高速公路樁板結(jié)構(gòu)下穿運(yùn)營高鐵橋梁可行性研究

楊學(xué)林

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

引言

隨著我國地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，下穿高速鐵路的新建或改建的道路交通[1-3]、軌道交通[4-6]、河道[7]、地下管線[8]等工程數(shù)量日益增多，而下穿構(gòu)筑物的建設(shè)過程已成為影響高速鐵路運(yùn)營安全的重要因素。特別是《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》新規(guī)范頒布以來的高鐵建設(shè)先行區(qū)域。

《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》[9]“3基本規(guī)定3.0.3”中明確給出下穿工程影響高速鐵路橋梁墩臺(tái)頂位移限值—有砟軌道橋梁墩臺(tái)頂縱橫豎三向位移限值應(yīng)滿足<3 mm要求；無砟軌道橋梁墩臺(tái)頂縱橫豎三向位移限值應(yīng)滿足<2 mm要求。若不滿足以上標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)行專項(xiàng)論證，且應(yīng)符合軌道平順性要求。

圖1 新建高速公路與高鐵平面關(guān)系(單位：m)

為了適應(yīng)新的形勢(shì)，確保工程建設(shè)過程中高速鐵路的運(yùn)營安全[10]，更需要對(duì)影響高鐵運(yùn)營安全的重要因素展開研究。依據(jù)高速鐵路相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范以及運(yùn)營規(guī)則規(guī)定，得出影響高鐵運(yùn)營安全的最直接因素為高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的平順性[11-12]。影響軌道結(jié)構(gòu)平順性的因素有很多，但在下穿高鐵工程施工過程中影響軌道平順性的主要因素為高鐵橋墩的橫橋向、順橋向和豎向變形。以某高速公路下穿某高鐵工程為例，為確保高鐵的運(yùn)營安全，提出一套設(shè)計(jì)措施預(yù)防、仿真分析預(yù)判、監(jiān)測(cè)監(jiān)控預(yù)知的一體化安全設(shè)計(jì)理念。以期為類似工程提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

某高鐵南北走向，高速公路自北東至西南方向下穿高鐵150號(hào)～152號(hào)橋墩，平面交叉角度108°，兩線路平面位置關(guān)系見圖1。該新建工程設(shè)計(jì)速度120 km/h，使用凈高≥5.0 m，采用路基-橋梁-路基的分幅式過渡總體設(shè)計(jì)理念。交叉處既有高鐵橋下凈高7.23 m，上部結(jié)構(gòu)形式為32 m簡支箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩為圓端型實(shí)體橋墩，基礎(chǔ)采用8根39 m長φ1.0 m的鉆孔樁基礎(chǔ)，樁板橋與高鐵位置關(guān)系剖面見圖2。新建公路工程為12 m+(12+15+12) m+12 m的三聯(lián)式樁板結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)樁徑為1.25 m，設(shè)計(jì)樁長30、35、40 m，樁板橋橋型布置見圖3。

圖2 樁板結(jié)構(gòu)與高鐵橋墩位置關(guān)系剖面(單位：m)

1.2 線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

該下穿區(qū)域范圍內(nèi)高鐵線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

線路級(jí)別：高速鐵路，正線雙線，線間距5.0 m。

軌道標(biāo)準(zhǔn)：無砟軌道，無縫線路，鋼軌60 kg/m。

設(shè)計(jì)速度：350 km/h。

設(shè)計(jì)荷載：ZK活載。

最大坡度：1.0‰下坡。

1.3 工程地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地地形較為平坦?？碧缴疃确秶鷥?nèi)，自上而下為：粉土、粉質(zhì)黏土、粗砂、粉質(zhì)黏土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。根據(jù)GB18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，地震峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)參數(shù)反應(yīng)譜特征周期0.40 s，地震基本烈度為Ⅶ度?？辈炱陂g勘探深度范圍內(nèi)未見地下水，工程區(qū)內(nèi)地質(zhì)情況良好，無不良地質(zhì)現(xiàn)象，地層分布基本連續(xù)穩(wěn)定，橋址區(qū)及附近未見斷層，場(chǎng)地總體評(píng)價(jià)屬基本穩(wěn)定區(qū)。

圖3 樁板橋橋型布置(單位：m)

2 仿真分析

為了減小新建結(jié)構(gòu)對(duì)高鐵結(jié)構(gòu)的影響，本項(xiàng)目采用了“以橋代路”[13]的設(shè)計(jì)措施。為了把控施工影響下高鐵結(jié)構(gòu)變形、受力的影響規(guī)律及大小，讓高鐵運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)可控，本項(xiàng)目同時(shí)對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真分析研究。

2.1 分析方法

為了更好地模擬施工過程對(duì)高鐵的影響，基于有限元理論，采用巖土工程Midas GTS通用軟件[14]，建立了三維數(shù)值仿真模型進(jìn)行施工階段的模擬計(jì)算，該項(xiàng)目土體計(jì)算取線路縱向?yàn)閄軸、橫向?yàn)閅軸、豎向?yàn)閆軸。

為盡量避免模型尺寸效應(yīng)的影響，基本分析模型的總尺寸定義為縱向(X)×橫向(Y)×豎向(Z)=180 m×120 m×80 m，本模型是建立在同一土層是均質(zhì)連續(xù)、各項(xiàng)同性的假定基礎(chǔ)上進(jìn)行的[15]，三維空間有限元模型見圖4。

校園的秋天是明麗的，也是熱鬧的，更是多彩的，還是安靜的。在達(dá)州嘉祥學(xué)習(xí)、生活的我，享受著秋日校園的美麗和寧靜。

圖4 有限元模型

模型邊界條件為：上表面為自由邊界，底部為固定約束，四周的節(jié)點(diǎn)約束法向自由[15]。

土體采用MIDAS/GTS模型庫中提供的修正摩爾-庫倫(MMC)模型[16]，適用于各種類型的地基土，尤其是砂土等具有摩擦特性的材料[17]。該模型是對(duì)Mohr-Coulomb模型的改進(jìn)，由非線性彈性模型和彈塑性模型組合。Modified Mohr-Coulomb模型可以模擬不受剪切破壞或壓縮屈服影響的雙硬化行為[18]。

混凝土材料采用彈性本構(gòu)關(guān)系[19]，除樁基采用梁單元模擬外，其余結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元。高鐵橋梁上部結(jié)構(gòu)均以等效荷載加載來模擬。

2.2 地質(zhì)參數(shù)

參考地質(zhì)資料，依據(jù)地質(zhì)資料中的土工試驗(yàn)報(bào)告及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，可確定土層相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，土層地質(zhì)參數(shù)簡化見表1。

表1 土層地質(zhì)參數(shù)

2.3 荷載工況

模擬分析過程之前應(yīng)對(duì)新建結(jié)構(gòu)前的初始狀態(tài)預(yù)先平衡后，再通過有限元軟件的激活、鈍化、改變屬性等功能來模擬分析施工過程，施工工況簡化見表2。

表2 模型分析工況

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

通過有限元計(jì)算分析，樁板橋路面結(jié)構(gòu)及荷載模擬完成后，高鐵橋墩沉降變形最大，見圖5。

圖5 樁板橋路面結(jié)構(gòu)及荷載模擬

(1)變形結(jié)果

新建工程施工引起高鐵橋墩各分析步沉降量見表3。

表3 各分析步橋墩沉降值 mm

如表3所示，清除地表階段，由于土體卸載作用，距離樁板結(jié)構(gòu)施工影響范圍最近的150號(hào)、151號(hào)、152號(hào)橋墩的隆起變形明顯，特別是道路中間151號(hào)橋墩隆起最為明顯，隆起值為0.74 mm，149號(hào)和153號(hào)橋墩距離施工影響范圍較遠(yuǎn)，隆起變形數(shù)值較小，變形可忽略。隨著施工階段的進(jìn)行，由于加載作用，橋墩變形由隆起變?yōu)槌两担瑯栋鍢蚵访娼Y(jié)構(gòu)及荷載模擬施工階段沉降量達(dá)到最值，最值為-1.07 mm。經(jīng)仿真分析得出149號(hào)～153號(hào)橋墩施工過程中的墩頂豎向滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》規(guī)范中規(guī)定的位移限值2 mm要求。

新建工程施工引起高鐵橋墩各分析步橫向水平位移見表4。

表4 各分析步橋墩橫向水平位移 mm

如表4所示，隨著施工階段的進(jìn)行，距離樁板結(jié)構(gòu)施工影響范圍最近的150號(hào)、151號(hào)、152號(hào)橋墩的水平變形最值分別為0.21、-0.28、-0.37 mm。經(jīng)仿真分析得出，149號(hào)～153號(hào)橋墩施工過程中墩頂橫向滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》規(guī)范中規(guī)定的位移限值2 mm要求。

新建工程施工引起高鐵橋墩各分析步縱向水平位移見表5。

表5 各分析步橋墩縱向水平位移 mm

如表5所示，清除地表階段，由于土體卸載作用，位于樁板結(jié)構(gòu)外側(cè)的150號(hào)、152號(hào)橋墩發(fā)生背離工程方向的外傾式變形，變形最大值為-0.30 mm。在隨后的施工階段，由于加載作用，樁板結(jié)構(gòu)外側(cè)的150號(hào)、152號(hào)橋墩發(fā)生指向工程方向的內(nèi)傾式變形，變形最大值為-0.87 mm。位于樁板結(jié)構(gòu)中心位置處的151號(hào)橋墩，由于對(duì)稱作用，變形相對(duì)較小。經(jīng)仿真分析得出，149號(hào)～153號(hào)橋墩施工過程中的墩頂縱向滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》規(guī)范中規(guī)定的位移限值2 mm要求。

(2)單樁承載力

依據(jù)原設(shè)計(jì)施工圖初始資料，疊加新建結(jié)構(gòu)施工階段樁基附加承載力與樁基容許承載力比較結(jié)果見表6。

表6 樁基檢算結(jié)果 kN

3 監(jiān)測(cè)監(jiān)控

由于土的各向異性、流變性、應(yīng)力路徑的作用和時(shí)空效應(yīng)的特性[20]，以及在施工中由于地質(zhì)條件、荷載條件、材料性質(zhì)、施工技術(shù)和外界其他因素的復(fù)雜影響，可能導(dǎo)致仿真和實(shí)踐有出入，因此在仿真分析指導(dǎo)下須有計(jì)劃地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，以確保安全。

3.1 監(jiān)測(cè)方案

結(jié)合仿真分析結(jié)果，確定對(duì)施工影響范圍內(nèi)的5個(gè)橋墩墩臺(tái)橫向、縱向水平位移和豎向位移[9]3個(gè)方向逐墩進(jìn)行觀測(cè)[21]。監(jiān)測(cè)范圍、基點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)布置詳見圖6。

圖6 施工影響范圍內(nèi)高鐵橋墩監(jiān)測(cè)方案(單位：m)

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

(1)監(jiān)測(cè)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)包括整個(gè)施工過程，整個(gè)施工過程直至監(jiān)測(cè)結(jié)束橋墩墩頂?shù)淖畲蟪两底冃螢?.03 mm，橋墩墩頂?shù)淖畲髾M向水平位移為0.88 mm，橋墩墩頂?shù)淖畲罂v向水平位移為0.75 mm，均滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷，該樁板結(jié)構(gòu)施工過程對(duì)橋墩沉降變形影響較為敏感。

選取較為敏感的附加沉降變形數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析如下。

橋墩墩頂各施工階段的附加沉降量見表7。

表7 實(shí)測(cè)各施工階段附加沉降值 mm

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，各施工階段橋墩墩頂變形符合先隆起后沉降的趨勢(shì)。臨近樁板橋的橋墩基礎(chǔ)變形明顯，樁板橋中間橋墩沉降變形最大，最大達(dá)1.03 mm。

各個(gè)橋墩的沉降變形，由圖7得出施工完成后至橋梁沉降數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間約為15 d，且樁板橋路面結(jié)構(gòu)及荷載完成后橋墩沉降變形達(dá)到總沉降變形的65%，說明土體具有蠕變[22]的特點(diǎn)。

圖7 橋墩墩頂沉降時(shí)程曲線

選取151號(hào)橋墩各個(gè)施工階段沉降數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，路基附加沉降的對(duì)比見表8。

表8 實(shí)測(cè)各施工階段附加沉降值 mm

由表8得出，仿真分析最終附加沉降結(jié)果為1.07 mm，實(shí)測(cè)最終附加沉降結(jié)果為1.03 mm，最終監(jiān)測(cè)結(jié)果和理論分析結(jié)果的一致性，證明了仿真分析結(jié)果的可靠性。理論分析數(shù)據(jù)波動(dòng)為1.81 mm，實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)波動(dòng)為1.31 mm，證明理論分析數(shù)據(jù)波動(dòng)性大于實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)波動(dòng)性。樁板橋路面結(jié)構(gòu)及荷載實(shí)測(cè)結(jié)果是相同施工階段仿真分析結(jié)果的62.6%，證明仿真分析是瞬時(shí)分析，各施工階段之間互不影響，而實(shí)際施工過程是連續(xù)動(dòng)態(tài)的過程，由于地應(yīng)力緩慢釋放的作用存在各施工階段之間相互影響的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

采用有限元對(duì)樁板結(jié)構(gòu)下穿高鐵進(jìn)行仿真分析，并將仿真分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出如下結(jié)論。

(1)樁板結(jié)構(gòu)下穿施工導(dǎo)致影響范圍內(nèi)高鐵橋墩X、Y、Z三個(gè)方向不同程度的變形，變形大小分別為0.87、0.37、1.07 mm，實(shí)測(cè)數(shù)值分別為0.75、0.88、1.03 mm，均滿足新規(guī)范2 mm的指標(biāo)約束條件，同時(shí)能滿足高鐵橋梁樁基受力要求；仿真分析結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果證明，在新規(guī)范指標(biāo)約束，采用“以橋帶路”下穿高鐵簡支梁地段的設(shè)計(jì)、施工方案可行。

(2)施工完成后得到的實(shí)測(cè)附加沉降數(shù)值是實(shí)測(cè)最大附加沉降值的65%，施工完成后實(shí)測(cè)附加沉降數(shù)值是對(duì)應(yīng)施工階段仿真分析最大附加沉降值的62.6%，以上結(jié)果說明仿真分析具有瞬態(tài)特性且土體具有蠕變的特性。

(3)實(shí)測(cè)橋墩附加沉降最大值占仿真分析理論值的96.3%，仿真分析最終附加沉降為1.07 mm，實(shí)測(cè)最終附加沉降為1.03 mm，最終監(jiān)測(cè)結(jié)果和理論分析結(jié)果的一致性，證明了仿真分析結(jié)果的可靠性。理論分析數(shù)據(jù)波動(dòng)為1.81 mm，實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)波動(dòng)為1.31 mm，證明理論分析數(shù)據(jù)波動(dòng)性大于實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)波動(dòng)性。