城際鐵路施工對鄰近高鐵橋梁樁基的影響研究

殷鵬程，張樹森

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063；2.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢 430065）

城際鐵路施工對鄰近高鐵橋梁樁基的影響研究

殷鵬程1，張樹森2

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063；2.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢 430065）

高速鐵路（簡稱：高鐵）對線路平順性要求非常嚴(yán)格，鄰近高鐵的建筑物施工都不可避免地對高鐵運營產(chǎn)生影響。文章以某城際鐵路橋梁并行高鐵及客運專線施工為背景，采用ABAQUS大型有限元軟件建立數(shù)值分析模型、配設(shè)相關(guān)參數(shù)、進(jìn)行施工模擬，分析施工對既有鐵路橋梁基礎(chǔ)的變形響應(yīng)及樁基內(nèi)力變化的影響，據(jù)此確定并提出預(yù)防措施，以規(guī)避施工風(fēng)險確保運營安全。該文可為同類工程的數(shù)值仿真模擬和施工提供參考。

高速鐵路；橋梁；橋梁施工；樁基；ABAQUS

隨著我國高速鐵路（簡稱：高鐵）的快速建設(shè)，各種鄰近高速鐵路的建筑物施工項目逐漸增多，由于高速鐵路對列車運行的平順性要求很高，其施工必然會對高鐵的正常運營產(chǎn)生影響，為了確保運行安全，需要在施工前正確預(yù)測、科學(xué)評估項目施工對既有高鐵橋梁的影響程度，為施工方案的確定和實施提供技術(shù)支持。

1 工程概況

某城際鐵路在高鐵與客運專線兩側(cè)分為左、右兩線，左線位于客運專線鐵路上游側(cè)，右線位于高鐵下游側(cè)，如圖1所示。

圖1 渉鐵工程平面位置圖

該區(qū)域高鐵與客運專線采用32 m、24 m簡支梁，高鐵J16～J19號墩、客運專線H16～H19號墩位于河道中。為減少對高鐵橋梁的影響，城際鐵路（簡稱：城際）左右線分別采用86 m及96 m鋼桁梁跨越與高鐵并行段。高鐵與城際右線最小線間距為8.0 m，客運專線與城際左線最小線間距為10 m，城際右線箱梁外緣與高鐵箱梁外緣最近距離為1.6 m，城際左線箱梁外緣與客專箱梁外緣最近距離為1.8 m，城際右線鋼桁梁邊緣與高鐵梁體邊緣最小距離為0.5 m，城際左線鋼桁梁邊緣與客專梁體邊緣最小距離為1.2 m，城際鐵路橋梁基本資料見表1所示。

表1 城際鐵路橋梁孔跨概況

城際橋梁工程的近距離樁基施工和荷載會造成周圍土體的位移和應(yīng)力變化[1]，對周圍土體和近旁已建成的鐵路橋樁基產(chǎn)生不可忽視的擾動[2]。高速鐵路橋梁對線下結(jié)構(gòu)物的變形和沉降要求非常嚴(yán)格[3]，為確保高鐵及客運專線的運營安全，必須將城際工程的施工及運營對高鐵和客專樁基造成的影響進(jìn)行科學(xué)、客觀的分析評價。

2 數(shù)值模擬

ABAQUS是基于有限元方法的工程模擬軟件，它能夠駕馭龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題，對巖土工程具有較強的適用性，能解決巖土領(lǐng)域內(nèi)諸多復(fù)雜問題[4]。將基于ABAQUS軟件，采用合適的土體本構(gòu)模型，建立地層-結(jié)構(gòu)三維有限元模型并模擬樁土相互作用，通過模擬實際城際鐵路施工過程，得出本工程施工對高鐵及客專橋梁樁基的實際影響。

2.1 有限元計算模型

對城際鐵路左、右線施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，模擬時只建立橋墩及下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型，將橋墩視為彈性體，有限元計算幾何模型如圖2所示。

計算過程中，采用摩爾庫倫模型進(jìn)行計算，模型中橋梁承臺和橋墩采用線彈性的鋼筋混凝土實體模擬，高鐵樁基與新建樁基采用實體單元模擬；模型底部施加完全固定約束，在兩側(cè)施加豎直滑動約束，模型表面則取為自由邊界；取X方向為順橋向方向、Y方向為橫橋向方向、Z方向為豎向?？紤]到各個高鐵橋墩受到的施工影響大小不一致，我們選取受施工影響較大的J15/J16、J17/J18、J19/J20、H15/ H16、H17/H18、H19/H20為主要分析對象。

圖2 整體計算模型

2.2 計算參數(shù)選取

2.2.1 荷載參數(shù)

橋梁梁體及上部荷載的作用通過在橋墩墩頂施加均布荷載來代替。橋墩墩頂荷載的大小可根據(jù)高鐵、客專以及城際高架橋上部結(jié)構(gòu)模型的計算結(jié)果進(jìn)行選取。

2.2.2 材料參數(shù)

橋梁主要建筑材料：材料彈性模量及泊松比按鐵路規(guī)范TB10002.3-2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》辦理。

墩身：采用C35混凝土。

承臺、樁基礎(chǔ)：采用C30混凝土。

HRB335鋼筋：主要用于構(gòu)件和主要受力鋼筋。

HPB235鋼筋：主要用于箍筋及構(gòu)造鋼筋。

2.2.3 土層參數(shù)

根據(jù)地勘報告，本次計算模型所在區(qū)域各土層力學(xué)參數(shù)如表2所示，計算過程中土體采用Mohr-Coulomb模型[5]。樁基礎(chǔ)與周邊土體之間、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊土體之間均建立硬接觸模型，接觸面上摩擦系數(shù)按照Randolph 和Wroth提出的經(jīng)驗公式取值，即：μ=sinφ · cosφ/(1+sin2φ)，其中，φ為土體的摩擦角。

2.3 模擬計算

按照城際橋梁施工順序，模擬計算分以下6個步驟進(jìn)行。

（1）地應(yīng)力平衡；

（2）高鐵及客專樁基施工與上部荷載施加；

表2 土層力學(xué)參數(shù)

（3）城際左線SBZ005、SBZ004、SBZ002樁基施工；

（4）城際左線SBZ005、SBZ004、SBZ002樁基頂部運營荷載施加；

（5）城際右線SBY024、SBY021、SBY020樁基施工；

（6）城際右線SBY024、SBY021、SBY020樁基頂部運營荷載施加。

3 計算結(jié)果分析

樁基施工會引起相鄰樁基位移和內(nèi)力變化。計算以不同施工步下高鐵J15～J20以及客專H15～H20樁基承臺的4個角點的順橋向水平位移、橫橋向水平位移、豎向位移和角樁軸力為目標(biāo)，分析其在各施工階段中的變化值。

3.1 樁基變形分析

高鐵J15-J20以及客專H15-H20樁基承臺的4個角點的順橋向水平位移、橫橋向水平位移和豎向位移最大值統(tǒng)計如表3所示。從表中可以看出，承臺3個方向變形的最大值都未超過1 mm，最大的J19豎向位移值為0.755 mm。

3.2 樁身軸力變化分析

不同工況條件下高鐵以及客專受影響的樁基軸力變化統(tǒng)計如表4所示。

可以看出，變化最大的H16墩的樁基，其軸力變化為35.20 kN。圖3為H16墩角樁軸力變化分布圖。

表3 城際左右線工程承臺位移變化統(tǒng)計表

表4 城際左右線工程軸力變化統(tǒng)計

4 結(jié)束語

圖3 客專H16墩下角樁軸力變化分布

（1）城際橋梁施工將會使鄰近的高鐵及客運專線橋梁的樁基礎(chǔ)產(chǎn)生變形和軸力變化，最大位移值不大于1 mm，最大軸力變化值不小于35 kN，均在相關(guān)規(guī)范[3]的容許范圍內(nèi)，對既有高鐵橋梁的運營影響較小，總體橋梁布置形式合理。

（2）在工程施工的過程中都應(yīng)對高鐵和客專的變形加強監(jiān)測，盡量減小對高鐵和客專基礎(chǔ)的不利影響，確保高鐵的運營安全。設(shè)立監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，制定緊急情況處理方案，對超過變形控制值及變形突變的情況，應(yīng)停止施工、查找分析原因、采取相應(yīng)措施，并啟動應(yīng)急處理方案。

（3）由于工程場地地質(zhì)性質(zhì)較差，含有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等高壓縮性土，為避免施工期間對場地產(chǎn)生堆載效應(yīng)，禁止重型車輛靠近施工現(xiàn)場，嚴(yán)禁在現(xiàn)場堆土，渣土應(yīng)隨出隨運。

[1]禚 一，張 軍，宋順忱，等.軟土地區(qū)基坑開挖對臨近高鐵影響數(shù)值仿真分析 [J].鐵道工程學(xué)報，2014（2）.

[2]陳 剛,洪寶寧,周 斌.跨線橋樁基施工對既有高速公路影響的有限元分析[J].中外公路，2015（2）.

[3]國家鐵路局.TB 10621-2014 高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[4]楊銀慶,孟繁增，禚 一，等.擬建鐵路橋梁施工對并行既有高速鐵路橋梁變形響應(yīng)仿真分析 [J].高速鐵路技術(shù)，2014,1（5）：27-34.

[5]秦會來,張甲峰，郭完成，等.ABAQUS 在計算基坑開挖變形中的應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報，2012（34）：82-86.

責(zé)任編輯 徐侃春

Infuence of intercity railway construction on bridge pile foundation of adjacent high-speed railway

YIN Pengcheng1,ZHANG Shusen2
( 1.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.Ltd., Wuhan 430063,China;2.School of Information Engineering,Wuhan Technology and Business University,Wuhan 430065,China)

Because of the strict requirement on track fegularity of high-speed railway,the construction of the adjacent building has an inevitable infuence on the high-speed railway operation.Taking an intercity railway construction located parallel to the high-speed railway as the study background,a numerical model using software of ABAQUS for large fnite element analysis with related parameters setting was established to simulate construction process and analyze the deformation response and axial force effect of existing railway bridge pile foundation.The results could be used to defne and implement preventive actions to mitigate identifed risks and insure operation safety.This article could provide reference for numerical simulation and construction of similar engineering.

high-speed railway;bridge;bridge construction;pile foundation;ABAQUS

U215：U243.15：TP39

A

1005-8451（2016）04-0019-04

2015-09-06

殷鵬程，工程師；張樹森，教授級高級工程師。