新建公路下穿城際鐵路安全性評(píng)估

李　昊　張付賓　簡(jiǎn)方梁

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司　北京　100055)

新建公路下穿城際鐵路安全性評(píng)估

李昊張付賓簡(jiǎn)方梁

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司北京100055)

摘要利用Plaxis巖土工程有限元軟件對(duì)新建公路下穿城際鐵路工程進(jìn)行安全性評(píng)估。依據(jù)某新建公路下穿鐵路交叉工程建立了精細(xì)化有限元模型，考慮樁土共同作用，分析新建道路的施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)城際鐵路既有橋墩基礎(chǔ)的影響，得出安全性評(píng)價(jià)結(jié)論。結(jié)果表明，現(xiàn)有方案可行，能滿足既有鐵路的安全性要求。

關(guān)鍵詞Plaxis數(shù)值分析安全性評(píng)估

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，新建鐵路或公路受地質(zhì)、線形等因素限制，在同一地區(qū)內(nèi)與既有鐵路或公路在不同高度相互穿越的情況逐漸增多。新建鐵路或公路在施工及運(yùn)營(yíng)階段會(huì)對(duì)既有鐵路橋梁造成一定的影響，使得既有橋梁樁基內(nèi)力重分配，并通過(guò)土體變形引起樁基位移，此時(shí)若無(wú)合理防護(hù)措施，會(huì)導(dǎo)致既有線橋梁基礎(chǔ)變形過(guò)大，造成結(jié)構(gòu)破壞，影響行車安全[1-2]。因此，只有正確評(píng)估新建鐵路或公路在施工及運(yùn)營(yíng)階段對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響方式和影響程度，掌握既有橋梁的變形規(guī)律，提出合理化的設(shè)計(jì)及施工建議，才能保證既有線的安全運(yùn)營(yíng)[3]。

某省道新建公路下穿某城際鐵路交叉工程，省道與城際鐵路交角為80°。省道按照左右線分離式平面設(shè)計(jì)，機(jī)動(dòng)車道分幅下穿城際鐵路橋梁，道路施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)城際鐵路既有橋梁的影響較大，對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)估具有重要意義。

橋梁安全性評(píng)估內(nèi)容較多，這里主要研究的是道路施工引起橋梁墩臺(tái)附加位移及內(nèi)力，此2種評(píng)估均為定量評(píng)估，其他評(píng)估內(nèi)容文內(nèi)未做說(shuō)明。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》，認(rèn)為鐵路墩臺(tái)附加位移安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)是豎向位移5 mm，水平位移10 mm。根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、地質(zhì)資料及設(shè)計(jì)資料，確定樁基內(nèi)力的安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)為4 000 kN。

1工程概況

1.1　交叉處城際鐵路橋梁情況

某省道新建公路下穿某城際鐵路交叉工程，城際鐵路橋位處現(xiàn)狀為雙線鐵路，對(duì)應(yīng)城際鐵路處的一座特大橋。交叉處城際鐵路特大橋橋墩對(duì)應(yīng)墩號(hào)為28～30號(hào)墩。該處城際鐵路為直線上下行雙線電氣化鐵路。

該橋梁為簡(jiǎn)支梁，孔跨布置為2-32.7 m簡(jiǎn)支箱梁。橋墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基均為1.0 m。承臺(tái)尺寸為6.8 m×10.2 m，承臺(tái)高為3.0 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪及工程地質(zhì)勘探揭示，橋址區(qū)勘探深度范圍內(nèi)地層巖性為：橋址區(qū)第四系覆蓋層為第四系全新統(tǒng)下部沖積層、上更新統(tǒng)沖洪積層和中更新統(tǒng)沖洪積層。

地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水，勘探期間地下水埋深7.2~13.3 m，地下水主要受大氣降水補(bǔ)給及黃河的側(cè)向徑流。

1.2　交叉處省道設(shè)計(jì)概況

項(xiàng)目地處鄭州市北部，該線分別與某高速鐵路及某城際鐵路相交。

交叉處道路采用U形槽設(shè)計(jì)，U形槽斷面見(jiàn)圖1，采用頂進(jìn)施工，框架橋兩側(cè)各2節(jié)U形槽，平均總長(zhǎng)度為34 m。

圖1　U形槽斷面圖(單位：cm)

道路分2幅下穿城際鐵路某特大橋。左右幅均為(3.5 m+33.75 m)機(jī)動(dòng)車道和路緣帶，分部從該特大橋的28號(hào)、29號(hào)橋墩間和29號(hào)、30號(hào)橋墩間通過(guò)，與城際鐵路的交角為80°。新建道路與既有鐵路相互位置關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2　道路與城際鐵路相對(duì)位置關(guān)系圖

1.3　防護(hù)樁設(shè)計(jì)

為減少基坑開挖對(duì)城際鐵路橋墩及樁基的影響，鄰近基坑的城際鐵路橋墩處采用鉆孔樁(原方案為挖孔樁)進(jìn)行基坑防護(hù)[4-6]。防護(hù)樁長(zhǎng)15 m，直徑1.5 m，樁間距1.8 m。該尺寸由前期計(jì)算及地質(zhì)條件確定，與該線其他防護(hù)方案尺寸統(tǒng)一并保證此處防護(hù)樁達(dá)到預(yù)定的防護(hù)效果。

采用上述防護(hù)方案，可有效減小由于基坑開挖對(duì)橋墩基礎(chǔ)的影響，工藝成熟，施工方便，安全風(fēng)險(xiǎn)小。

2有限元模型

2.1　計(jì)算模型

采用Plaxis3D有限元軟件建立分析模型，Plaxis3D軟件為知名的巖土工程有限元軟件，建模方便，適合復(fù)雜地質(zhì)條件模擬、施工過(guò)程模擬、滲流分析、變形分析等。

根據(jù)道路路基寬度，以交叉處特大橋29號(hào)橋墩為中心，選取115 m×100 m×65 m范圍內(nèi)土體建立模型，城際鐵路既有承臺(tái)采用板單元進(jìn)行模擬；鉆孔灌注樁、防護(hù)樁采用樁單元模擬，防護(hù)樁冠梁采用梁?jiǎn)卧M、橋梁傳至承臺(tái)頂面的豎向荷載以集中荷載實(shí)現(xiàn)，計(jì)算模型見(jiàn)圖3[7-8]。

a)橋梁基礎(chǔ)模型圖b)U形槽模型圖c)有限元整體模型圖

圖3計(jì)算模型圖

2.2　有限元模擬主要步驟

本次分析主要模擬了以下施工過(guò)程：①生成初始地應(yīng)力場(chǎng);②施作特大橋28號(hào)橋墩、29號(hào)橋墩及30號(hào)橋墩基礎(chǔ);③施作特大橋28號(hào)橋墩、29號(hào)橋墩及30號(hào)橋墩承臺(tái)頂荷載;④施工防護(hù)樁及冠梁;⑤施工工作坑;⑥預(yù)制U形槽;⑦頂推U形槽;⑧開挖U形槽內(nèi)土，施工路面結(jié)構(gòu);⑨路線運(yùn)營(yíng)。

前期試算結(jié)果顯示，由于存在防護(hù)樁及U形槽結(jié)構(gòu)護(hù)壁，路線運(yùn)營(yíng)對(duì)橋梁基礎(chǔ)的影響并不顯著，雙線運(yùn)營(yíng)時(shí)最大沉降在0.5 mm以內(nèi)，因此本次分析未考慮單線運(yùn)營(yíng)工況，僅考慮了正常雙線運(yùn)營(yíng)工況。

道路施工過(guò)程中，城際鐵路尚未通車，因此本次分析未考慮城際鐵路活載作用。

3結(jié)果分析

3.1　土體

道路施工過(guò)程中城際鐵路橋墩基礎(chǔ)周邊土體最大位移量為防護(hù)樁施工階段及開挖U形槽內(nèi)土施工階段，其中防護(hù)樁施工階段最大位移值為3.45 mm，方向向下，開挖U形槽內(nèi)土施工階段最大位移值為2.61 mm，方向向上。位移云圖見(jiàn)圖4。

a)防護(hù)樁施工階段b)開挖U形槽內(nèi)土

土體位移云圖土體位移云圖

圖4土體位移云圖

對(duì)土體的最大擾動(dòng)發(fā)生在開挖工作坑施工階段，其周邊土體的最大位移為91 mm，方向向上，但是由于工作坑距離城際鐵路橋墩基礎(chǔ)15 m，且有防護(hù)樁的保護(hù)作用，工作坑開挖對(duì)城際鐵路橋墩基礎(chǔ)周邊土體的擾動(dòng)作用并不明顯，該階段鐵路橋墩基礎(chǔ)周邊土體最大位移量為2.2 mm，方向向上。

由計(jì)算結(jié)果總位移云圖可以看出，無(wú)論在施工階段還是在運(yùn)營(yíng)階段，土體均保持穩(wěn)定，未發(fā)生土體破壞及滑移現(xiàn)象。

3.2　城際鐵路樁基位移結(jié)果

道路施工及運(yùn)營(yíng)會(huì)對(duì)特大橋的28號(hào)橋墩基礎(chǔ)、29號(hào)橋墩基礎(chǔ)及30號(hào)橋墩基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，其中29號(hào)橋墩承臺(tái)邊緣距道路左幅路U形槽3.2 m，距道路右幅路U形槽3.15 m，該橋墩基礎(chǔ)同時(shí)受到左幅路和右幅路的影響；28號(hào)橋墩承臺(tái)距離右幅路U形槽最近距離3.0 m，距離左幅路U形槽較遠(yuǎn)，因此28號(hào)橋墩基礎(chǔ)主要受右幅路施工及運(yùn)營(yíng)荷載的影響；30號(hào)橋墩承臺(tái)距離左幅路U形槽最近距離為3.0 m，距離右幅路較遠(yuǎn)，因此30號(hào)橋墩基礎(chǔ)主要受到左幅路施工及運(yùn)營(yíng)荷載的影響。

以下僅分析道路施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程對(duì)城際鐵路特大橋29號(hào)橋墩的影響。

特大橋29號(hào)橋墩位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　29號(hào)墩最不利角樁位移計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算可知，特大橋29號(hào)橋墩在施工及運(yùn)營(yíng)階段豎向位移變化范圍為-4.56~3.44 mm；X方向(即沿路線方向)水平位移變化范圍為0.52~8.98 mm，Y方向水平位移變化在0.5 mm范圍以內(nèi)。

整個(gè)道路施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，橋梁樁基豎向位移變化在5 mm范圍以內(nèi)，水平位移變化在10 mm范圍以內(nèi)，可滿足城際鐵路安全性要求。

3.3　城際鐵路樁基軸力結(jié)果

道路與城際鐵路交叉處的某特大橋29號(hào)橋墩在施工及運(yùn)營(yíng)階段軸力變化范圍為-167~344 kN；樁基最大軸力發(fā)生在施工工作坑階段，此時(shí)由于開挖卸載使得29號(hào)樁基進(jìn)行了內(nèi)力重分配，最大軸力為3 916 kN。

城際鐵路特大橋29號(hào)橋墩樁基軸力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　29號(hào)墩最不利角樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

4結(jié)論

(1) 防護(hù)樁方案可有效減小由于基坑開挖對(duì)橋墩基礎(chǔ)的影響，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 道路的施工及運(yùn)營(yíng)會(huì)使城際鐵路既有基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的位移，施工階段及運(yùn)營(yíng)階段道路與城際鐵路交叉處的某特大橋29號(hào)橋墩基礎(chǔ)平面內(nèi)位移變化值為0.52~8.98 mm，豎向位移變化為-4.56~3.44 mm，即豎向位移變化在5 mm范圍以內(nèi)，水平位移變化在10 mm范圍以內(nèi)，可滿足城際鐵路的安全性要求。

(3) 道路的施工及運(yùn)營(yíng)會(huì)使道路與城際鐵路交叉處的某特大橋29號(hào)橋墩樁基軸力產(chǎn)生變化，施工各階段城際鐵路既有樁基軸力變化值為-167~344 kN。道路施工過(guò)程中最大軸力達(dá)到3 916 kN，在道路施工完成后的樁軸力值為3 419 kN，小于其允許承載力，能夠保證城際鐵路橋梁結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全。

(4) 道路的施工過(guò)程中，周邊土體保持穩(wěn)定，無(wú)破壞。

(5) 采用Plaxis巖土有限元軟件可以建立精細(xì)化土體模型，能夠考慮土結(jié)構(gòu)共同作用，得出更加符合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算顯示現(xiàn)有防護(hù)方案安全可靠，施工時(shí)應(yīng)保證防護(hù)樁質(zhì)量。降水對(duì)既有橋墩基礎(chǔ)影響較大，對(duì)基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生不利影響。建議采用鉆孔樁代替原有挖孔樁防護(hù)方案，減少降水影響。

參考文獻(xiàn)

[1]姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社, 1985.

[2]張健.新建鐵路路基上跨既有隧道安全性評(píng)估[J].公路工程,2012(8):37-39.

[3]唐文峰,趙剛，馮超.公路橋梁跨越高速鐵路最優(yōu)方案探索[J].交通科技,2011(3):14-16.

[4]孫剛,陳磊.基于Plaxis深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)仿真數(shù)值分析[J].路基工程,2014(3):7-10.

[5]張位華,李春峰,曾耀.基坑開挖對(duì)既有橋梁岸坡穩(wěn)定性影響研究[J].交通科技,2014(5):16-18.

[6]陳福全,汪金衛(wèi),劉毓氚.基坑開挖時(shí)鄰近樁基性狀的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2008(7):1971-1976.

[7]李彥明,劉曉立.基坑開挖的試驗(yàn)研究與Plaxis的比較討論[J].華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2004(3):29-32.

[8]李素華.復(fù)雜地基基樁承載性能及時(shí)間效應(yīng)理論與試驗(yàn)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2005.

Safety Assessment of New Highway Beneath the Intercity Rail

LiHao,ZhangFubin,JianFangliang

(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract：The safety assessment model of the new highway beneath the intercity rail was conducted using the famous geotechnical FEM software PLAXIS. A refined finite element model for new highway beneath the intercity rail was set up and composite pile foundation was studied. The forces and the displacements of the pier of the intercity rail were calculated during the road construction and operation, the rules of the mechanical characteristics and the displacements were summarized. The safety evaluation conclusions were obtained.

Key words:plaxis; numerical analysis; safety assessment

收稿日期：2015-10-03

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.030