山區(qū)高速鐵路對(duì)接型橋隧相連工程橋基位置確定方法

蔣鈺峰，吳 光，匡經(jīng)桃

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610031)

近年來，成蘭線、長昆線等山區(qū)高速鐵路的興建，使我國山區(qū)高速鐵路的建造水平達(dá)到一個(gè)新的高度。山區(qū)修建鐵路最大問題之一是要克服高差起伏的地形，所以橋梁和隧道成為穿越山區(qū)的最佳選擇，許多橋隧相連工程也出現(xiàn)在峽谷兩岸的高坡上。當(dāng)隧道口邊坡較緩，而路基建造困難時(shí)，常采用橋臺(tái)在隧道外邊坡上的對(duì)接型橋隧相連工程通過［1-2］。

由于地形地貌多樣、地質(zhì)條件復(fù)雜、水文環(huán)境各異，加上橋隧結(jié)構(gòu)與邊坡相互作用機(jī)理極其復(fù)雜，對(duì)接型橋隧相連工程如何確定橋基位置，在當(dāng)前的鐵路規(guī)范和手冊(cè)中并沒有明確規(guī)定。這方面的研究也比較缺乏，如何確定橋基的位置是一個(gè)有待考慮的問題。

若以隧道口底端中點(diǎn)為原點(diǎn)O，則對(duì)接型橋隧相連工程橋基埋置深度為y，水平距離為x。確定了x和y，也就確定了橋基的位置，見圖1。工程中，難點(diǎn)在于缺少定量確定x和y的依據(jù)，從而使橋基位置的確定成為一個(gè)難題。合理的橋基位置不僅要確保鐵路運(yùn)行的安全，而且造價(jià)要低、工期要短，對(duì)環(huán)境的影響要小，總體上還要保證橋基邊坡的穩(wěn)定和施工安全。

為了確保橋基邊坡的穩(wěn)定，本文對(duì)邊坡的局部和整體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。邊坡局部穩(wěn)定性主要與局部應(yīng)力變化及局部塑性變形有關(guān)，邊坡整體穩(wěn)定性則主要依據(jù)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)以及是否出現(xiàn)貫通的塑性變形區(qū)。結(jié)合長昆高速鐵路客運(yùn)專線雪峰山工點(diǎn)，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究和數(shù)值模擬，分析不同橋基設(shè)計(jì)位置的邊坡整體和局部的穩(wěn)定性，從而確定合理的橋基位置。

圖1 位置示意

1 相連工程橋基位置確定依據(jù)

1.1 邊坡整體穩(wěn)定性

邊坡上的橋梁大多采用樁基礎(chǔ)。首先，樁基設(shè)計(jì)必須滿足3個(gè)要求:①樁自身強(qiáng)度足夠。也就是埋入土中的樁，在受到橋梁結(jié)構(gòu)傳遞來的各種荷載作用時(shí)，樁與巖土的相互作用既確保樁具有足夠的承載力，同時(shí)，又使樁基不致產(chǎn)生過大的沉降或沉降差。而且在水平荷載作用下，樁身不同截面的彎矩和撓度在容許范圍內(nèi)。②樁與其周圍巖土間的作用是穩(wěn)定的。本文中由于研究區(qū)屬于巖質(zhì)邊坡，樁基為端承樁，所以不考慮樁與周圍巖土間的作用。③橋隧相連邊坡必須是穩(wěn)定安全的。其次，橋基的合理位置需要考慮邊坡巖土體的穩(wěn)定性，當(dāng)坡體不夠穩(wěn)定或基礎(chǔ)埋深不夠時(shí)，可能形成貫通的塑性區(qū)從而使橋基從邊坡上剪出破壞。最后，還要考慮樁基底巖體的應(yīng)力增量，當(dāng)增量過大時(shí)，基底巖土體發(fā)生破壞，橋基可能失穩(wěn)。

1.2 邊坡局部穩(wěn)定性

趙文提出基于第一主應(yīng)力變化確定橋基位置的方法［3］。由于只計(jì)算第一主應(yīng)力的變化，而未能全面考慮橋基荷載作用下邊坡的應(yīng)力變化情況。從巖體的屈服準(zhǔn)則觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為可以用等效應(yīng)力的變化情況來反映邊坡巖體應(yīng)力的變化。

在塑性力學(xué)中，等效應(yīng)力定義如下

由上式可知，等效應(yīng)力不表示實(shí)際作用在某個(gè)面上或點(diǎn)上的力，它是為了方便而將復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為具有相同“效應(yīng)”的單項(xiàng)應(yīng)力狀態(tài)。

以應(yīng)力變化系數(shù)η表示應(yīng)力的變化

式中:σq為橋基荷載作用產(chǎn)生的基底附加等效應(yīng)力;σ0為自重產(chǎn)生的坡體內(nèi)巖土的原始等效應(yīng)力。

本文在討論橋基荷載對(duì)邊坡巖體的影響范圍時(shí)取η=0.1，同時(shí)把η=0.1作為樁基底應(yīng)力變化的一個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn)。若基底巖土體在橋基荷載作用下應(yīng)力變化超過0.1，則認(rèn)為基底巖體應(yīng)力變化過大。

1.3 動(dòng)力響應(yīng)

行車過程中，由于車輪磨損不規(guī)則、輪的偏心、軌道幾何不平順、軌下基礎(chǔ)缺陷、鐵軌對(duì)接處狀態(tài)不佳等眾多原因，列車產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)。列車振動(dòng)傳播過程中與橋基及周圍巖土體相互作用，通過動(dòng)力分析可以得到橋基邊坡的動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)，若動(dòng)力響應(yīng)較小，則可認(rèn)為對(duì)邊坡穩(wěn)定有利［4-6］。

1.4 五個(gè)確定依據(jù)

本文采用2個(gè)定量標(biāo)準(zhǔn)和3個(gè)定性標(biāo)準(zhǔn)作為確定對(duì)接型橋隧相連工程橋基合理位置的判據(jù):①橋基邊坡的安全系數(shù)K;②橋基底部應(yīng)力變化系數(shù)η;③橋基邊坡是否出現(xiàn)貫通的塑性區(qū);④橋基荷載的應(yīng)力影響范圍是否達(dá)到邊坡坡面;⑤動(dòng)力響應(yīng)較小。

2 工程實(shí)例

擬建的長昆鐵路客運(yùn)專線在穿越山區(qū)時(shí)，出現(xiàn)了多處對(duì)接型橋隧相連工程。結(jié)合長昆鐵路雪峰山一號(hào)隧道出口工點(diǎn)，運(yùn)用上文5個(gè)判據(jù)計(jì)算分析得到合理的橋基位置。

2.1 工點(diǎn)概況

雪峰山一號(hào)隧道出口地貌單元屬構(gòu)造剝蝕中低山間河谷地貌(圖2)，溝谷寬約150 m，多辟為農(nóng)田、旱地，中間為一條寬約15 m的小溪。橋址區(qū)及附近海拔高程560～640 m，起伏變化較大。山坡地形較陡，坡面自然坡度15°～35°，植被發(fā)育。隧址地層上覆第四系殘積層粗角礫土，下伏基巖為震旦系下統(tǒng)洪江組(Z1hj)灰綠色薄至厚層狀絹云母板巖、砂質(zhì)板巖、含礫砂質(zhì)板巖，強(qiáng)～弱風(fēng)化，巖體較完整，局部破碎［7］。

圖2 雪峰山一號(hào)隧道出口地貌

2.2 橋基邊坡安全系數(shù)計(jì)算方法

本文采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算橋基邊坡安全系數(shù)K。強(qiáng)度折減法在計(jì)算最小安全系數(shù)時(shí)，認(rèn)為邊坡的彈性模量E和泊松比ν不變，將黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ按下面方式逐漸減小，直到計(jì)算發(fā)散為止，將發(fā)散時(shí)的Fs作為最小安全系數(shù)［8-9］。邊坡發(fā)生剪切破壞時(shí)的安全系數(shù)公式為

式中:cf，φf分別為折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角;SRF為強(qiáng)度折減系數(shù);τ為邊坡的剪切強(qiáng)度;τf為折減后的剪切強(qiáng)度，τf=cf+ σntanφf，σn為正應(yīng)力。

2.3 分析模型

由于線路正交于坡體，所以橋基位置主要是在線路縱向進(jìn)行選擇，因而建立橋基邊坡分析模型時(shí)以考慮橋基邊坡中心縱斷面為主，將中心縱斷面向兩側(cè)垂直方向拉伸建立數(shù)值分析模型。

2.4 計(jì)算參數(shù)

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)及規(guī)范手冊(cè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)得到的結(jié)果，確定出巖土參數(shù)取值如表1所示。橋基荷載選用均布荷載作用于承臺(tái)之上，數(shù)值在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提高至800 kPa。地震工況采用順坡向施加地震峰值加速度的方式加載。

表1 計(jì)算用巖土參數(shù)取值

2.5 橋基埋置深度的確定

為了確定出橋基的合理埋置深度，從10 m開始以5 m為間隔取至40 m，設(shè)定橋基承臺(tái)距離邊坡表面水平距離1 m，進(jìn)行靜力穩(wěn)定分析和動(dòng)力響應(yīng)分析。

1)橋基邊坡安全系數(shù)K

采用有限元強(qiáng)度折減法求得的不同橋基埋深的橋基邊坡安全系數(shù)均在2.31～2.44。

2)橋基底部應(yīng)力變化系數(shù)η

提取樁基底部不同位置在加載前后的等效應(yīng)力值，計(jì)算后得到結(jié)果(圖3)。

3)橋基邊坡是否出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)

經(jīng)過比較各個(gè)橋基埋深的塑性區(qū)分布，可以發(fā)現(xiàn)橋基埋深15 m時(shí)，出現(xiàn)自承臺(tái)下部貫穿到下部坡面的塑性變形區(qū)(圖4(a))，其他埋深處(如20 m)雖然都出現(xiàn)范圍不同的塑性區(qū)，但均未貫通(圖4(b))。地震工況下，橋基邊坡的塑性變形區(qū)分布與自然工況基本一致，只是塑性變形的值稍有增大。

圖3 不同橋基埋深樁底應(yīng)力變化趨勢(shì)

圖4 自然工況橋基邊坡塑性區(qū)分布

4)橋基荷載的應(yīng)力影響范圍是否達(dá)到邊坡坡面

取η=0.1，計(jì)算各個(gè)埋深下應(yīng)力影響范圍，發(fā)現(xiàn)只有25 m和40 m埋深應(yīng)力影響范圍未達(dá)到坡面，由此可見在距離坡面1 m時(shí)，橋基的應(yīng)力影響范圍是否達(dá)到坡面和橋基埋置深度關(guān)系不大。

5)動(dòng)力響應(yīng)是否較小

為了比較不同橋基埋深下邊坡對(duì)列車動(dòng)力響應(yīng)的差異，提取了橋基邊坡上距離承臺(tái)外側(cè)中心點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)的順坡向的位移、加速度分析結(jié)果繪制時(shí)程曲線，見圖5。

由圖可知，橋基埋深在10 m和15 m時(shí)，位移峰值明顯大于其它埋深時(shí)的位移峰值，最大順坡向位移值為0.176 mm。邊坡順坡向動(dòng)力響應(yīng)加速度峰值均＜0.05g。由此可知列車荷載作用下橋基邊坡表面的動(dòng)力響應(yīng)較小，橋基邊坡穩(wěn)定。

綜合以上的邊坡穩(wěn)定性分析和動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)橋基承臺(tái)距離坡面水平距離1 m時(shí)，在不同橋基埋深下邊坡整體都是穩(wěn)定的。由于橋基埋深對(duì)橋基荷載的應(yīng)力影響范圍是否達(dá)到邊坡表面的作用不明顯，因而可以推斷橋基的合理埋置深度取決于樁基底應(yīng)力的變化，依據(jù)前面的分析結(jié)果得出:橋基埋深應(yīng)≥20 m。

圖5 節(jié)點(diǎn)時(shí)程曲線

2.6 橋基水平位置的確定

橋基水平距離即橋基頂部橋臺(tái)近斜坡邊緣距離臨空面的水平距離。以橋基埋深20，25 m為基礎(chǔ)，建立橋基水平位置為5，10，15，20 m的模型進(jìn)行計(jì)算分析。

1)橋基邊坡安全系數(shù)K

采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算得到不同橋基水平距離的橋基邊坡的安全系數(shù)，見圖6。

圖6 邊坡安全系數(shù)和應(yīng)力影響范圍

2)橋基邊坡是否出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)

經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，橋基埋深在20 m和25 m，4種不同水平位置的情況下均未出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)。但是塑性區(qū)遵循隨著橋基向坡內(nèi)水平移動(dòng)，橋基承臺(tái)以下的外側(cè)邊坡表層塑性區(qū)的厚度變小，承臺(tái)以上的邊坡表層塑性變形區(qū)增加的規(guī)律。

3)橋基荷載的應(yīng)力影響范圍是否達(dá)到邊坡坡面

取η=0.1，發(fā)現(xiàn)當(dāng)橋基水平距離為5 m時(shí)，橋基應(yīng)力影響范圍恰好將要達(dá)到橋基邊坡表面(圖6)，5 m以后則未能到達(dá)邊坡表面。由此可見橋基荷載的應(yīng)力影響范圍是否能達(dá)到橋基邊坡表面，主要取決于橋基的水平距離，和橋基的埋深關(guān)系不大。

4)動(dòng)力響應(yīng)是否較小

由計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同一埋深下，水平距離越大，橋基邊坡動(dòng)力響應(yīng)越小。水平距離為5～20 m時(shí)，橋基邊坡表面的最大位移值為0.130 38 mm，加速度峰值＜0.05g，說明列車荷載作用下橋基邊坡的動(dòng)力響應(yīng)小，橋基邊坡穩(wěn)定。

綜合以上的邊坡穩(wěn)定性分析和動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)橋基水平位置在5～20 m時(shí)，橋基邊坡都是穩(wěn)定的，所以橋基水平位置應(yīng)≥5 m。

3 結(jié)論

本文針對(duì)山區(qū)高速鐵路對(duì)接型橋隧相連工程橋基位置確定問題，采用2個(gè)定量判定標(biāo)準(zhǔn)和3個(gè)定性判定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合長昆線雪峰山一號(hào)隧道出口工點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)并對(duì)結(jié)果加以分析，得到以下結(jié)論:

1)隨著橋基內(nèi)移，橋基施工對(duì)邊坡的開挖增大，易形成高陡工程邊坡，增加了工程量和安全隱患，所以橋基水平距離宜取5 m。埋深越深對(duì)樁基要求越高，在滿足安全的前提下，過深的埋深造成了設(shè)計(jì)的浪費(fèi)，因而橋基埋深宜取20 m。

2)對(duì)接型橋隧相連工程中，橋基邊坡的塑性區(qū)是否貫通與橋基邊坡安全系數(shù)大小無必然對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)將邊坡安全系數(shù)和塑性區(qū)的分布放到一起綜合考慮是合理可行的。

3)樁基底的應(yīng)力變化隨著橋基埋深增加而減少，橋基埋深＞20 m時(shí)，基底等效應(yīng)力變化比率＜0.1。橋基荷載能否對(duì)邊坡表層產(chǎn)生影響，主要取決于橋基的水平位置。

4)在高速列車振動(dòng)荷載下，橋基邊坡動(dòng)力響應(yīng)較小，但是由于缺少多種高速機(jī)車的振動(dòng)荷載參數(shù)，還需深入研究探討。

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