偏壓影響

臨近高速鐵路橋墩的新建工程，當為高填路基及橋梁形式時，結(jié)構(gòu)自身的恒載及運營期間的活載會產(chǎn)生豎向力。根據(jù)垂直荷載引起土體內(nèi)應(yīng)力的計算方法，這些豎向外力將會換算成當量的附加土重向下擴散，當擴散范圍恰好影響到高速鐵路承臺一側(cè)時，則會對承臺頂面產(chǎn)生豎向偏壓作用，從而導致高速鐵路橋梁基礎(chǔ)承載力增大。

(2)附加荷載對承臺的水平力影響

隨著高速鐵路橋梁下新建工程的基坑不斷開挖，地表發(fā)生沉降，承臺側(cè)向的土體會發(fā)生松動，承臺側(cè)的土體抗力會削減，承臺另一側(cè)則會產(chǎn)生不平衡土壓力。

(3)附加應(yīng)力引起樁基側(cè)負摩阻力的影響

新建工程的基坑開挖時，導致臨近土體發(fā)生沉降，這將引起高速鐵路承臺側(cè)土體發(fā)生相對于承臺向下的位移，此時承臺側(cè)摩阻力的方向?qū)⑴c正常情況相反，即產(chǎn)生負摩阻力，這將對橋墩樁基礎(chǔ)產(chǎn)生豎向附加力。

新建工程竣工運營后，恒載及車輛活載也將轉(zhuǎn)化為附加豎向應(yīng)力，需要考慮附加應(yīng)力在影響土層范圍內(nèi)對樁基側(cè)面摩阻力的部分抵消作用，樁側(cè)摩阻力應(yīng)在影響范圍內(nèi)進行折減，對原基礎(chǔ)設(shè)計進行檢算。

(4)其他影響

當高速鐵路橋梁下為鉆孔樁，施工時會產(chǎn)生大量泥漿、廢水等地表水;大量地表水的下滲會影響地下水位的變化，進而影響高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)的承載力。

3.2 對高速鐵路橋梁的墩頂位移影響

新建工程施工及運營階段產(chǎn)生的附加應(yīng)力對土層的擾動，使承臺側(cè)土層側(cè)抗力及地基比例系數(shù)m0的減小，從而影響基礎(chǔ)的剛度，導致墩頂位移的增大。為了保證高速鐵路橋梁上軌道的平順穩(wěn)定性及列車的安全舒適性，《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(試行)對墩頂橫、縱向位移均有規(guī)定，即橋墩縱向頂彈性水平位移△≤5(L為橋梁跨度)，橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應(yīng)不大于1‰rad。

3.3 對高速鐵路橋梁的基礎(chǔ)沉降影響

沉降是由基礎(chǔ)與地基土之間相互影響的綜合結(jié)果，由基礎(chǔ)和承臺組成的群樁結(jié)構(gòu)，在施工時及運營階段時產(chǎn)生的豎向荷載作用下的沉降主要有:樁身的彈性壓縮變形，由樁頂豎向荷載和樁側(cè)摩阻力及樁端阻力共同作用產(chǎn)生;樁端土層的壓縮變形，由樁端應(yīng)力、樁身剪切應(yīng)力和承臺底反力通過樁間土傳遞到樁端平面后共同作用產(chǎn)生;樁端的刺入變形，由樁端應(yīng)力引起樁端土層明顯的塑性變形產(chǎn)生。

以上幾方面的共同作用導致高速鐵路橋梁基礎(chǔ)的附加沉降，《高速鐵路設(shè)計規(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20mm，相鄰墩臺不均勻沉降不超過5mm。

4 安全影響分析

4.1 基礎(chǔ)承載力影響

由于集裝箱鐵路工程在津秦高速鐵路橋下約2m高填土路基及其上通過5線列車荷載，且最外側(cè)的改建專用線(ZDK)的路基邊坡直接壓在津秦32號墩的承臺上，故橋下鐵路建成后產(chǎn)生的附加荷載會對津秦高速鐵路橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生影響(圖2)。

如圖2所示應(yīng)力傳遞與豎直線成角度向下擴散時，路基填土及活載對承臺產(chǎn)生的豎向偏壓作用于承臺頂面，且擴散范圍在其影響土層范圍內(nèi)對樁基側(cè)面摩阻力的部分抵消作用，樁側(cè)摩阻力應(yīng)在影響范圍內(nèi)進行折減。33號橋墩因為預留路基較遠，承臺不受影響，樁基受附加應(yīng)力的部分影響。

圖2 32、33號墩附加應(yīng)力影響(單位:高程為m，其余cm)

經(jīng)計算，32號墩由于偏壓承臺底產(chǎn)生縱向彎矩為10 185.96 kN·m，承臺底產(chǎn)生橫向彎矩為6 523.59 kN·m。經(jīng)檢算，由于路基填土及列車活載產(chǎn)生的附加應(yīng)力導致樁基的單樁設(shè)計承載力增大，但原設(shè)計中的地基容許承載力富余量較大，不必增加樁長及樁基配筋。

4.2 基礎(chǔ)變形影響

基礎(chǔ)變形包括基礎(chǔ)水平變形及沉降兩方面，采用巖土有限元程序Plaxis 8．x二維專業(yè)版進行模擬分析。

4.2.1 有限元模型

簡化為二維平面應(yīng)變模型，模型總寬度160m，土層總深度100m，有限元模型見圖3。在考慮實際工點地質(zhì)資料的條件下，首先在有限元模型中建立集裝箱鐵路路基和津秦橋梁樁基礎(chǔ)及承臺的模型，再將進港三線的鐵路荷載轉(zhuǎn)換為均布荷載加到路基上。模型的左側(cè)為32號墩樁基，右側(cè)為33號墩樁基。土體采用摩爾－庫侖模型來模擬土的本構(gòu)關(guān)系，土體左右邊界采用水平約束，不發(fā)生滲流;底邊界采用固定約束，允許發(fā)生滲流。對于垂直平面方向的排樁，考慮平面應(yīng)變中對樁間距和樁土效應(yīng)進行等效處理，考慮剛度換算，用板樁模擬。

4.2.2 土層參數(shù)

土體采用摩爾－庫倫屈服條件為破壞準則的理想彈塑性模型，將墩位所在的地面線以下劃分為25個土層，具體參數(shù)取自工程勘察報告，地質(zhì)資料見表2。

圖3 有限元模型示意

表2 土層參數(shù)

4.2.3 模擬施工階段

共模擬計算4個施工階段，分別為:施加土層自重和靜水壓力的初始階段、津秦高速鐵路橋梁現(xiàn)狀階段、施工集裝箱鐵路路基階段及集裝箱鐵路運營階段。

4.2.4 分析結(jié)果

(1)施工集裝箱鐵路路基后(未運營)，對津秦高速鐵路橋基礎(chǔ)的影響:

32號墩基礎(chǔ)沉降12.26mm，水平位移23.58mm;33號墩基礎(chǔ)沉降2.79 mm，水平位移16.13 mm。見圖4～圖 6。

(2)集裝箱鐵路運營后(多線行車時)，對津秦高速鐵路橋基礎(chǔ)的影響:

圖4 施工路基后基礎(chǔ)變形示意

圖5 施工路基后基礎(chǔ)整體豎向位移云圖

圖6 施工路基后基礎(chǔ)整體水平向位移云圖

圖7 橋下鐵路運營后基礎(chǔ)變形示意

圖8 橋下鐵路運營后基礎(chǔ)整體豎向位移云圖

圖9 橋下鐵路運營后基礎(chǔ)整體水平向位移云圖

32號墩基礎(chǔ)沉降47.77mm，水平位移31.77mm;33號墩基礎(chǔ)沉降17.10mm，水平位移26.80mm。見圖 7～圖 9。由圖4～圖9及結(jié)果可以看到，基礎(chǔ)的水平位移影響不大，但由于集裝箱鐵路工程路基填土距32號橋墩基礎(chǔ)較近，且路基上為5線鐵路活載影響，活載通過路基的傳遞對津秦橋梁的基礎(chǔ)影響很大，津秦32、33號墩的附加沉降值分別為47.77、17.10mm，即使考慮了5線鐵路活載不同步的影響，如再加上津秦橋梁原有的工后沉降，也遠遠超過無砟軌道均勻沉降20 mm及相鄰墩沉降差5mm的限值要求。

通過以上的安全性影響分析可知，集裝箱鐵路工程以路基方案下穿津秦鐵路橋時，不能滿足鐵路規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，方案不可行，需優(yōu)化為其他結(jié)構(gòu)形式通過。因此在實際工程實施中，已將集裝箱專用線的路基方案變更為較合理的樁板結(jié)構(gòu)方案。

5 施工中的建議

本文以實際工程為例，針對新建工程下穿高速鐵路橋梁的安全性，施工方面有如下建議。

(1)施工過程中，嚴禁施工機具或人為因素對高速鐵路橋墩墩身、基礎(chǔ)及梁部造成損傷。避免使用大型施工機械，尤其是大型振動壓路機避免在橋下范圍使用。高速鐵路橋墩周圍不得堆土、棄土、存放材料及大型設(shè)備、設(shè)施等，以免橋梁產(chǎn)生加載或偏壓，引起橋梁下沉、傾斜等安全隱患。

(2)應(yīng)避免雨季施工，基坑降水要結(jié)合地質(zhì)特點、開挖深度、地下水等因素綜合考慮，原則上采用止水帷幕等局部封閉措施，防止降水對高速鐵路的影響。抽水過程中，要觀測地下水位有無異?，F(xiàn)象，相鄰橋墩有無沉降發(fā)生等。

做好橋下交通工程施工及運營期間的排水設(shè)計，避免在高速鐵路橋下出現(xiàn)積水，浸泡鐵路橋梁基礎(chǔ)。

(3)下穿高速鐵路橋梁的新建工程，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)特點、周邊環(huán)境及施工工法等，原則上優(yōu)先采用明挖防護施工方案，采用封閉的局部排水方案，避免由于水位變化引起橋梁下沉;采用頂進施工時，分析頂進施工對基礎(chǔ)周圍土層擾動情況，避免引起基礎(chǔ)周圍土層隆起、下沉，甚至造成樁身摩阻力損失或負摩阻力的產(chǎn)生。

(4)橋下新建工程的地基需要強化處理時，不宜采用CFG樁、挖孔樁、鉆孔樁等置換樁方案，有條件時采取擠密樁、靜壓沉樁等，減少因地基置換引起土體松動造成地應(yīng)力重分布，從而導致鐵路橋梁變形。

(5)注意查清施工范圍內(nèi)的管線及其他可能產(chǎn)生影響的設(shè)施，并及時拆改，確保施工安全。

(6)下穿高速鐵路施工時［2］，僅僅通過理論分析會存在一定誤差，因此現(xiàn)場監(jiān)控量測是工程中必不可少的手段，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測可以驗證理論分析的結(jié)果并及時發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患。所以應(yīng)制定針對高速鐵路橋梁變形監(jiān)測方案，加強受影響橋墩的變形監(jiān)測，并制定應(yīng)急處理預案。

6 結(jié)語

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，新建交通工程下穿已建成或運營高速鐵路的現(xiàn)象越來越多，所以如何正確合理地評估其對高速鐵路的安全影響是非常重要的。結(jié)合某集裝箱專用線下穿津秦高速鐵路寧車沽永定新河特大橋32～33號墩，從樁基承載力、墩頂位移及基礎(chǔ)沉降等多方面的影響計算分析對高速鐵路橋梁的影響，并給出施工前的一些具體建議，研究成果可為同類工程提供一定的參考。

［1］王基全，哈大鐵路客運專線橋梁、路基沉降變形曲線收斂規(guī)律研究［J］．鐵道標準設(shè)計，2012(5):10－13．

［2］譚富圣．地鐵隧道下穿擴大基礎(chǔ)橋梁施工分析［J］．鐵道標準設(shè)計，2009(10):100－102．

［3］冷伍明，楊奇，聶如松，岳健．高速鐵路橋梁樁基工后沉降組合預測研究［J］．巖土力學，2011(11):3341－3347．

［4］朱正國，黃松，朱永全．鐵路隧道下穿公路引起的路面沉降規(guī)律和控制基準研究［J］．巖土力學，2012(02):558－563．

［5］屠毓敏，王建江．鄰近堆載作用下排樁負摩擦力特性研究［J］．巖土力學，2007(12):2653－2656．

［6］羅蓓．基于PLAXIS的地基沉降計算及相關(guān)參數(shù)分析［J］．湖南交通科技，2009(3):29－33．

［7］李俏，孫宗磊，張軍，禚一．軟土地區(qū)新建公路下穿既有高速鐵路影響分析及對策［J］．高速鐵路技術(shù)，2013(1):26－30．

［8］中華人民共和國鐵道部．TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)［S］．北京:中國鐵道出版社，2010．

［9］中華人民共和國鐵道部．TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［10］中華人民共和國鐵道部．TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

Safety Analysis regarding a Container-transportation Railway Project Crossing below Existing Tianjin-Qinhuangdao High-Speed Railway Bridge

ZHOU Jin-bin

(Bridge Engineering Department，The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

If a project crosses below an existing high-speed railway bridge，it is likely that when the project is constructed or operated after being put into use，the dead and live loads of the projectbelow the bridge will cause vertical and lateralmovements of the surrounding soil of the high-speed railway．And then the additional stresswill be produced，whichmay cause vertical settlement and lateral displacement of the foundation of the existing high-speed railway，posing a threat to the operation safety of the existing high-speed railway if the settlementor displacement is too large．This paper，in combination with a underconstruction container-transportation five-track railway project crossing below the existing Tianjin-Qinhuangdao high-speed railway bridge，employed the Plaxis finite element program of pile-soil interaction and other softwares，and analyzed the influence of the soil movement on the safety of the Tianjin-Qinhuangdao high-speed railway bridge from the aspects of bearing capacity，deformation，settlement and so on．The analysis result indicated that the influence on settlement would exceed the allowed value and therewould be safety risk if crossing below the Tianjin-Qinhuangdao high-speed railway bridge in the form of subgrade structure．Therefore，the below-crossing scheme was changed from subgrade structure to pile-sheet structure．

crossing below high-speed railway bridge;additional stress;bearing capacity of pile foundation;influence on settlement;Plaxis finite element program;influence evaluation

U238;U445

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．020

1004－2954(2014)03－0085－05

2013－12－10

周津斌(1978—)，男，高級工程師，2003年畢業(yè)于天津城建學院橋梁專業(yè)，工學學士，E-mail:23425114@qq．com。