新建公路下穿高鐵對(duì)既有高鐵樁基的影響分析

毛 亞 平

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司鄭州勘察設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450000)

新建公路下穿高鐵對(duì)既有高鐵樁基的影響分析

毛 亞 平

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司鄭州勘察設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450000)

結(jié)合擬建高速公路連接線下穿鄭西客運(yùn)專線立交工程，建立了有限元模型，就新建高速公路對(duì)既有鄭西客運(yùn)專線樁基的沉降影響展開了分析，并研究了新建公路工程施工前后對(duì)高鐵樁基沉降的影響，得出了一些有益的結(jié)論。

高速鐵路，沉降分析，GTS，樁基

0 引言

自中國第一條高速鐵路——京津城際高速鐵路于2008年建成通車后，高速鐵路進(jìn)入全面迅速的發(fā)展時(shí)期；先后有鄭西高鐵、武廣高鐵、京滬高鐵等建成通車。高速鐵路的設(shè)計(jì)速度每小時(shí)達(dá)到300 km，故其對(duì)基礎(chǔ)的沉降要求非常嚴(yán)格，以保證高速鐵路運(yùn)營的安全性。而公路網(wǎng)與鐵路網(wǎng)的遠(yuǎn)景規(guī)劃不盡一致，規(guī)劃中的公路由于既有鐵路網(wǎng)的存在，通常采用上跨或者下穿的立交方式穿越鐵路線。當(dāng)公路與高鐵交叉時(shí)，一般采用下穿方式通過。新建的公路增加了既有高鐵周圍的荷載，改變了高鐵樁既有的應(yīng)力狀態(tài)。

依據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，靜定結(jié)構(gòu)無砟軌道高鐵墩臺(tái)的工后沉降值應(yīng)小于20 mm，且其相鄰樁墩臺(tái)的沉降差應(yīng)小于5 mm。很明顯，當(dāng)新建公路下穿高速鐵路時(shí)應(yīng)對(duì)既有高鐵樁基進(jìn)行受力分析，否則下穿高速鐵路的公路有可能引起高鐵樁基的沉降量超過《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》限制值，這將危害高鐵運(yùn)營的安全。

本文結(jié)合新建洛嵩連接線公路工程下穿鄭西高鐵客運(yùn)專線立交工程，采用Midas/GTS有限元分析程序建立模型，開展對(duì)既有高鐵的沉降分析。

1 工程概況

新建洛陽至嵩縣高速公路連接線工程分幅設(shè)計(jì)，左幅下穿鄭西客運(yùn)專線洛河特大橋92孔，右幅下穿93孔。擬建工程采用“U”槽結(jié)構(gòu)，“U”形槽結(jié)構(gòu)長度為75 m，底板厚為0.5 m，邊墻厚為0.5 m。寬度分別為22.75 m，下部基礎(chǔ)為：15 cm厚C20混凝土墊層+30 cm厚三七灰土(換填)，交角90°。斷面設(shè)計(jì)為雙向六車道。

洛河特大橋92號(hào)～94號(hào)樁基為10根樁徑為1.0 m的鉆孔灌注樁，樁長分別為18.5 m，17.5 m和24.5 m，樁間距為2.8 m。根據(jù)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)及分布特征，各層巖土工程性能評(píng)價(jià)如表1所示。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

Midas/GTS程序應(yīng)用性非常強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于巖土工程中，可分析巖土工程學(xué)中2D和3D的變形、穩(wěn)定性以及地下水滲流等，能夠模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，尤其適合于變形、穩(wěn)定性分析、沉降分析等。

Midas/GTS中，本工程土體單元采用映射法劃分單元網(wǎng)格，劃分后單元為八節(jié)點(diǎn)的六面體單元，土體尺寸為100 m×35 m×40 m(分別為洛河特大橋的順橋向、橫橋向和土層厚度)，建立如表2所示的五個(gè)施工階段；通過施工階段的分析，建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，主要的簡化如下：

1)初始應(yīng)力場(chǎng)的模擬：根據(jù)勘察報(bào)告提供的不同土層剖面，考慮不同的土體分層條件和重度，計(jì)算基坑開挖前土體初始應(yīng)力場(chǎng)分布；考慮了既有鄭西鐵路客運(yùn)專線橋墩對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)的影響。

2)連續(xù)介質(zhì)的模擬：有限元數(shù)值計(jì)算中土體采用“摩爾—庫侖(M—C)”土體彈塑性模型，鄭西客專線鐵路橋樁基礎(chǔ)采用線彈性樁單元模型，同時(shí)建立摩擦界面單元(考慮了土體和樁結(jié)構(gòu)之間的相互作用)。

3)邊界條件：對(duì)計(jì)算土體的底面約束豎向z的位移，側(cè)面分別約束橫向x、縱向y的位移，地表為自由面；鐵路橋樁基礎(chǔ)約束z方向的轉(zhuǎn)角。新建洛嵩高速公路與洛河特大橋空間位置圖和建模分析圖分別見圖1～圖3。

表1 地質(zhì)土層資料表

表2 施工工序表

表3 洛河特大橋92號(hào)～94號(hào)橋墩中心處沉降量(一) mm

2.2 有限元分析

采用Midas/GTS建模，假定樁基初始應(yīng)力場(chǎng)為零，采用“激活、鈍化”模型中路面結(jié)構(gòu)單元，改變樁基所在的應(yīng)力環(huán)境；車輛荷載等效換算為均布荷載，以面荷載的形式作用于路面結(jié)構(gòu)上；通過計(jì)算分析，得到各個(gè)階段樁底沉降位移，如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6斷面云圖中分析可知，洛河特大橋92號(hào)～94號(hào)樁基礎(chǔ)在洛嵩高速公路建成及運(yùn)營階段新增加沉降值分別為0.694 mm，1.499 mm，0.574 mm，由以上有限元計(jì)算結(jié)果可以得到表3。

由表3可得圖7，在不同階段樁底豎向位移變化圖。

從圖7及表3中可知，洛嵩高速公路建成后，高鐵樁基沉降值有所增加，但其值較小，均在《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]限制值之內(nèi)。同時(shí)，可知93號(hào)樁基沉降值稍大，主要原因在于93號(hào)樁基兩側(cè)均新增附加荷載值。

3 采用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算沉降量

參考TB 10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡稱為“規(guī)范”)，由規(guī)范可知：摩擦樁樁基的總沉降量可將樁基視作實(shí)體基礎(chǔ)計(jì)算，其附加應(yīng)力應(yīng)為樁底平面處的附加應(yīng)力[4]。

簡化原理：把“U”槽結(jié)構(gòu)自身恒載按應(yīng)力擴(kuò)散角原理，依次擴(kuò)散至相應(yīng)各個(gè)土層。洛河特大橋92號(hào)～94號(hào)基礎(chǔ)為10根樁徑1 m的摩擦樁，根據(jù)規(guī)范，我們把其簡化為以邊樁和角樁外輪廓連線構(gòu)成的整體基礎(chǔ)計(jì)算其整體沉降；按規(guī)范分層總和法的沉降計(jì)算公式，計(jì)算由新建公路引起的新增沉降量。

鐵路橋基底及公路橋樁尖以下各層土的附加應(yīng)力的計(jì)算參考規(guī)范[4]進(jìn)行計(jì)算。按分層總和法計(jì)算基礎(chǔ)沉降量均可簡化為以下公式[4]：

依據(jù)規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式，求得新建公路新增荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力值，可得到表4。

表4 洛河特大橋92號(hào)～94號(hào)橋墩中心處沉降量(二) mm

通過計(jì)算可知，92號(hào)～94號(hào)樁基新增加沉降值為0.727 mm，1.619 mm，0.653 mm。對(duì)比表3和表4可知，采用有限元軟件計(jì)算與采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果基本一致。

有限元法和經(jīng)驗(yàn)公式法的計(jì)算存在差異，其主要原因在于：經(jīng)驗(yàn)公式法未能考慮土的粘聚性，只是采用內(nèi)摩擦角簡化經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，且經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算基礎(chǔ)底面以下同一土層各點(diǎn)的附加應(yīng)力均相等。同時(shí)在計(jì)算新建左、右幅路面結(jié)構(gòu)及車輛荷載引起93號(hào)樁基的沉降值時(shí)，只是附加應(yīng)力簡單的疊加，故其計(jì)算結(jié)果均較有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果偏大。

4 結(jié)語

通過以上的分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景，采用經(jīng)驗(yàn)公式和大型有限元軟件分別計(jì)算分析，較為詳細(xì)的分析了下穿既有鐵路的新建公路對(duì)既有高速鐵路基礎(chǔ)的影響，通過兩種方法的計(jì)算分析，可知采用有限元法與經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算的結(jié)果基本一致。

2)計(jì)算結(jié)果表明，新建公路下穿鄭西高速鐵路對(duì)既有高鐵樁基影響均較小，樁基沉降量均在《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)值之內(nèi)。

3)公路下穿高速鐵路時(shí)盡量避免下穿路基區(qū)段，下穿高速鐵路橋區(qū)段應(yīng)控制基礎(chǔ)附加沉降的大小。

4)本論文的計(jì)算分析結(jié)果將結(jié)合實(shí)際施工作進(jìn)一步深化，其結(jié)果對(duì)同類下穿高鐵的公路工程起一定的借鑒作用。

[1] 包德勇.近距離交疊隧道施工影響的數(shù)值模擬[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7(1)：127-132.

[2] 劉志祥，郭永樂，周士霖.隧道下穿橋梁的橋墩穩(wěn)定性未確知測(cè)度評(píng)價(jià)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，21(4)：97.

[3] 徐而進(jìn)，陳 偉，褚 峰．樁基沉降對(duì)緊鄰地鐵隧道的影響分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2009(8)：119-123.

[4] TB 10002.5—2005，鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] TB 10621—2009，高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

On analysis of influence of down-traversing express railway on existing express railway pile foundation under the newly-built roads

Mao Yaping

(ZhengzhouSurveyandDesignInstitute,ChinaRailwayNo.5SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

Combining with the plan for expressway connection line down-traversing Zhengzhou-Xi’an Passenger Special Line interchange project, the paper analyzes the influence of the newly-built expressway on the settlement of Zhengzhou-Xi’an Passenger Line, researches the influence of the road project on the settlement of the express railway pile foundation, and achieves some better conclusion.

express railway, settlement analysis, GTS, pile foundation

1009-6825(2015)07-0154-03

2014-12-23

毛亞平(1985- )，女，助理工程師

U213.1

A