下穿高鐵橋段箱涵基坑支護(hù)數(shù)值模擬與分析

王寶存

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，合肥 230088)

1 概 述

1.1 工程概況

港口灣灌區(qū)工程是納入國(guó)務(wù)院172項(xiàng)重大節(jié)水供水工程的新建大型灌區(qū)項(xiàng)目，位于安徽省宣城市。其中，佟李干渠跨商合杭高鐵橋采用箱涵型式，自高鐵442#和443#橋墩間垂直穿過(guò)，箱涵設(shè)計(jì)過(guò)流8.2 m3/s，斷面尺寸為3.8 m×3.8 m，墻厚0.5 m[1]。

高鐵橋?qū)?2.5 m，穿越段橋墩跨徑32.6 m，橋梁已完成鋪軌，橋底距現(xiàn)狀地面約5.6 m。該段工程施工時(shí)，高鐵橋墩沉降及變形控制標(biāo)準(zhǔn)為2 mm，高鐵橋外側(cè)起向外各200 m范圍內(nèi)禁止抽取地下水[2]。

該段基坑開(kāi)挖采用如下基坑支護(hù)型式：自穿越高鐵橋中心線兩側(cè)各30 m范圍內(nèi)采用地下連續(xù)墻進(jìn)行支護(hù)施工，支護(hù)墻厚0.6 m，墻底深入巖層約6 m，支護(hù)連續(xù)墻沿高度方向從下往上布置兩道對(duì)撐，第一道為鋼梁支撐，第二道為鋼筋砼梁支撐，對(duì)撐沿箱涵軸線方向間距5.0 m(高鐵橋下為2.5 m)。高鐵橋支護(hù)段以外采用截滲墻進(jìn)行防滲處理，與支護(hù)段連續(xù)墻相接。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)本次地質(zhì)測(cè)繪及鉆孔資料，穿越段揭露土層有人工填土、②1、④1、⑤3以及白堊系上統(tǒng)宣南組中段(K2x2)基巖地層。

工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1，物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1?；炷翗?biāo)號(hào)C30，鋼支撐按HRB400進(jìn)行考慮，參數(shù)見(jiàn)《水工混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191-2008)[3]。

表1 物理力學(xué)指標(biāo)表

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型建立

本次采用大型有限元程序ABAQUS分析[4-5]，主要模擬箱涵下穿商合杭高鐵橋?qū)?42#和443#橋墩的影響。計(jì)算過(guò)程中，土體、地下連續(xù)墻、砼支撐、鋼支撐、混凝土涵洞、商合杭高鐵橋墩和樁基礎(chǔ)等均采用三維實(shí)體單元模擬。連續(xù)墻按5 m一節(jié)劃分，計(jì)算模型順商合杭高鐵方向長(zhǎng)100 m，橫橋向90 m，深度方向40 m，模型共計(jì)38 052單元、28 575節(jié)點(diǎn)。模型前后左右均為法向約束，模型底部為豎向加法向約束。計(jì)算模型見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 整體模型圖

圖3 箱涵、支撐特樁基等模型圖 注：X為順橋向，高鐵橋里程方向?yàn)檎?；Z為沉降方向，以向上為正；Y為橫橋向，正向以右手定則確定。

2.2 模擬方案

模擬的開(kāi)挖、支護(hù)共分10個(gè)步驟進(jìn)行，工況劃分見(jiàn)表2。

表2 模型計(jì)算工況劃分表

2.3 模擬計(jì)算結(jié)果

2.3.1 橋墩墩頂位移

考慮到兩側(cè)橋墩對(duì)稱，選取443#橋墩墩頂進(jìn)行分析，各工況下墩頂順橋向、橫橋向、沉降方向位移以及總位移值見(jiàn)表3。

表3 各工況下墩頂位移值 /mm

工況7下位移最大，計(jì)算模型見(jiàn)圖4，樁墩總位移云圖見(jiàn)圖5。

圖4 工況7計(jì)算模型圖

圖5 工況7樁墩總位移云圖

2.3.2 樁側(cè)摩阻力及軸力影響

443#橋墩在10種工況下的左下角基樁側(cè)摩阻力增幅較小，樁側(cè)摩阻力增量最大值不超過(guò)0.5 kN(工況7)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

443#橋墩左下角在各工況下樁身軸力均出現(xiàn)一定程度的減小，軸力減小的幅度不超過(guò)-75 kN(工況7)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 各工況下443#左下角樁身軸力增量隨深度變化曲線圖

3 結(jié)論與建議

通過(guò)三維數(shù)值計(jì)算，從計(jì)算分析結(jié)果來(lái)看，安徽省港口灣水庫(kù)工程佟李干渠穿高鐵段箱涵的施工對(duì)商合杭鐵路橋梁有一定的影響，但均未超出規(guī)范值。參考以上計(jì)算結(jié)果，總結(jié)如下：

1) 安徽省港口灣水庫(kù)工程佟李干渠新建工程采用連續(xù)墻圍護(hù)、明挖施工形式下穿商合杭鐵路，設(shè)計(jì)方案基本可行。

2) 通過(guò)三維有限元數(shù)值計(jì)算分析，安徽省港口灣水庫(kù)工程佟李干渠新建工程的施工及后期運(yùn)營(yíng)荷載引起的商合杭鐵路的橋墩變形、位移和沉降量均小于2 mm，滿足高鐵安全相關(guān)規(guī)范要求。

3) 根據(jù)《鐵路安全管理?xiàng)l例》，高鐵橋外側(cè)起向外各200 m范圍內(nèi)禁止抽取地下水，本次模擬計(jì)算未考慮地下水影響?？紤]到本工程區(qū)域地下水豐富，⑤3砂礫卵石層為強(qiáng)透水層，本設(shè)計(jì)中高鐵橋支護(hù)段以外采用截滲墻進(jìn)行防滲處理，與支護(hù)段連續(xù)墻相接。施工時(shí)，應(yīng)確保截滲墻質(zhì)量，做到高鐵橋附近地下水位不因工程施工發(fā)生變化。