新建道路下穿運(yùn)營(yíng)高鐵橋孔安全評(píng)估技術(shù)分析

權(quán)緒良 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司平改立工程指揮部

1 引言

上海局集團(tuán)公司位于華東腹地，管內(nèi)高鐵多位于地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)，近些年來(lái)，由于地方經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)的需要與高鐵線路發(fā)生交叉，道路穿越運(yùn)營(yíng)高鐵橋孔對(duì)橋梁樁基產(chǎn)生附應(yīng)力造成橋梁樁基沉降或水平位移變形，給高鐵運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。本文以徐州市夾河路下穿鄭徐高鐵徐州特大橋?yàn)槔?，建立有限元模型進(jìn)行三維數(shù)值仿真計(jì)算，分析道路及施工荷載作用下橋梁基礎(chǔ)受力變形，評(píng)估道路下穿運(yùn)營(yíng)高鐵橋孔安全性。

2 工程概況

徐州市規(guī)劃夾河路北起興隆路，南至二環(huán)北路西延，依次下穿夾北鐵路上行線、夾北鐵路下行線、夾北鐵路疏解線三條既有普速鐵路路基以及鄭徐高鐵橋梁，是泉山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)規(guī)劃的重要城市主干道。夾河路下穿夾北鐵路及鄭徐高鐵立交工程設(shè)計(jì)范圍為K1+600～K2+135，全長(zhǎng)535 m。其中K1+923.50～K2+120.07為夾北鐵路南側(cè)U型槽U13～U22，本次先行實(shí)施下穿鄭徐高鐵橋梁段，即U13～U16。夾河路道路U槽分左右幅下穿鄭徐高鐵徐州特大橋126#～128#橋墩，單幅U型槽內(nèi)寬16.88 m，車道布置形式為1.25 m人行道+6.25 m機(jī)非混行車道+0.88 m中分帶+8.5 m機(jī)動(dòng)車道。下穿處道路設(shè)計(jì)里程K1+949.68，高鐵運(yùn)營(yíng)里程K214+573.22，道路與鐵路的夾角約為87.2°。下穿處鐵路梁體均為32.6 m簡(jiǎn)支箱梁。夾河路從鄭徐高鐵徐州特大橋126#～128#墩之間下穿如圖2。126#～128#墩采用圓端型橋墩，承臺(tái)尺寸10.2 m×6.8 m×2.5 m，承臺(tái)底面標(biāo)高分別為39.617 m、35.901 m和39.685 m。承臺(tái)下接10根直徑1 m樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)分別為47.5 m、47.5 m、47 m。樁底位于硬塑粉質(zhì)黏土中，基本承載力為250 kPa。鄭徐高鐵徐州特大橋126#～128#墩橋型布置圖如圖1。

圖1 鄭徐高鐵徐州特大橋現(xiàn)狀

圖2 夾河路U型槽基坑下穿鄭徐高鐵徐州特大橋126#-128#橋橫斷面圖

本涉鐵工點(diǎn)的場(chǎng)地土層自上而下可劃分為：

粉土(Q4al)：該層于橋址區(qū)均有分布，層面標(biāo)高4.54～41.99 m，層面埋深0 m～29.5 m，層厚0.4～21.8 m，平均厚度5.36 m。Es100～200＝8.33 MPa，土石等級(jí)為Ⅱ級(jí)，推薦承載力基本值δ0=120 kPa(液化前)。

粉質(zhì)黏土(Q4al)：橋址區(qū)多有分布，層面標(biāo)高1.15 m～41.21 m，層面埋深0 m～40.8 m，層厚0.2 m～25.3 m，平均厚度5.79 m。Es100～200＝5.70 MPa，Es300～400＝9.86 MPa，土石等級(jí)為Ⅱ級(jí)，推薦承載力基本值δ0=170 kPa。

粉質(zhì)黏土(Q4al)：橋址區(qū)一般均有分布，為全新統(tǒng)與上更新統(tǒng)分界的主要標(biāo)志層，層面標(biāo)高0.39 m～32.16 m，層面埋深1.0 m～40.5 m，層厚0.1 m～29.0 m，平均厚度9.85 m。Es100～200＝8.37 MPa，Es300～400＝12.10 MPa，Es600～800＝19.17 MPa，土石等級(jí)為Ⅱ級(jí)，推薦承載力基本值δ0=200 kPa。

粉質(zhì)黏土(Q3al)：該層主要分布于DK332+867.74～DK353+850.83，層面標(biāo)高-16.26 m～17.42 m，層面埋深17.1 m～57.5 m，層厚0.7 m～31.5 m，平均厚度17.22 m。Es300～400＝13.54 MPa，Es600～800＝19.33 MPa，土石等級(jí)為Ⅱ級(jí)，推薦承載力基本值δ0=250 kPa。

灰?guī)r(O)：該層主要分布于DK332+867.74～DK351+786.70、 DK357+607.84～DK359+121、 DK359+426.50～DK360+550.60，其余零星分布，層面標(biāo)高-51.10 m～33.49 m，層面埋深1.0 m～85.7 m，地層未揭穿，最大揭露厚度34.6 m。土石等級(jí)為Ⅴ級(jí)，推薦承載力基本值δ0=1 000 kPa。

3 設(shè)計(jì)方案

夾河路道路U槽分左右幅從鄭徐高鐵徐州特大橋126#～128#橋墩之間穿過(guò)，道路與鐵路橋梁的交叉角度約為87.2°，交點(diǎn)處道路設(shè)計(jì)里程K1+949.68，高鐵運(yùn)營(yíng)里程K214+573.22。夾河路道路U槽單幅內(nèi)寬16.88m，車道布置形式為1.25 m人行道+6.25 m機(jī)非混行車道+0.88 m中分帶+8.5 m機(jī)動(dòng)車道，道路U槽采用明挖法施工。本次施工范圍為鄭徐高鐵徐州特大橋下道路U型槽，即U13～U16段，里程范圍K1+923.50～K2+000。U型槽基坑采用Φ1 m@1.2 m鉆孔灌注樁做圍護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)18 m，樁頂設(shè)置混凝土冠梁，冠梁尺寸1.2 m×1.0 m。U13~U15段基坑外側(cè)采用12 m長(zhǎng)Ⅳ型拉森鋼板樁作為止水帷幕，鋼板樁不拔除；U16段基坑外側(cè)采用Φ0.7 m雙軸攪拌樁止水，樁長(zhǎng)12m。高鐵橋梁下方U型槽基坑挖深6.67 m（含0.2m混凝土墊層厚度）?；娱_(kāi)挖過(guò)程中設(shè)置兩道內(nèi)支撐，第一道為0.6 m×0.8 m混凝土撐，支撐間距6 m，第二道為Φ609 mm臨時(shí)鋼支撐，支撐間距3 m。建議：①在道路U槽U13和U16的兩端圍護(hù)樁位置分別設(shè)置水平斜撐；②坑底采用 攪拌樁滿堂咬合加固，止水帷幕伸入到坑底以下3 m即可；③道路U槽底板（對(duì)撐到兩側(cè)鉆孔樁）成型后拆除第二道鋼支撐，第一道混凝土支撐永久保留。道路U槽U13～U16段北側(cè)為下穿夾北鐵路箱涵及其頂進(jìn)工作坑，南側(cè)順接道路U槽U17～U22。下穿夾北鐵路箱涵為8 m+8.5 m+8.5 m+8 m四孔分離式箱涵，其中最北側(cè)箱涵為已施工的既有箱涵。道路U槽U17～U20段基坑采用Φ1 m@1.2 m鉆孔灌注樁做圍護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)15 m，樁頂設(shè)置混凝土冠梁，基坑外側(cè)采用Φ0.7 m雙軸攪拌樁止水，樁長(zhǎng)12 m，基坑內(nèi)寬約52.8 m，未設(shè)計(jì)內(nèi)支撐。采取坑底加固、加長(zhǎng)圍護(hù)樁或增設(shè)內(nèi)支撐等措施，使基坑穩(wěn)定性滿足安全等級(jí)一級(jí)要求。

4 安全評(píng)估主要技術(shù)指標(biāo)

鐵路橋梁基礎(chǔ)沉降變形會(huì)導(dǎo)致橋梁上部線路不平順，為了保證鄰近運(yùn)營(yíng)高鐵施工過(guò)程中的高鐵橋梁設(shè)備的安全和列車運(yùn)行的安全，根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB10182-2017）、《中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司營(yíng)業(yè)線施工工務(wù)安全監(jiān)督管理辦法》[2020]345號(hào)文規(guī)定，高速鐵路無(wú)砟軌道橋梁樁基沉降或橫向位移變形不得超過(guò)2 mm。

5 模型建立

選取涉鐵范圍內(nèi)的巖土及結(jié)構(gòu)物，采用有限元計(jì)算軟件Plaxis 3D對(duì)方案中的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，模型中的各個(gè)土層中的土體均采用小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)模型，結(jié)合本工程地質(zhì)勘察報(bào)告和相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)土層的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行取值，既有高鐵樁基礎(chǔ)采用embedded樁單元模擬。整體的幾何模型底部施加完全固定約束，兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束，模型表面為自由邊界。模型沿X、Y、Z三個(gè)方向的尺寸分別為140 m、140 m、80 m，其中X為順鐵路橋方向，Y為垂直鐵路橋方向，Z為豎向。模型見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)模型示意圖

6 施工模擬

在Plaxis 3D有限元軟件中，按照實(shí)際施工順序分步進(jìn)行模擬。首先凍結(jié)新建鉆孔樁內(nèi)的土體，并施加向外面荷載來(lái)模擬樁基施工過(guò)程中的鉆孔泥漿護(hù)壁階段；隨后凍結(jié)模擬泥漿護(hù)壁的面荷載，激活孔內(nèi)實(shí)體單元并替換為混凝土材料，模擬成樁過(guò)程；隨后依次激活各道支撐并凍結(jié)對(duì)應(yīng)位置需要開(kāi)挖的土體，模擬道路基坑分步加支撐后開(kāi)挖的過(guò)程；接著激活基坑底部的面荷載來(lái)模擬道路U槽結(jié)構(gòu)底板的現(xiàn)澆過(guò)程；隨后凍結(jié)澆筑荷載，激活U槽結(jié)構(gòu)底板，凍結(jié)第二道撐。具體工況劃分如下：

工況1：鉆孔樁施工（鉆孔+成樁）；工況2：基坑施工第一道撐后開(kāi)挖至第二道撐下，單步開(kāi)挖3.43 m；工況3：基坑施工第二道撐后開(kāi)挖至坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高，單步開(kāi)挖3.24 m；工況4：道路U槽結(jié)構(gòu)底板澆筑；工況5：道路U槽結(jié)構(gòu)底板成型后拆除第二道撐。有限元施工過(guò)程模擬如圖4～圖8所示。

圖4 工況1

圖8 工況5

圖5 工況2

圖6 工況3

圖7 工況4

高鐵橋墩和承臺(tái)變形

夾河路施工對(duì)鄭徐高鐵徐州特大橋126#～128#橋墩和承臺(tái)的影響，主要包括順橋向位移（模型x方向）、橫橋向位移（模型y方向）以及豎向的沉降（模型z方向）（表1～表10）。

表1 工況1：高鐵橋墩墩頂階段位移

表2 工況1：高鐵橋墩承臺(tái)頂階段位移

表3 工況2：高鐵橋墩墩頂階段位移

表4 工況2：高鐵橋墩承臺(tái)頂階段位移

表5 工況3：高鐵橋墩墩頂階段位移

表6 工況3：高鐵橋墩承臺(tái)頂階段位移

表7 工況4：高鐵橋墩墩頂階段位移

表8 工況4：高鐵橋墩承臺(tái)頂階段位移

表9 工況5：高鐵橋墩墩頂階段位移

表10 工況5：高鐵橋墩承臺(tái)頂階段位移

針對(duì)前述5個(gè)施工工況的計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)鄭徐高鐵徐州特大橋126#～128#橋墩和承臺(tái)累加位移進(jìn)行匯總，得到表11和表12。

表11 各工況鄭徐高鐵橋墩墩頂累加位移匯總（單位：mm）

表12 各工況鄭徐高鐵橋承臺(tái)頂累加位移匯總（單位：mm）

由匯總表11得知，施工過(guò)程中引起的鄭徐高鐵橋梁墩頂最大順向橋累加位移發(fā)生在工況5，位于128#墩，最大位移-1.939 mm；鐵路橋梁墩頂最大橫橋向累加位移發(fā)生在工況五，位于127#墩，最大位移-0.654 mm；鐵路橋梁墩頂最大豎向累加位移發(fā)生在工況五，位于128#墩，最大位移-0.747 mm。

由匯總表12得知，施工過(guò)程中引起的鄭徐高鐵橋梁承臺(tái)最大順橋向累加位移發(fā)生在工況五，位于128#墩，最大位移-1.829 mm；鐵路橋梁承臺(tái)最大橫橋向累加位移發(fā)生在工況五，位于127#墩，最大位移-0.543 mm；鐵路橋梁承臺(tái)最大豎向累加位移發(fā)生在工況五，位于128#墩，最大位移-0.747 mm。各項(xiàng)結(jié)果均未超過(guò)2 mm。

7 結(jié)束語(yǔ)

7.1 安全評(píng)估

根據(jù)該工程地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行三維數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，綜合分析評(píng)估新建道路U槽下穿鄭徐高鐵橋孔，對(duì)運(yùn)營(yíng)高鐵的安全影響，可以做以下安全評(píng)估:

（1）徐州市夾河路下穿鄭徐高鐵設(shè)計(jì)方案原則可行。

（2）道路U槽側(cè)墻外邊緣與高鐵橋墩的最小水平距離約為6.15 m，大于2.5 m，滿足防撞凈距要求。

（3）基坑新建鉆孔樁與高鐵橋墩樁基的最小樁間距為4.10 m，小于6倍新建樁樁徑（6 m），不滿足樁間距要求，建議采用全護(hù)筒跟進(jìn)施工。

（4）夾河路機(jī)動(dòng)車路面與高鐵梁底的最小凈空為17.18 m，高鐵橋下凈空大于5.50 m，滿足凈空要求。

7.2 在施工過(guò)程中建議采取以下工程措施

（1）鑒于部分基坑圍護(hù)鉆孔樁與高鐵橋樁樁間距不滿足要求，且該區(qū)域存在深厚飽和粉土層，建議不滿足6倍樁間距的圍護(hù)樁采用全護(hù)筒跟進(jìn)施工。其他滿足樁間距的圍護(hù)樁，應(yīng)采取加大泥漿比重等有效的防塌孔措施，避免成孔過(guò)程中發(fā)生塌孔，對(duì)鐵路產(chǎn)生不利影響。

（2）高鐵橋下道路U型槽基坑位于飽和粉土層，需加強(qiáng)止水帷幕的施工質(zhì)量?？拥讘?yīng)采用攪拌樁滿堂咬合加固，止水帷幕伸入到坑底以下3 m即可。確?；娱_(kāi)挖過(guò)程不影響坑外高鐵橋墩處的地下水位，且減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

（3）開(kāi)挖時(shí)應(yīng)遵循分區(qū)、分層、對(duì)稱、均衡的開(kāi)挖原則，先撐后挖，嚴(yán)禁超挖。道路基坑施工過(guò)程中，禁止坑外降水。

（4）道路施工過(guò)程中挖土?xí)r應(yīng)做到棄土隨挖隨運(yùn)，填方應(yīng)做到隨運(yùn)隨填，不得在靠近高鐵橋墩處堆放棄土、填筑材料或其他施工機(jī)具。

（5）施工中要特別注意高鐵側(cè)施工機(jī)械的操作，避免施工機(jī)械碰撞到高鐵橋墩，確保橋梁的安全。

（6）施工前應(yīng)先行測(cè)量鄭徐高鐵線形，獲得原始鐵路線形狀態(tài)資料，為后期檢修養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

（7）為保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全，在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高鐵橋墩變形情況的監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制，做好應(yīng)急預(yù)案。