京張高鐵北京北動車所上跨軌道交通13號線防護剛構(gòu)設計

薛洪衛(wèi) 梁 磊 馮同同

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

隨著我國高速鐵路和城市軌道交通建設的大規(guī)模發(fā)展，鐵路與軌道交通交叉越發(fā)頻繁，二者之間的相互防護成為城市內(nèi)鐵路及軌道交通工程建設的重點。對于小角度跨越，常規(guī)設計一般采用大跨結(jié)構(gòu)，外加鋼板樁或者打拔鋼軌樁進行既有工程的防護[1-2]。此類設計具有結(jié)構(gòu)跨度大、施工周期長、防護要求高、經(jīng)濟性差等缺點，迫切需要考慮其他結(jié)構(gòu)設計方式。“剛構(gòu)+鉆孔樁”結(jié)構(gòu)形式可有效降低跨越結(jié)構(gòu)跨度及結(jié)構(gòu)高度，減少施工周期，降低防護結(jié)構(gòu)造價。以下結(jié)合京張高鐵動車所上跨既有軌道交通13號線的跨越點設計，探討防護剛架這一結(jié)構(gòu)形式的可行性及安全性。

1 工程概況

京張高鐵北京北動車所線路軌道上跨既有北京市軌道交通13號線地鐵框架結(jié)構(gòu)，其中，既有軌道交通13號線西二旗站-龍澤站區(qū)間軌道交通線路平面為直線-緩和曲線-圓曲線，圓曲線半徑為400 m。區(qū)間結(jié)構(gòu)頂覆土厚度為2～3 m，線間距為4.3 m。區(qū)間斷面為明挖矩形框架結(jié)構(gòu)[3]。

京張高鐵主要技術(shù)標準如下(跨越處)。

(1)速度目標值：60 km/h。

(2)軌道形式：有砟軌道，無縫線路，50 kg/m鋼軌。

(3)設計活載：CRH3車型空車荷載。

(4)設計使用年限：正常使用條件下梁體結(jié)構(gòu)設計使用年限為100年。

(5)地震烈度：橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.20g(相當于地震基本烈度Ⅷ度)，場地類別為Ⅲ類。地震動反應譜特征周期為0.45 s。

2 防護設計概述

為保證既有軌道交通的安全，動車所采用采用“剛構(gòu)+鉆孔樁”的結(jié)構(gòu)形式。本工點防護剛構(gòu)接既有京包線防護框架，采用異形剛構(gòu)[4-5]。每個剛構(gòu)體系獨立構(gòu)成防護模塊，沿軌道交通13號線保護框架外側(cè)共設25個防護剛構(gòu)模塊及1個異形剛構(gòu)模塊，每個剛構(gòu)模塊之間設置沉降縫。

新建防護剛構(gòu)與既有13號線平面關(guān)系及防護剛架典型斷面見圖1、圖2。

3 防護剛架設計分析

本工點直、曲線段采用跨度16 m剛構(gòu)進行防護，剛構(gòu)寬9.9 m，基礎采用3根1.25 m鉆孔樁，樁長29 m。曲線段剛構(gòu)扇形布置，曲線外側(cè)加寬[6-9]。泵房處采用跨度20.85 m剛構(gòu)進行防護，剛構(gòu)寬度13.2 m，基礎采用4-φ1.25 m鉆孔樁，樁長29 m。防護剛構(gòu)采用現(xiàn)澆施工。直、曲線段剛構(gòu)跨度分別為16 m、20.85 m，剛構(gòu)寬度分別為9.9 m、13.2 m，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 防護剛構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1 計算方法及模型

(1)選取不同跨度結(jié)構(gòu)，建立空間模型，利用Midas程序進行全橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算。

(2)利用剛度模擬的方法對橋梁基礎進行模擬。

采用Midas程序按板單元進行模擬計算，共劃分板單元474個。采用承臺底樁基模擬點彈性約束，樁基礎采用m法進行計算(m為樁側(cè)地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù))，通過分析比較m=2 000、m=5 000、m=45 000彈性約束條件下模型內(nèi)力[10-11]，再通過模型計算結(jié)果提取內(nèi)力，采用內(nèi)力結(jié)果對梁、墩進行配筋計算，模型如圖3所示。

圖3 防護剛構(gòu)midas模型節(jié)點單元

(3)荷載組合

分別以主力、主力+附加力、“主+特”進行組合，取最不利組合進行設計。并對特殊荷載進行檢算。

3.2 分析計算結(jié)果及配筋

利用MIDAS模型進行結(jié)構(gòu)受力分析計算，經(jīng)計算，得“主+附”為結(jié)構(gòu)設計控制工況，該工況下頂板彎矩如圖4所示。

圖4 主加附工況下防護剛構(gòu)頂板彎矩

結(jié)合控制工況，進行結(jié)構(gòu)各截面優(yōu)化設計及配筋設計[12-14]，主要配筋結(jié)果如表2所示。

表2 防護剛構(gòu)結(jié)構(gòu)主加附工況配筋檢算

3.3 剛構(gòu)橫梁撓度檢算

在防護剛構(gòu)上鋪設京張高鐵軌道交通結(jié)構(gòu)，經(jīng)檢算，在多線靜活載工況下，防護剛構(gòu)結(jié)構(gòu)橫梁變形撓度符合規(guī)范要求(見表3)[15-17]。

為更好與動車所內(nèi)股線順接，線位均位于動車所內(nèi)，空車速度小于60 km/h，在防護剛架與場坪間設置整平塊，以保證剛架結(jié)構(gòu)與場坪股道的順接，滿足軌道變形要求。

表3 防護剛構(gòu)跨中撓度檢算結(jié)果

3.4 樁基檢算

采用B89程序進行樁基受力及配筋計算，經(jīng)計算，樁基樁長由主力工況控制，樁基配筋由“主+震”工況控制。全部剛構(gòu)樁基布置及樁基受力檢算結(jié)果如表4。

表4 防護剛構(gòu)樁基布置及樁基受力檢算結(jié)果

通過比選計算，對于單排樁，存在彎矩較大、樁基配筋較多等狀況；同時，頂板剛度對樁基配筋影響較大，需反復比選，對二者剛度予以優(yōu)化匹配。

4 專項安全評估分析

4.1 評估模型建立

根據(jù)新建京張高鐵動車所防護剛構(gòu)與軌道交通13號線相對位置關(guān)系及影響范圍，選取本次評估的范圍為沿既有地鐵線路縱向方向320 m，線路橫向120 m，土層厚度35 m。評估范圍示意和模型示意如圖5、圖6所示。

圖5 評估范圍示意

圖6 結(jié)構(gòu)模型示意

4.2 評估方法及工序模擬

考慮本次防護剛構(gòu)施工引起的地鐵線路結(jié)構(gòu)上浮與地層關(guān)系密切，故采用地層-結(jié)構(gòu)模型進行變形分析。采用ANSYS軟件，模擬新建京張高鐵動車所防護剛構(gòu)的施工過程對軌道交通13號線西二旗站-龍澤站區(qū)間結(jié)構(gòu)及軌道的安全性影響，提供既有結(jié)構(gòu)的變形分析結(jié)果，評估軌道交通13號線結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的安全性[18-20]。

根據(jù)施工方案，模型開挖分為以下幾個階段，包括基礎施工、承臺施工、剛構(gòu)施工等，由于現(xiàn)場施工范圍較大，可能多段同時施工，考慮到不同段對地鐵施工影響類似，故按最不利工況考慮，模擬具體階段見表5。

表5 施工模擬工序說明

4.3 評估結(jié)果及基本結(jié)論

新建京張高鐵動車所防護剛構(gòu)施工會引起臨近既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)及附近地表產(chǎn)生一定程度的附加變形和差異沉降，為了評價工程施工對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響，應對變形進行預測分析。

新建京張高鐵動車所防護剛構(gòu)的施工過程對既有軌道交通13號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)及地表產(chǎn)生一定程度的附加變形，為有效了解這種附加變形，將分析各工序下區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的橫向變形和豎向變形。為了反映既有結(jié)構(gòu)的變形情況及規(guī)律，將提取各階段施工完成后既有結(jié)構(gòu)的變形云圖，以分析既有結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

由ANSYS模型的計算結(jié)果可知，既有13號線區(qū)間隧道的橫向變形最大值為0.090 mm，發(fā)生曲線部分主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻(偏向曲線外側(cè))；豎向變形最大值為1.614 mm，最大豎向變形發(fā)生在打樁工序，曲線部分主體結(jié)構(gòu)頂部。最大豎向變形云圖及變形量見圖7～圖10及表6。

圖10 施工模擬階段4豎向變形

表6 軌道交通13號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形結(jié)果

根據(jù)三維有限元分析計算，通過13號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)底部兩個典型截面的變形趨勢來分析軌道結(jié)構(gòu)變形，結(jié)果表明，新建京張高鐵動車所防護剛構(gòu)工程引起既有軌道交通13號線區(qū)間地鐵軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變形，軌道交通13號線軌道結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為1.444 mm(下沉)。

通過建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型，對既有軌道交通13號線隧道結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)進行變形計算分析可以看出，由于新建京張高鐵動車所防護剛構(gòu)的施工，既有軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定程度的豎向變形和橫向變形。根據(jù)計算所得施工引起的既有地鐵結(jié)構(gòu)預測變形值以及變形云圖進行分析可以得出如下結(jié)論：本項目風險點評級為一級，總體影響較大，應采取一定的軌道防護措施和監(jiān)測措施，以確保地鐵列車安全運行；區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)本身承載力相對于計算沉降值仍有較大富余，故該工程安全。

5 結(jié)論

京張高鐵北京北動車所上跨軌道交通13號線工程為京張高鐵市內(nèi)重要節(jié)點，此處為多線小角度跨越，結(jié)構(gòu)縱橫向跨度要求高，采用“防護剛構(gòu)+鉆孔樁”的防護結(jié)構(gòu)形式，可有效發(fā)揮剛構(gòu)結(jié)構(gòu)橋跨越能力強、整體剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、動力性能好、建筑高度低等優(yōu)點，可有效解決動車所多線上跨既有軌道交通的安全問題，為此后同類工程提供設計參考。