軟土地區(qū)市政道路并行及下穿在建城際鐵路橋梁的影響分析

陳剛

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

隨著中國社會經(jīng)濟(jì)和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展，交通事業(yè)得到快速發(fā)展，新建或改建公路和市政工程并行及下穿城際鐵路的數(shù)量日益增多，尤其在軟土地區(qū)后建并行及下穿道路工程對高速鐵路的安全影響是道路工程設(shè)計方案的主要控制因素之一，由于道路設(shè)計方案和施工方案未充分考慮對高速鐵路的影響，也發(fā)生過對既有鐵路運(yùn)營安全產(chǎn)生影響的工程事例。楊貴永等分析研究了地鐵區(qū)間隧道下穿對橋梁的影響，文獻(xiàn)[7]數(shù)值模擬研究了梁橋結(jié)構(gòu)下穿軟土區(qū)高鐵橋梁；鄧會元對不同平衡堆載條件下樁基承載特性進(jìn)行了原位試驗研究。

該文依托珠三角地區(qū)某市政道路并行及下穿在建廣佛環(huán)城際鐵路高架橋工程，通過數(shù)值模擬分析軟土地區(qū)后建道路對廣佛環(huán)城際鐵路高架橋的影響，以確定合理的道路路基地基處理方案，對道路設(shè)計方案及實施提出合理化建議。

1 地質(zhì)條件及工程概況

1.1 地質(zhì)條件

橋址區(qū)上部為第四系全新統(tǒng)人工填筑、第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積的粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、淤泥、粉土及砂類土，下伏下第三系始新統(tǒng)砂巖、泥巖。不良地基主要為：場地地表普遍分布人工填土，成分主要為建筑垃圾，含有少量的粉質(zhì)黏土，其性狀不均，結(jié)構(gòu)松散；場地內(nèi)廣泛分布有淤泥、淤泥質(zhì)土，層厚1～18.1 m，呈流塑狀，具有高孔隙度、高壓縮性、高富水性、低透水性和富含有機(jī)質(zhì)等特征，以及觸變性、流變性等工程性能，屬強(qiáng)度低、抗滑及穩(wěn)定性差、變形量大、承載力低的軟弱地基土。

1.2 工程概況

廣(州)佛(山)環(huán)城際鐵路為在建雙線城際鐵路，速度目標(biāo)值為200 km/h，道床結(jié)構(gòu)為無砟軌道。市政道路工程西側(cè)道路路基與廣佛環(huán)城際鐵路高架橋(1#墩～12#墩)單側(cè)并行，規(guī)劃五路及規(guī)劃三路路基分別下穿廣佛環(huán)城際鐵路高架橋1#～2#墩和8#～9#墩。西側(cè)并行道路為雙向兩車道，城市支路。兩處下穿道路為雙向四車道，城市次干道。擬建市政道路工程實施時，廣佛環(huán)城際鐵路已完成主體結(jié)構(gòu)的施工，無砟軌道工程還未實施。

西側(cè)并行道路紅線與廣佛環(huán)城際鐵路高架橋承臺的凈距約為2 m,填土高度1～4 m。規(guī)劃五路斜交下穿廣佛環(huán)線，道路中心與廣佛環(huán)線法向夾角為1°；下穿規(guī)劃五路行車道邊與廣佛環(huán)線承臺的最小凈距：與1#墩承臺臨近,距2#墩3.52 m。規(guī)劃三路斜交下穿廣佛環(huán)線，道路中心與廣佛環(huán)線法向夾角為17°；規(guī)劃三路行車道邊與廣佛環(huán)線承臺的最小凈距距8#墩2.0 m、距9#墩2.08 m。下穿處橋下凈空約為20 m。

廣佛環(huán)城際鐵路高架橋1#～5#墩、5#～9#墩橋梁上部結(jié)構(gòu)為(4×32)m雙線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，采用支架現(xiàn)澆施工；墩身結(jié)構(gòu)采用矩形鋼筋混凝土橋墩；基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)，摩擦樁(樁徑：邊墩φ125 cm、主墩φ150 cm)。廣佛環(huán)城際鐵路高架橋9#～12#墩上部結(jié)構(gòu)為(32+56+32)m雙線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，采用懸臂澆筑施工；墩身結(jié)構(gòu)采用矩形鋼筋混凝土橋墩；基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)，摩擦樁(9#邊墩樁徑φ125 cm、主墩樁徑φ150 cm，12#邊墩順接斜拉橋，樁徑φ200 cm)。平面位置關(guān)系見圖1，橋梁立面見圖2。

圖1 平面位置關(guān)系圖

圖2 道路影響段橋梁立面圖(單位：cm)

2 擬定道路路基設(shè)計方案

2.1 控制標(biāo)準(zhǔn)及主要影響因素

廣佛環(huán)城際鐵路最高設(shè)計時速200 km/h，鋪設(shè)無砟軌道，運(yùn)營期間高速行車時對軌道平順性有較高要求，因而對結(jié)構(gòu)受力、沉降及變形要求較高。橋梁結(jié)構(gòu)彈性變形、強(qiáng)度等需滿足鐵路行業(yè)相關(guān)規(guī)范規(guī)定的要求；新建道路對廣佛環(huán)城際鐵路運(yùn)營期的影響需滿足TB 10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》的要求。擬建道路橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要有以下3個方面。

2.1.1 橋梁結(jié)構(gòu)彈性變形滿足規(guī)范要求

(1)墩頂彈性橫向水平位移：當(dāng)設(shè)計速度為200 km/h時，梁端水平折角不應(yīng)大于1.0‰rad。

(2)墩臺均勻沉降≤20 mm，相鄰墩臺沉降差≤10 mm(簡支梁)，連續(xù)梁相鄰墩臺沉降差≤5 mm(連續(xù)梁)。

2.1.2 受下穿工程影響的高速鐵路橋墩墩頂位移限值(運(yùn)營)

軌道結(jié)構(gòu)為無砟軌道，受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺頂位移限值：墩頂橫向水平位移≤2 mm、墩頂縱向水平位移≤2 mm、墩頂豎向位移≤2 mm。

2.1.3 橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求

路堤形式修建的道路，對鐵路橋梁影響為軟弱土層在路堤填土荷載作用下產(chǎn)生沉降和側(cè)向擠壓變形，這兩種影響同時發(fā)生、相互影響，見圖3。

(1)軟土地區(qū)大面積填土作用下，樁周土沉降使鐵路橋梁樁基上部承受負(fù)摩阻作用，使樁基產(chǎn)生非均勻沉降。

(2)單側(cè)偏載作用下，橋梁樁基在兩側(cè)土壓力差作用下產(chǎn)生遠(yuǎn)離道路方向的水平位移。

2.2 擬定道路路基并行及下穿城際鐵路方案

淤泥及淤泥質(zhì)土，抗剪強(qiáng)度低、靈敏度高、壓縮性大，顆粒間的結(jié)構(gòu)受到擾動會使土體抗剪強(qiáng)度降低，壓縮性增大，從而使土層發(fā)生滑移，引起較大沉降，發(fā)生“觸變現(xiàn)象”，故臨近工程需采用對地基土擾動較小的地基處理措施。結(jié)合工程場地地質(zhì)條件、相互平面位置關(guān)系、高程關(guān)系、施工條件、規(guī)劃要求等，提出了3種道路設(shè)計方案(主要針對地基處理措施)見圖4，并進(jìn)行了綜合比選，見表1。

圖3 路堤填土荷載作用下樁土相互作用示圖

綜合規(guī)劃、施工凈空、施工場地、水文、地質(zhì)條件等邊界條件，為減小道路單側(cè)并行及下穿對廣佛環(huán)城際鐵路高架橋的影響，推薦采用“方案1”。該方案擬建道路地基處理措施采用樁板結(jié)構(gòu)形式，樁基伸入持力層。該結(jié)構(gòu)通過板結(jié)構(gòu)將路基填土荷載及道路運(yùn)營期活載傳遞到樁體，樁體把荷載擴(kuò)散到樁間土及持力層，可減小路基填土壓力和土體變形對廣佛環(huán)城際鐵路下部結(jié)構(gòu)的影響。

圖4 臨近城際鐵路道路設(shè)計方案

表1 道路設(shè)計方案綜合比選

3 數(shù)值模擬及確定方案

擬建模型主要考慮新建道路對廣佛環(huán)城際鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的影響，其受力呈現(xiàn)出明顯的空間受力特性，須進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)有限元分析。模型的建立以分析結(jié)構(gòu)的實際空間位置、尺寸、材料特性、連接方式、荷載條件等影響為依據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大規(guī)模足尺模型分析，由此得到詳盡、準(zhǔn)確、可靠的分析結(jié)果。根據(jù)擬定道路路基并行及下穿城際鐵路方案，分類整理各工點(diǎn)類型、填土高度及相互影響程度，分別選取高填下穿段和高填并行段進(jìn)行檢算。

3.1 計算參數(shù)

計算分析采用大型有限元通用分析軟件Midas GTS程序，空間分析模型的建立主要考慮如下原則：

(1)盡量按結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)模擬，如實反映結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的變化。

(2)單元類型：結(jié)構(gòu)和土體采用實體單元，樁基采用樁單元。

(3)本構(gòu)關(guān)系：計算過程中，土體應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)理論采用莫爾-庫侖模型；其余構(gòu)件采用線彈性模型；樁基采用樁單元模擬。

(4)約束條件：地表面為自由面，模型四周約束法向水平位移，底面約束3個方向位移。

(5)保證求解精度和速度的前提下，取用適當(dāng)簡化的模型(公路及填土荷載采用面荷載)。

(6)分析中未考慮混凝土的徐變因素。

(7)巖土參數(shù)取值見表2。

3.2 計算模型

采用實體有限元模型分析道路施工階段和運(yùn)營荷載對城際鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

表2 巖土主要參數(shù)建議值

3.3 對城際高架橋下部結(jié)構(gòu)位移影響分析

橋區(qū)淤泥軟土層較厚，在后填土作用下土體會產(chǎn)生很大的固結(jié)沉降，使樁基產(chǎn)生非均勻沉降；另該橋并行段為單側(cè)堆載，產(chǎn)生土拱效應(yīng)，對樁基水平位移影響較大，隨著堆載距離減小，樁基側(cè)移增長幅度較大。按照道路工程擬定的設(shè)計方案和施工步驟，采用實體有限元模型進(jìn)行了詳細(xì)的施工階段分析(含運(yùn)營階段)。經(jīng)初步分析，道路路基高填段處橋梁結(jié)構(gòu)變形較大、橋梁結(jié)構(gòu)單樁承載力接近限值，故路堤高填段建議補(bǔ)充兩項措施：① 并行側(cè)路基采用擋墻收坡，避免路基本體土壓覆橋梁承臺；② 為減小路基填土荷載，路基填土采用輕質(zhì)泡沫混凝土。調(diào)整模型后重新計算道路實施過程中各階段對城際鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形值，主要計算結(jié)果見表3、4。

表3 城際高架橋8#、9#墩下部結(jié)構(gòu)位移(道路下穿)

表4 城際高架橋11#墩下部結(jié)構(gòu)位移(道路并行)

3.4 對城際高架橋樁基影響分析

由于淤泥軟土層較厚，在后填土作用下土體會產(chǎn)生很大的固結(jié)沉降，需考慮負(fù)摩阻力對橋梁樁基的影響；該橋并行段為單側(cè)堆載，對樁基水平方向產(chǎn)生側(cè)向擠壓作用，產(chǎn)生附加彎矩和剪力，并隨堆載作用增大而增大。通過實體模型分析，計算了新建道路運(yùn)營期對橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)產(chǎn)生的附加內(nèi)力，由于各墩均采用群樁基礎(chǔ)，角樁受力最不利，角樁附加內(nèi)力匯總見表5、6。

基礎(chǔ)在原設(shè)計基礎(chǔ)上考慮附加內(nèi)力和負(fù)摩阻力影響下，按TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行基礎(chǔ)檢算，經(jīng)檢算單樁承載力和樁身強(qiáng)度均滿足要求(表7)。

3.5 確定道路路基并行及下穿方案

按照擬定的道路路基并行及下穿城際鐵路方案，對城際鐵路高架橋的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析。根據(jù)TB 10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》要求，當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)采用無砟軌道時，受下穿工程影響的高速鐵路橋墩墩頂位移限值(運(yùn)營)為：墩頂橫向水平位移、縱向水平位移、豎向位移均≤2 mm。

表5 城際高架橋8#、9#墩角樁附加內(nèi)力(道路下穿)

表6 城際高架橋11#墩角樁附加內(nèi)力(道路并行)

表7 單樁承載力檢算結(jié)果(主力，控制荷載組)

由于道路設(shè)計方案確定時廣佛環(huán)城際鐵路高架橋已完成梁部施工，還未進(jìn)行橋面無砟軌道工程施工，故道路的施工工序存在以下兩種工況。

(1)工況1：道路工程在廣佛環(huán)城際鐵路無砟軌道施工后實施。

(2)工況2：道路工程在廣佛環(huán)城際鐵路無砟軌道施工前實施。

兩種工況下墩頂變形對比分析見表8。

表8 墩頂位移對比

從表8可知：

(1)在工況1時，由于道路施工對橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生堆載、擠壓作用會使城際鐵路橋墩產(chǎn)生非彈性變形，進(jìn)而影響無砟軌道的平順性，按規(guī)范要求，墩頂各項位移需控制在2 mm以內(nèi)(非彈性變形)。表8中僅9#墩墩頂橫橋向位移滿足要求，其余均不滿足要求。

(2)在工況2時，道路在無砟軌道施工前實施，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)在無砟軌道施工時通過調(diào)整軌道板厚度進(jìn)行非彈性變形補(bǔ)償，此時按結(jié)構(gòu)工后位移控制設(shè)計，各向位移均滿足要求。

道路工程地基處理采用樁板結(jié)構(gòu)等措施是合理的，可以有效控制道路在運(yùn)營期對城際鐵路橋梁的影響；結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，建議道路工程在廣佛環(huán)城際鐵路無砟軌道施工前實施，無砟軌道實施時根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行位移補(bǔ)償。

4 結(jié)論

(1)道路工程并行及下穿廣佛環(huán)城際鐵路高架橋的設(shè)計方案確定與工程建設(shè)時序、工程特點(diǎn)、水文地質(zhì)條件、施工方案等密切相關(guān)，尤其軟土具有“觸變現(xiàn)象”，故后實施道路工程并行及穿越廣佛環(huán)城際鐵路時需充分考慮其設(shè)計、施工、運(yùn)營期對廣佛環(huán)城際鐵路安全的影響。

(2)分別分析了道路工程在“廣佛環(huán)城際鐵路無砟軌道工程施工后實施”和“道路工程在廣佛環(huán)城際鐵路無砟軌道工程施工前實施”兩種工況下結(jié)構(gòu)位移對廣佛環(huán)城際鐵路變形的影響，提出道路需在無砟軌道工程施工前實施，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)在無砟軌道施工時對下部結(jié)構(gòu)非彈性變形進(jìn)行補(bǔ)償，此時下部結(jié)構(gòu)工后位移滿足規(guī)范要求。

(3)通過數(shù)值分析，路基地基處理措施采用樁板結(jié)構(gòu)方案是合理的。結(jié)合檢算情況對路堤高填段建議補(bǔ)充采取了兩項措施，即并行側(cè)路基采用擋墻收坡，避免路基本體土壓覆橋梁承臺；另外為減小路基填土荷載，路基填土采用輕質(zhì)泡沫混凝土。

(4)廣佛環(huán)城際鐵路該段橋梁上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)非均勻沉降將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次內(nèi)力。由于橋梁樁底位于弱風(fēng)化泥巖，該巖層壓縮變形量較大，對鐵路橋梁樁基影響較小，數(shù)值計算結(jié)論與其一致。

(5)道路實施前需編制專項監(jiān)測大綱。由于理論計算與實際情況不可避免存在差異，施工期間應(yīng)委托有鐵路工程監(jiān)測資質(zhì)的第三方對鐵路線下工程等實施全過程監(jiān)控，進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的施工監(jiān)控，及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)測變形趨勢。