沿海深厚軟土圍墾對跨海鐵路橋梁影響研究

馬文龍

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)公司杭州院，浙江 杭州310001）

1 工程簡介

1.1 跨海鐵路工程概況

頭門港支線鐵路二期是一條服務(wù)于港區(qū)的貨運鐵路，跨越北洋一期圍堤、灘涂、淺海海域，上頭門島后，于疏港公路東側(cè)設(shè)置頭門港站。全線設(shè)跨海特大橋一座，長度12.158 km，設(shè)計活載為ZKH活載?？偼顿Y估算約39.62億元。

1.2 圍填工程現(xiàn)狀及規(guī)劃

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用地指標(biāo)越來越緊張，人多地少成了制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的主要矛盾。臨海灘涂資源豐富，圍墾造地是解決這一矛盾的重要途徑。

臺州港臨海港區(qū)地處浙江省沿海中部，椒江河口北側(cè)頭門島。頭門作業(yè)區(qū)現(xiàn)階段（起步階段）在頭門島西南側(cè)、面向山以東建成了萬噸級的通用泊位工程，規(guī)劃作業(yè)區(qū)西起白沙半島，東至頭門島，利用白沙—大竹山淺灘圍涂造陸及配套建設(shè)連島工程。

目前，北洋涂圍墾工程已實現(xiàn)圈圍，疏港公路頭門—白沙段—大竹山淺灘圍涂造陸正在籌備實施，根據(jù)規(guī)劃，跨海鐵路兩側(cè)均有圍填海實施規(guī)劃，見圖1。

圖1 北洋涂二期圍堤及圍填平面示意

1.3 圍填工程施工方案

擬圍填海施工主要先實施子堤、前堤、丁壩等，再實施主堤，前期可利用丁壩、子堤形成天然淤積效果，圍堤主體全部實施完畢后，可進(jìn)行圍堤內(nèi)陸側(cè)的圍填海施工，大面積填海形成陸域。本次研究對象分為兩部分，即圍堤施工和填海施工。圍堤施工工序復(fù)雜，對跨海鐵路橋梁影響相對更大。

2 橋址區(qū)建設(shè)條件

本工程場地位于臺州灣頭門島海域，地形平坦，地勢開闊，局部殘丘發(fā)育。微地貌單元主要有潮灘、水下淺灘、水下深潭和島嶼。地面標(biāo)高1.6～2.3 m。灘涂高程為－1.5～1.04 m。水下淺灘坡度平緩，標(biāo)高－5.4～－1.8 m。本工程特殊性巖土為吹填土和軟土。

3 數(shù)值計算

計算采用三維有限元模型，見圖2。模型分別為地層、圍堤、橋梁承臺等三維實體單元和橋樁一維單元。建立單元共計80 120個，節(jié)點共計101 815個。網(wǎng)格劃分采用四面體和六面體混合生成單元。三維模型邊界條件按照單向位移約束。

圖2 有限元模型

依據(jù)實際施工方案，以及有限元分析特點，設(shè)置了13個施工工況，并考慮一定的施工間歇，具體工況見表1。

表1 簡化后施工工況

根據(jù)簡化施工工況，對整體圍堤區(qū)域及鐵路橋墩位移響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值分析：

從結(jié)果看，在該場地地質(zhì)條件下，圍填海主堤施工及填海施工工況產(chǎn)生較大的土體變形，最大位移高達(dá)4.56 m，根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測，北洋涂一期圍堤施工及工后沉降計算值及實測值也接近4.5 m?？梢耘袛嘤邢拊嬎憬Y(jié)果有一定可信度；主要沉降產(chǎn)生在主堤施工過程中，其次是圍填施工。由于本次分析未考慮主堤施工前的預(yù)壓排水施工工況，導(dǎo)致可能無法反映出土體在加速固結(jié)過程中的沉降變化，但考慮到固結(jié)產(chǎn)生的總沉降同樣對既有鐵路橋基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，因此，本次分析簡化是合理的。見表2。

表2 分析結(jié)果匯總

在海域潮汐環(huán)境中，鐵路橋墩樁承臺為高樁承臺，在子堤和前堤的施工過程中，橋墩已經(jīng)產(chǎn)生變形，沉降最大值為1.985 mm，水平位移最大值為2.646 mm。且橋墩開始出現(xiàn)一定傾斜，承臺不均勻沉降差為0.849 mm。主堤施工過程中，沉降最大值為10.347 mm；水平位移最大值為7.902 mm，承臺不均勻沉降差為3.683 mm。在后期填海施工工況下，橋墩沉降最大值為10.515 mm，水平位移最大值為13.189 mm。水平位移增大較明顯。

根據(jù)《Ⅲ、Ⅳ級鐵路設(shè)計規(guī)范（GB 50012—2012）》［3］關(guān)于橋梁墩臺工后沉降限值要求，有砟鐵路橋面靜定結(jié)構(gòu)工后沉降限值為80 mm，響應(yīng)均未超過限值。但是對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，建議采取一定的措施。水平位移控制原則：根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94—2008）》［4］，樁承臺水平位移限值建議按照10 mm控制（可不驗算應(yīng)力）；根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范（TB 10002—2017）》［5］，墩臺水平位移不宜超出（28 mm）。在計算位移響應(yīng)時，考慮橋墩傾斜，按本線最大墩高22 m計算考慮（假定橋墩為剛體），疊加傾斜引起的位移后，墩頂橫橋向水平位移最大響應(yīng)為21.7 mm，尚未超限。但是位移對于軌道影響較大，按照鐵路《普速鐵路線路修理規(guī)則（鐵總工電［2019］34號文）》［6］有關(guān)規(guī)定，軌道水平位移在臨時補修條件下不得超過17 mm，沉降不應(yīng)超過19 mm。該響應(yīng)已經(jīng)超過限值，對線路運營有很不利影響，在維修的條件下亦較難滿足設(shè)計時速工況下正常運營，需要得到充分重視。為保證運營期間鐵路列車的運行安全，對于出現(xiàn)此類問題需要采取合適的變形控制措施。

4 參數(shù)敏感性研究

通過上文分析結(jié)果，對于本例中位移響應(yīng)較大的情況，采取位移控制措施時，主要從三方面出發(fā)：一是從變形產(chǎn)生的源頭出發(fā)進(jìn)行控制，如設(shè)置填海實施的安全距離，圍填實施采取地基處理、分層分區(qū)間隔實施等措施；二是從位移的傳遞路徑進(jìn)行控制，如做隔離樁，樁土復(fù)合隔離幕墻等；三是從加強受保護(hù)的對象剛度來進(jìn)行控制，如加強樁基水平剛度，增設(shè)斜樁，加強樁基正常使用狀態(tài)安全富余度等。下面對這幾個層面采取措施的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對照分析，以便得出最優(yōu)解決方案。

4.1 填海與既有橋安全距離

前文中我們已經(jīng)研究了堆載工程對鐵路變形的影響，堆載邊緣距離承臺邊界距離對樁基的水平向位移表現(xiàn)出一致性的特征。對堆載距離為50、100、150、200 m情況時的位移響應(yīng)進(jìn)行對照，結(jié)果見圖3。堆載區(qū)域與鐵路樁基距離越近，樁身的水平位移與彎矩就越大，樁身最大彎矩位于軟土層的中部，隨著堆載距離增大，樁身變形與土壓力呈現(xiàn)非線性減小的趨勢，樁身最大彎矩位于樁頂處。當(dāng)填筑荷載距離100 m以內(nèi)，軟弱土體位移對橋梁影響十分明顯，需采取其他措施。

圖3 不同填海安全距離圍填對既有橋梁基礎(chǔ)影響的對照結(jié)果

4.2 設(shè)置合理的隔離樁方案

在圍填區(qū)與既有鐵路間設(shè)置起隔離作用的樁排，樁頂連接成整體，對圍填實施造成既有橋梁影響的降低有一定優(yōu)勢。對于排樁的合理設(shè)計，可以達(dá)到以最小的代價實現(xiàn)最大的隔離作用，為此，我們對距離圍堤0、10、20 m位置分別設(shè)置直徑0.8、1.0、1.2 m排樁的方案進(jìn)行研究，結(jié)果見圖4，綜合對比投資后可以得出：距離圍堤10 m，采用1.0 m排樁的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最好。

圖4 不同隔離樁設(shè)置方案情況圍填對既有橋梁基礎(chǔ)影響的對照結(jié)果

4.3 合理增強橋梁基礎(chǔ)的措施

為有效降低圍填實施引起的既有橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)位移，可以采取加強橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高設(shè)計安全富余的方式。本文研究了增加10%設(shè)計富余度、設(shè)置斜樁及不采取措施的三個情況進(jìn)行數(shù)值模擬對比，結(jié)果顯示，增設(shè)斜樁對鐵路水平向位移及沉降控制效果最佳，可以降低約30%絕對位移值，但代價相對較大，需采用鋼管樁（或者預(yù)應(yīng)力管樁），耐久性較難保證。另外，增加10%設(shè)計富余度對位移控制也有一定效果，可以降低約12%絕對位移值。但是，本工程橋樁基礎(chǔ)已大量采取了樁徑大于1.25 m，樁長超過80 m的超長樁，繼續(xù)增加樁徑、樁長，施工難度將會更大。有必要結(jié)合經(jīng)濟(jì)性因素，進(jìn)一步細(xì)化參數(shù)研究后確定?？傊?，采取主動增加橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度可以較好地降低圍填施工引起的位移響應(yīng)。

5 結(jié) 語

通過對工程實際情況的數(shù)值分析，得出淺海海域深厚軟土條件，圍填海實施對既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的影響程度；提出了改善對既有橋梁影響的有效措施，并針對采取措施的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行敏感性研究，得出了較合理的指導(dǎo)性措施。