高速鐵路并行地段橋梁沉降變形分析

牛召陽

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

我國高速鐵路的通車?yán)锍桃堰_(dá)2萬km，預(yù)計(jì)到2025年，高速鐵路通車?yán)锍虒⑦_(dá)到3.8萬km。受各種條件限制，許多新建高鐵在局部范圍內(nèi)必須與既有高鐵并行，從而帶來了一系列的工程技術(shù)難題。

以平原地區(qū)某新建客運(yùn)專線(以下簡稱新建客專)連續(xù)梁并行既有高速鐵路(以下簡稱既有高鐵)簡支梁地段為背景，運(yùn)用Plaxis 2D軟件建立數(shù)值模型，對新建客運(yùn)專線橋梁施工階段、運(yùn)營階段既有高速鐵路橋梁的沉降變形進(jìn)行數(shù)值分析，以期得到一些有益的結(jié)論。

1 工程背景

1.1 工程概況

某新建客專禹齊特大橋于鐵路里程DK379+952處跨徒駭河，與既有高鐵32 m簡支梁橋并行。該新建客專設(shè)計(jì)速度為250 km/h，采用有砟軌道，梁跨為40 m+64 m+40 m連續(xù)梁，圓端形實(shí)體橋墩，墩全高17.5 m；基礎(chǔ)采用16根直徑為1.5 m的樁基，樁長65 m。既有高鐵設(shè)計(jì)速度為350 km/h，采用無砟軌道，梁跨為32 m簡支梁，圓端形實(shí)體橋墩，樁基礎(chǔ)。墩全高15.5 m，基礎(chǔ)采用12根1.0 m樁基，樁長42 m。兩工程最小線間距為25.41 m(見圖1)。

圖1 平面示意(單位：m)

1.2 工程地質(zhì)條件

勘探深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)及第四系上更新統(tǒng)沖積層(Q3al)，局部表層覆蓋第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)，主要分布于即有河堤。本場地地震動(dòng)峰值加速度為0.05g(地震基本烈度為Ⅵ度)，場地類別為Ⅲ類。土壤最大凍結(jié)深度為0.5 m。

樁身及樁尖范圍內(nèi)土層由粉質(zhì)黏土(130～260 kPa)、粉土(140～210 kPa)、粉砂(200 kPa)、細(xì)砂(300 kPa)等互層組成，無不良地質(zhì)。既有高鐵樁基樁長42 m，采用摩擦樁。

1.3 水文地質(zhì)條件

橋址區(qū)勘測期間，DK379+950溝渠內(nèi)有水，水深0.6～3.0 m，多為灌溉水。地下水為第四系孔隙潛水,埋深1.5～2.4 m，高程為16.35～17.11 m。地下水主要由大氣降水及地表水補(bǔ)給，水位變幅2～3 m。

2 沉降及變形分析

新建客專40 m+60 m+40 m連續(xù)梁施工及運(yùn)營對相鄰既有高鐵32 m簡支梁造成的沉降變形[1-5]主要包括以下兩個(gè)方面：

(1)新建客專橋梁樁基施工、承臺(tái)基坑開挖、承臺(tái)施工、基坑回填、橋墩施工、架梁、運(yùn)營階段對既有高鐵橋梁附加沉降的影響。

(2)新建客專樁基施工、承臺(tái)基坑開挖、承臺(tái)施工、基坑回填、橋墩施工、架梁、運(yùn)營階段對既有高鐵橋梁附加水平變形的影響。

3 建模分析

3.1 建模軟件簡介

PLAXIS 2D程序是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能強(qiáng)大的通用巖土有限元計(jì)算軟件，已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目的有限元分析中。其專業(yè)、高效、強(qiáng)大、穩(wěn)定等特點(diǎn)得到工程專業(yè)人員的廣泛認(rèn)可，日漸成為大家日常工作中不可或缺的分析工具。

3.2 土層參數(shù)

(1)壓縮模量的經(jīng)驗(yàn)公式

土層的壓縮模量取值以土工試驗(yàn)報(bào)告中的壓縮模量及壓縮曲線為基礎(chǔ)，結(jié)合以下壓縮模量的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算取值。計(jì)算得到地面10 m以下不同土層在不同深度處的壓縮模量(地面以下10 m范圍內(nèi)的土層由于其有效壓應(yīng)力較小，故未考慮其深度變化，取值來源于土工試驗(yàn)報(bào)告)。

(1)

對于粗砂：Ve=250，We=0.70；對于細(xì)砂：Ve=150，We=0.75；對于硬塑黏土：Ve=50，We=0.90；對于可塑黏土：Ve=10，We=1；對于高黏性土：Ve=6，We=1。

正常固結(jié)的土層，σat取值為100 kN/m2。

σ為該深度處的自重應(yīng)力，地下水位以上取天然重度，在地下水位以下取浮重度/(kN/m2)。

在有限元計(jì)算過程中，在考慮相關(guān)土工試驗(yàn)報(bào)告給出值的基礎(chǔ)上，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算壓縮模量隨深度的變化值。

(2)壓縮模量的取值原則

計(jì)算中土層壓縮模量的取值分為三部分：

①既有高鐵橋梁樁基樁尖以上土體，此部分土體壓縮模量根據(jù)公式(1)計(jì)算取值。

②既有高鐵橋梁樁基樁尖以下土體壓縮層，根據(jù)橋梁沉降理論的分層總和法確定樁尖以下土體的壓縮層厚度，其方法為：樁尖以下某一層土體的沉降量小于或等于樁尖以下總沉降量的0.025倍，此部分土體壓縮模量可查詢土工試驗(yàn)報(bào)告e-p曲線中對應(yīng)土層應(yīng)力壓縮模量值的3倍取值。

③模型底部，理論上不發(fā)生壓縮變形(此部分土層為樁尖以下土體壓縮層與模型底部之間的土層)，壓縮模量可查詢土工試驗(yàn)報(bào)告e-p曲線中對應(yīng)土層應(yīng)力壓縮模量值的10倍取值。

(3)本工點(diǎn)土層參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料，將施工場地的分層土進(jìn)行簡化[6-7]，見表1。

表1 土層參數(shù)

3.3 計(jì)算模型

采用巖土有限元分析軟件Plaxis 2D[8-9]進(jìn)行模擬。模型寬度為260 m，深度為100 m，采用土體硬化模型來模擬土的本構(gòu)關(guān)系，橋梁承臺(tái)、樁基均采用板單元模擬，橋梁上部結(jié)構(gòu)均以均布荷載形式加載在承臺(tái)上來模擬，樁土之間摩擦關(guān)系采用界面單元模擬，土體水平邊界采用水平約束，底邊界采用固定約束[10-13]。二維平面應(yīng)變模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

建模的基本原則：首先將既有高鐵橋梁結(jié)構(gòu)物按現(xiàn)狀作為基本初始狀態(tài)，計(jì)算土層的初始應(yīng)力，建立新建客專橋梁結(jié)構(gòu)物模型，分階段計(jì)算土層的應(yīng)力及沉降變化情況，進(jìn)而考查土層變形對既有高鐵橋梁基礎(chǔ)的影響。

3.4 階段劃分

計(jì)算分以下九個(gè)階段進(jìn)行，分別為：

(1)土層自重和靜水壓力的初始階段；

(2)既有高鐵現(xiàn)狀階段；

(3)新建客專樁基施工階段；

(4)新建客專承臺(tái)基坑開挖階段；

(5)新建客專承臺(tái)施工階段；

(6)新建客專承臺(tái)基坑回填階段；

(7)新建客專橋墩施工階段；

(8)新建客專架梁階段；

(9)新建客專運(yùn)營階段。

3.5 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算新建客專施工及運(yùn)營對既有高鐵的附加影響，見表2、圖3～圖7。

表2 各階段計(jì)算結(jié)果匯總

注：沉降值負(fù)值為沉降，正值為隆起。

圖3 運(yùn)營階段有限元網(wǎng)格變形

圖4 運(yùn)營階段整體變形矢量

圖5 運(yùn)營階段整體變形等值線

圖6 運(yùn)營階段整體變形云圖

圖7 各階段位移曲線

4 結(jié)論

(1)承臺(tái)基坑開挖、承臺(tái)施工階段，既有高速鐵路橋梁基礎(chǔ)略向上隆起；其余階段均為下沉，其中以橋墩施工階段影響最為顯著。臨近既有高鐵施工新建客專40 m+64 m+40 m連續(xù)梁的施工，引起既有高鐵的豎向沉降為1.76 mm，向新建客專方向的水平位移為2.61 mm，水平位移比豎向沉降值略大。

(2)在25.41 m線間距的條件下，新建客專的施工及運(yùn)營引起既有高鐵橋梁基礎(chǔ)的沉降量滿足墩臺(tái)均勻沉降小于20 mm，差異沉降小于5 mm的要求；滿足墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角不大于1.0‰弧度的要求(按照32 m簡支梁計(jì)算水平限值最大為16 mm)；滿足高速鐵路無砟軌道經(jīng)常保養(yǎng)條件下4 mm的豎向和水平要求[14-15]。

(3)小間距并行既有高鐵的新建客專橋梁施工，可采取以下措施減小對既有高鐵的沉降變形影響，保證既有高鐵的運(yùn)營安全：

①既有高鐵兩側(cè)50 m范圍內(nèi)不得堆土，防止堆土產(chǎn)生的附加荷載。

②既有高鐵兩側(cè)200 m范圍內(nèi)不得抽取地下水，防止抽取地下水導(dǎo)致地面沉降，進(jìn)而影響既有高鐵的安全運(yùn)營。

③適當(dāng)增加新建客專橋梁的樁長，使上部荷載有效傳遞到更深的土層。

④在靠近新建客專一側(cè)施工隔離樁，可有效隔離新建客專橋梁對既有高鐵橋梁基礎(chǔ)下部土體的擾動(dòng)。

⑤施工過程中采用有擋開挖，避免放坡開挖。

⑥新建客專橋梁的樁基可采用套管施工樁基的新技術(shù)。

⑦新建客專橋梁樁基施工過程中，先施工靠近既有高鐵一側(cè)，按照順線路方向依次施工，這樣內(nèi)側(cè)樁基能起到臨時(shí)隔離樁的效果。

⑧編制第三方監(jiān)測方案，對既有高鐵的沉降變形進(jìn)行適時(shí)分析。

⑨對并行地段既有高鐵地段的軌道現(xiàn)狀及扣件運(yùn)用情況進(jìn)行全面調(diào)查，施工前將并行地段既有高鐵的軌道調(diào)整到最佳狀態(tài)，施工中根據(jù)第三方監(jiān)測情況適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

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