公路路塹下穿既有高速鐵路橋梁的影響研究

孟繁增

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

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的新建道路下穿既有高速鐵路。由于高速鐵路平順性要求極為嚴(yán)格，需對(duì)下穿道路對(duì)既有高速鐵路的影響進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[1]采用有限差分法，對(duì)新建匝道橋工程下穿既有哈大客運(yùn)專線工程對(duì)高速鐵路基礎(chǔ)變位的影響進(jìn)行了分析計(jì)算；文獻(xiàn)[2]針對(duì)新建道路下穿既有高速鐵路，從設(shè)計(jì)角度研究了U型槽和橋梁方案需注意的問(wèn)題，并給出了案例；文獻(xiàn)[3]采用有限單元法對(duì)樁板結(jié)構(gòu)方案和新建路基方案下穿京滬高速鐵路進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[4]針對(duì)某軟土地區(qū)下穿運(yùn)營(yíng)高速鐵路通道工程，提出了一整套安全評(píng)估、防護(hù)技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)和施工方法；文獻(xiàn)[5-6]采用ABAQUS軟件對(duì)某封閉式路塹下穿高速鐵路進(jìn)行了施工全過(guò)程仿真分析，研究了鄰近高速鐵路不同距離，不同挖深及不同封閉式路塹階段的基坑施工對(duì)既有高速鐵路的影響；文獻(xiàn)[7]針對(duì)某鋼架結(jié)構(gòu)下穿京滬高速鐵路工程，采用ABAQUS軟件對(duì)既有群樁基礎(chǔ)的負(fù)摩阻力、樁身軸力和差異沉降和上部結(jié)構(gòu)的位移進(jìn)行了研究。目前的研究多側(cè)重于新建公路橋梁或U型槽下穿既有高速鐵路的方案設(shè)計(jì)比選或三維數(shù)值分析，尚未見敞開式路塹形式下穿既有高速鐵路工程的數(shù)值分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)介紹。本文以某敞開式路塹下穿既有高速鐵路工程為研究背景，分別采用改進(jìn)的分層總和法和彈塑性三維有限元仿真方法對(duì)新建路塹對(duì)既有高速鐵路樁基礎(chǔ)的變形影響進(jìn)行了分析，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可為類似工程提供借鑒。

1 工程背景

某新建公路采用分幅下穿既有運(yùn)營(yíng)高速鐵路，交叉角度為56°。道路標(biāo)準(zhǔn)為城市主干路，設(shè)計(jì)速度主路為60 km/h，輔路為30 km/h。受鄰近的普速鐵路既有框構(gòu)橋凈高限制，縱斷面不能抬高，需采用路塹形式穿越。既有運(yùn)營(yíng)高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)已預(yù)留穿越通道，承臺(tái)進(jìn)行了下埋，并且樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮了公路荷載對(duì)樁基礎(chǔ)承載力的影響。原計(jì)劃公路與高速鐵路同期施工，但由于公路施工滯后高速鐵路施工數(shù)年，公路施工時(shí)地貌發(fā)生了變化，需要重新開挖施工路塹，且施工時(shí)既有高速鐵路已開通運(yùn)營(yíng)，需對(duì)施工影響進(jìn)行重新分析。

既有高速鐵路為雙線無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)速度為350 km/h，結(jié)構(gòu)形式為40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，橋墩為圓端形橋墩，墩高10.5 m，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸為11 m×8 m×2 m，樁長(zhǎng)26 m，樁徑1 m。

新建道路橫斷面及平面,如圖1、圖 2所示。下穿段道路紅線70 m，采用四幅路形式，中間分隔帶寬約在1.2～7.8 m，兩側(cè)機(jī)動(dòng)車道各寬11.5 m，兩側(cè)分隔帶各寬2～2.2 m，兩側(cè)輔路各寬6 m，兩側(cè)人行道各寬4.5 m。路塹兩側(cè)采用放坡開挖后鋪設(shè)水泥混凝土網(wǎng)格護(hù)坡，道路最大挖深3～5 m，路面結(jié)構(gòu)坡比1∶1.5。道路占?jí)翰糠旨扔懈咚勹F路62號(hào)墩承臺(tái)3.5 m、2.88 m，設(shè)置了部分樁板結(jié)構(gòu) (板厚0.6 m)，以隔離汽車荷載的影響，板側(cè)設(shè)置SS級(jí)防撞護(hù)欄。

圖1 公路路塹下穿高速鐵路橫斷面示意圖(cm)

圖2 公路路塹下穿高速鐵路平面布置示意圖

兩側(cè)輔路下方及部分主路下方敷設(shè)雨水管，雨水管管徑為0.6～1 m。雨水管基坑采用放坡開挖，粉細(xì)砂層采用1∶2放坡率，其他土層采用1∶1。破面噴射80 mm厚C20素混凝土，內(nèi)掛φ8@150×150鋼筋網(wǎng)，打設(shè)3 m長(zhǎng)砂漿錨桿。施工過(guò)程中控制開挖長(zhǎng)度，及時(shí)回填。

道路施工順序?yàn)椋菏┕?chǎng)地為管線防護(hù)、改移；開挖基坑至輔路標(biāo)高；施做輔路雨水管道工程；開挖基坑至主路標(biāo)高；施工樁板結(jié)構(gòu)；施工主路雨水管道；擋墻施工，道路鋪裝。

建設(shè)場(chǎng)地地面平緩，地層從上之下依次為：雜填土(80 kPa)、細(xì)砂(270 kPa)、細(xì)圓礫土(中密400 kPa)、粗圓礫土(中密550 kPa)、細(xì)圓礫土(密實(shí)500 kPa)、粗圓礫土(密實(shí)，650 kPa)和泥巖(強(qiáng)風(fēng)化，250 kPa)。

由于高速鐵路對(duì)軌道平順性的要求極高，為保證高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全，需對(duì)新建公路對(duì)既有高速鐵路橋墩豎向變形的影響進(jìn)行分析，并在施工過(guò)程中開展監(jiān)測(cè)工作。需要說(shuō)明的是，《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》[8]針對(duì)公路或市政工程提出：(1)采用路塹形式下穿時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)論證。(2)不限速條件下，墩臺(tái)頂位移限值橫向、豎向、縱向均應(yīng)小于2 mm，當(dāng)不滿足時(shí)，可進(jìn)行專項(xiàng)論證，但軌面平順性應(yīng)滿足《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》和《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中對(duì)于靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值的有關(guān)規(guī)定。由于在設(shè)計(jì)及計(jì)算評(píng)估過(guò)程中，該規(guī)范尚未頒布，對(duì)既有高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全的影響評(píng)估主要依據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》及《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》進(jìn)行。

2 基于改進(jìn)的分層總和法的既有高速鐵路橋墩豎向變形分析

目前TB 10093-2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第3.2.4條規(guī)定，摩擦樁基礎(chǔ)的總沉降量計(jì)算可將樁基視作實(shí)體基礎(chǔ)，按照規(guī)范中給出的分層總和法進(jìn)行計(jì)算，但規(guī)范中只有樁基礎(chǔ)受樁頂荷載時(shí)的沉降計(jì)算方法，未給出摩擦樁基礎(chǔ)受鄰近地面荷載變化時(shí)的沉降計(jì)算方法；GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.3.9條規(guī)定，當(dāng)存在相鄰荷載時(shí)，應(yīng)計(jì)算相鄰荷載引起的地基變形，其值可按應(yīng)力疊加原理，采用角點(diǎn)法計(jì)算，但規(guī)范所給出的為查表法，不利于計(jì)算機(jī)計(jì)算。本文將路塹開挖視作卸載過(guò)程，利用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算道路開挖對(duì)鄰近樁基礎(chǔ)的豎向變形影響。計(jì)算步驟如下：

(1)根據(jù)mindlin解析公式結(jié)合應(yīng)力疊加原理計(jì)算開挖卸載引起樁身位置處土體沿深度方向的附加應(yīng)力變化。

(2)采用冪指數(shù)形式的土體模量(考慮回彈模量)計(jì)算公式，計(jì)算分層模量。

(3)根據(jù)附加應(yīng)力和模量計(jì)算分層應(yīng)變，并進(jìn)一步計(jì)算分層壓縮量。

(4)分層求和得到樁基礎(chǔ)的隆起回彈變形。

其中假定樁基礎(chǔ)的中性點(diǎn)位于樁身的2/3處，壓縮層的厚度按照變形比0.025確定[9-10]。詳細(xì)的計(jì)算流程和計(jì)算公式詳見文獻(xiàn)[11]，此處不再贅述。計(jì)算所采用的土體參數(shù)，如表 1所示。

表1 土體參數(shù)表

圖3 施工過(guò)程中地層附加應(yīng)力曲線圖

圖4 施工過(guò)程中橋墩隆起值斷面曲線圖

58～62號(hào)橋墩位置處樁身位置處土體應(yīng)力隨深度的變化曲線(未考慮樁土相互作用)，如圖3所示。其中正號(hào)表示拉應(yīng)力(因土體實(shí)際不能承擔(dān)拉應(yīng)力，該值表示由于卸載回彈導(dǎo)致的地應(yīng)力在歷史應(yīng)力下的減小值)。由圖3可以看出，隨著與路塹中心距離的增加，附加應(yīng)力的變化逐漸減小，同時(shí)，附加應(yīng)力變化值隨深度的變化規(guī)律并不相同。 62號(hào)橋墩位于路塹中心，附加應(yīng)力在地表處最大，隨著深度增加而逐漸減小，58～61號(hào)橋墩附加應(yīng)力隨深度變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最終趨于收斂。

采用改進(jìn)的分層總和法計(jì)算路塹開挖引起既有高速鐵路樁基礎(chǔ)隆起值，如圖4所示。由圖4可以看出，隨著與路塹中心距離的增加，樁基礎(chǔ)隆起值逐漸減小并逐步收斂。位于路塹中心的62號(hào)橋墩隆起最大值為4.88 mm，在距離路塹中心114.8 m處的58號(hào)和66號(hào)橋墩，隆起值約為0.1 mm，可認(rèn)為基本沒(méi)有影響。

3 基于彈塑性三維有限元理論的墩頂豎向變形仿真分析

采用連續(xù)介質(zhì)模型將土和結(jié)構(gòu)共同建模進(jìn)行三維彈塑性有限元分析，考慮土體的非線性和土體與結(jié)構(gòu)的耦合作用，直接得出由于基坑開挖引起鄰近高速鐵路樁基礎(chǔ)的位移變形，是目前處理較為復(fù)雜的巖土問(wèn)題的通用手段之一。

基坑開挖是一個(gè)土與結(jié)構(gòu)共同作用的復(fù)雜過(guò)程，對(duì)土介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系的模擬是采用土與結(jié)構(gòu)共同作用方法的關(guān)鍵，從理論上講，基坑開挖中的土體本構(gòu)模型應(yīng)能同時(shí)反映土體在小應(yīng)變時(shí)的非線性行為和土的塑性性質(zhì)[12]。根據(jù)擬分析問(wèn)題的特點(diǎn)，選擇修正摩爾庫(kù)倫模型作為土體的本構(gòu)模型，參數(shù)如表1所示。橋墩及承臺(tái)采用實(shí)體單元模型，樁基單元采用梁?jiǎn)卧M。

截取新建路塹下穿段共計(jì)200 m(與高速鐵路交叉點(diǎn)前后各100 m)進(jìn)行分析，既有高速鐵路的分析范圍選為新建公路邊線外側(cè)各3個(gè)橋墩(共9個(gè)橋墩)。模型的側(cè)向邊界條件采用垂直于邊界平面的約束(零應(yīng)力邊界)，底部邊界條件采用三向全約束[13]。為減小邊界條件模擬與實(shí)際情況不符帶來(lái)的誤差，模型的平面范圍不宜過(guò)小，本文取為樁基外側(cè)3倍樁長(zhǎng)范圍，模型的深度取為樁尖以下35 m，模型總尺寸為510 m×320 m×70 m，網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，共劃分為 26 728個(gè)節(jié)點(diǎn)，106 361個(gè)單元。有限元整體網(wǎng)格模型如圖5所示，樁基、承臺(tái)及橋墩網(wǎng)格模型，如圖6所示。

圖5 有限元整體網(wǎng)格模型

圖6 樁基、承臺(tái)及橋墩網(wǎng)格模型

由于土體位移尚位于小應(yīng)變范圍，可認(rèn)為樁、土間不產(chǎn)生相對(duì)滑移，因此樁、土采用共節(jié)點(diǎn)的形式模擬二者的相互作用。采用生死單元的方式來(lái)模擬土體的開挖過(guò)程。

分析了路塹開挖施工過(guò)程中最大開挖階段引起既有橋墩頂?shù)呢Q向變形，如表2所示。表中豎向變形正值表示隆起變形，負(fù)值表示沉降變形。

表2 墩頂變形仿真分析結(jié)果表

由表2可知，施工過(guò)程中的最不利階段情況下，豎向變形的最大值發(fā)生在62號(hào)橋墩，為隆起變形，最大隆起值為4.90 mm。

經(jīng)計(jì)算，施工過(guò)程中相鄰墩最大差異沉降量為2.9 mm，最大橫向變形為1.33 mm，平順性檢算滿足《高速鐵路無(wú)砟軌道維修規(guī)則(試行)》中軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值的要求。由于該值為施工影響附加值，建議在施工前對(duì)初始軌道平順性進(jìn)行檢測(cè)并調(diào)整。另外，墩頂附加變形值疊加上原高速鐵路在設(shè)計(jì)工況下(恒載、活載等)的墩頂變形值后，相鄰墩最大差異沉降量為3.01 mm，最大橫向變形為3.48 mm，小于《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的差異沉降量不大于5 mm、橫向折角不大于1‰的要求。由于既有高速鐵路橋墩為隆起，因此對(duì)既有樁基不會(huì)出現(xiàn)附加的負(fù)摩阻力，且路塹開挖底面位于承臺(tái)頂面以上，路塹開挖對(duì)樁側(cè)土無(wú)擾動(dòng)，樁側(cè)摩阻力無(wú)損失，因此樁基承載力不受影響。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及對(duì)比

工程實(shí)施過(guò)程中，針對(duì)既有高速鐵路橋墩的隆起變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用了基于振弦式靜力水準(zhǔn)儀的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[14]和基于電子水準(zhǔn)儀的人工監(jiān)測(cè)兩種手段進(jìn)行測(cè)量并相互校核。共在橋梁的上下行側(cè)對(duì)稱布置2條測(cè)線，布置2個(gè)基點(diǎn)，18個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)范圍共計(jì)230 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，如圖7、圖8所示。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)安裝于箱梁內(nèi)部的兩側(cè)腹板上，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)頻次為1次/10 min，測(cè)量精度為0.05 mm；人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于墩身兩側(cè)，監(jiān)測(cè)頻次為2次/d，測(cè)量精度執(zhí)行 TB 10621-2009《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》[15]中第8.1.7條規(guī)定的二等標(biāo)準(zhǔn)，高程中誤差不大于 0.5 mm，相鄰點(diǎn)高差中誤差不大于0.3 mm。

圖7 測(cè)點(diǎn)平面布置示意圖(m)

圖8 測(cè)點(diǎn)立面布置示意圖

(1)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

開挖過(guò)程中位于路塹中心的62號(hào)橋墩的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)程對(duì)比曲線，如圖9所示。開挖過(guò)程中，62號(hào)橋墩持續(xù)隆起，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)最大隆起值為3.991 mm，人工監(jiān)測(cè)最大隆起值為3.42 mm，自動(dòng)化測(cè)量與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，吻合良好。

圖9 施工過(guò)程中自動(dòng)化測(cè)量數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)程曲線對(duì)比圖

(2)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)程曲線分析

施工過(guò)程期間58～67號(hào)橋墩的隆起過(guò)程時(shí)程曲線，如圖10所示，該曲線顯示，在0～60 d路塹開挖期間，既有高速鐵路61號(hào)、62號(hào)、63號(hào)橋墩發(fā)生明顯隆起現(xiàn)象，其中61號(hào)橋墩最大值達(dá)到1.433 mm，62號(hào)橋墩隆起最大值為3.991 mm，63號(hào)橋墩隆起最大值為2.046 mm。開挖完成后，隨著橋下樁板結(jié)構(gòu)的施工及路面層的施工，橋墩隆起值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。除上述點(diǎn)外，路塹外側(cè)其余橋墩影響較小，在-0.812～0.903 mm間波動(dòng)，也表現(xiàn)出了隆起值先增大后減小的趨勢(shì)，部分測(cè)點(diǎn)最終出現(xiàn)略微沉降的狀態(tài)。

圖10 施工過(guò)程中橋墩沉降變形時(shí)程曲線圖

(3)監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比分析

針對(duì)監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。以位于路塹中心的62號(hào)橋墩為例，采用基于改進(jìn)的分層總和法計(jì)算隆起值為4.88 mm，采用有限單元法仿真結(jié)果為隆起4.90 mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)值為隆起3.99 mm，結(jié)果對(duì)比吻合良好，驗(yàn)證了改進(jìn)的分層總和法在計(jì)算公路路塹下穿高速鐵路隆起值影響的適用性。實(shí)際監(jiān)測(cè)相鄰墩最大差異沉降值為2.64 mm，最大橫向變形值為1.13 mm；疊加上既有設(shè)計(jì)值后，最大差異沉降值為2.75 mm，最大橫向變形值為3.28 mm。均滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)的要求。

表3 監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比表

5 結(jié)論

文章以某新建公路路塹下穿既有高速鐵路橋梁工程為背景，分別采用了改進(jìn)的分層總和法和彈塑性三維有限元仿真分析方法等多種分析手段研究既有高速鐵路橋墩隆起變形的影響；進(jìn)一步在施工過(guò)程中，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)2種方式對(duì)既有高速鐵路隆起變形開展測(cè)量工作，獲得了亞毫米級(jí)精度的可信數(shù)據(jù)，保證高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。通過(guò)分析、監(jiān)測(cè)及對(duì)比，得出結(jié)論如下：

(1)經(jīng)計(jì)算和監(jiān)測(cè)，該新建公路路塹開挖對(duì)既有高速鐵路橋梁的影響滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》及《高速鐵路無(wú)砟軌道維修規(guī)則(試行)》的要求。

(2)計(jì)算值和監(jiān)測(cè)值均顯示，新建公路路塹開挖將引起既有高速鐵路橋墩發(fā)生隆起變形，隆起變形值隨著開挖方量的增加而增加，隨開挖距離的增加而減小。

(3)改進(jìn)的分層總和法計(jì)算值、三維有限單元法仿真計(jì)算值及實(shí)際監(jiān)測(cè)值吻合良好，驗(yàn)證了改進(jìn)的分層總和法應(yīng)用于路塹開挖對(duì)既有高速鐵路影響分析的適用性，為后續(xù)類似項(xiàng)目提供借鑒。