用有限元方法分析某公路下穿既有鐵路對鐵路橋梁基礎(chǔ)的影響研究

王新勝

（甘肅信達建設(shè)工程咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著公路下穿鐵路橋梁的不斷增多，《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定“下穿的公路或鐵路要綜合考慮地形地質(zhì)條件、運營安全等要求，做好對鐵路橋的防撞、防洪、防排水設(shè)計和施工”[1]。《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》只規(guī)定施工后沉降量的限制[2]，而鐵路部門所關(guān)注的是公路下穿施工過程中對既有鐵路橋梁的沉降影響，特別是公路運營后產(chǎn)生的附加荷載對鐵路橋梁沉降的影響。由于現(xiàn)階段并沒有相關(guān)的規(guī)范定量地指出公路因臨近既有鐵路橋梁施工及運營而影響鐵路橋梁沉降的相關(guān)指標，因此難以準確體現(xiàn)公路道路施工及運營期間是否對鐵路正常運營帶來安全隱患。下面以某公路下穿既有鐵路橋梁為例，對公路施工、運營期間對鐵路的影響進行安全分析，為公路施工提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概述

某公路分別以左幅、右幅及A匝道路基形式下穿既有隴海線沈家河特大橋1、2、3號橋墩。公路與鐵路平面交叉關(guān)系如圖1所示。

圖1 公路與鐵路平面交叉關(guān)系圖

1.2 設(shè)計方案

隴海鐵路等級為國鐵Ⅰ級，雙線電氣化鐵路，本項目段運行速度80km/h。隴海鐵路沈家河特大橋橋墩尺寸直徑3.48m，承臺尺寸4.9m×4.9m×2m，梁長32m，兩墩凈距28.52m。新建公路左幅、右幅及A匝道下穿隴海鐵路橋孔。下穿橋墩路面寬分別為13m和15.31m。

路基最外側(cè)距隴海鐵路1、2、3號橋墩承臺距離分別為2.28m、1.28m、0.45m、0.29m，距1、2、3號橋墩距離分別為4.01m、2.97m、2.24 m、1.91 m。

1.3 土層參數(shù)取值

依照地質(zhì)資料，將施工場地的土層分別簡化為如下若干個土層，并依據(jù)地質(zhì)資料中的土工試驗報告確定土層相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，見表1。

表1 土層地質(zhì)參數(shù)

2 有限元模型

采用大型通用有限元分析軟件Midas GTS-NX建立整體三維有限元模型進行計算分析，土體模型認為各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布，且同一土層為各向同性采用巖土有限元分析軟件Midas GTS進行模擬。模型長度為200m，寬度160m，深度30m，土體采用修正摩爾-庫倫模型來模擬土的本構(gòu)關(guān)系，橋梁的樁基采用1D梁單元模擬，其他結(jié)構(gòu)均采用3D實體單元模擬，橋梁的上部結(jié)構(gòu)均以荷載形式加載在橋墩上來模擬[3]，土體水平四周邊界采用水平約束，底邊界采用豎向約束[4]。

2.1 現(xiàn)狀、施工及運營過程模擬

按公路建設(shè)完成進行建模分析，分為：現(xiàn)狀階段、道路施工階段及道路運營階段，分別對各階段進行模擬，結(jié)果如圖2～6所示。

圖2 現(xiàn)狀階段模型

圖3 道路施工階段模型

圖4 道路運營階段模型

圖5 道路施工階段土體沉降變形圖

圖6 道路施工階段隴海鐵路沈家河特大橋橋墩頂沉降變形圖

根據(jù)有限元分析軟件Midas GTS-NX建立整體三維有限元模型進行計算分析，道路施工對隴海鐵路沈家河特大橋的沉降變形結(jié)果見表2。

表2 道路施工階段樁基沉降計算結(jié)果

根據(jù)表2計算結(jié)果可知：由于道路施工引起隴海鐵路橋梁基礎(chǔ)階段附加沉降最大值為-0.494mm，本階段附加累計沉降量0.047mm。

2.2 道路運營對鐵路橋梁變形影響模擬分析

在道路施工階段的基礎(chǔ)上，激活運營荷載來模擬本階段，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 道路運營階段土體沉降變形圖

圖8 道路運營階段隴海鐵路沈家河特大橋橋墩頂沉降變形云圖

根據(jù)有限元分析軟件Midas GTS-NX建立整體三維有限元模型進行計算分析，道路運營對隴海鐵路沈家河特大橋的沉降變形結(jié)果見表3。

表3 道路運營階段樁基沉降計算結(jié)果

根據(jù)表3計算結(jié)果可知：由于道路運營引起隴海鐵路橋梁基單階段附加最大沉降值為-0.287mm，本階段附加累計沉降量-0.239mm。

3 結(jié)論

經(jīng)有限元定量計算分析表明，施工過程中引起的隴海鐵路階段附加沉降量為-0.494mm～0.541mm，階段累計附加最大沉降量為0.541mm，滿足《公路與市政工程下穿鐵路技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的附加最大沉降量2mm的限值要求；疊加設(shè)計值后的累計沉降量最大值為-2.045mm，滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的工后沉降量20mm的限值要求。