樁板結(jié)構(gòu)施工對高速鐵路橋梁的影響分析

董云生

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京市 102600)

作為一種新型的地基處理方法，樁板結(jié)構(gòu)在軟弱地基土地區(qū)下穿高速鐵路工程中取得了較好的實(shí)踐效果。當(dāng)高速鐵路橋下凈空滿足通行高度，但不具備設(shè)置橋梁條件，且地質(zhì)條件不宜采用路基結(jié)構(gòu)下穿時[1]，鐵路管理部門多建議采用樁板結(jié)構(gòu)方案下穿。因此，樁板結(jié)構(gòu)施工對高速鐵路橋梁的影響研究具有重要意義。隨著高速鐵路和公路交通的不斷發(fā)展,涉及高速鐵路的立交工程越來越多,研究道路施工過程對臨近高鐵橋梁的變形影響,對維護(hù)高鐵運(yùn)營安全和滿足軌道平順性要求非常重要[2-3]。

以臺州市和合大道工程下穿在建杭紹臺鐵路椒江特大橋?yàn)橐劳校\(yùn)用有限元分析軟件對樁板結(jié)構(gòu)施工對高速鐵路橋梁的影響進(jìn)行分析，對高鐵橋墩頂位移及其樁基承載力進(jìn)行檢算。

1 工程概況

杭紹臺鐵路為高速鐵路，設(shè)計行車速度350km/h，于DK212+060處上跨椒江。椒江特大橋?yàn)?84+156+480+156+84)m連續(xù)鋼桁斜拉橋，且為四線橋，線間距為(5.3+5+5.3)m，有砟軌道，位于直線及1.3‰、-1.3‰的縱坡上。和合大道采用樁板結(jié)構(gòu)從椒江特大橋第51#～52#橋墩間穿越，橋墩為四線圓端形空心橋墩，51#號墩采用16根直徑Φ2.0m鉆孔灌注摩擦樁基礎(chǔ)，設(shè)計樁長為75m，52#墩采用12根直徑Φ2.0m鉆孔灌注摩擦樁基礎(chǔ)，設(shè)計樁長為79m。52#墩與53#墩之間采用32m簡支箱梁，53#墩與54#墩之間采用24m簡支箱梁。

和合大道新建樁板結(jié)構(gòu)設(shè)置為三聯(lián)，跨徑具體布置為(3×10)m+(4×10)m+(3×10)m，總長101m。橫向分四幅，左右幅主路機(jī)動車道各為一幅，左右幅兩側(cè)輔路機(jī)動車道、非機(jī)動車道及人行道共用一幅，共四幅，每幅之間設(shè)2cm斷縫。上部結(jié)構(gòu)承載板厚0.8m，采用C40鋼筋混凝土；樁基采用Φ1m鉆孔灌注樁，樁間距3.5～4.0m，采用C30水下鋼筋混凝土?；鶚堕L度在48～58m范圍內(nèi)。

下穿杭紹臺鐵路處地質(zhì)從上到下依次為：雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、細(xì)圓礫土、含礫粉質(zhì)黏土，其中淤泥層厚度約27m，地質(zhì)條件相對較差。

樁板結(jié)構(gòu)左幅人行道欄桿外側(cè)距離杭紹臺鐵路51#橋墩最小距離為5.53m，右幅人行道欄桿外側(cè)距離杭紹臺鐵路52#橋墩最小距離為4.36m；樁板結(jié)構(gòu)樁基中心距離杭紹臺鐵路51#橋墩樁基中心最小距離7.52m，距離杭紹臺鐵路52#橋墩樁基中心最小距離8.12m；樁板結(jié)構(gòu)距杭紹臺鐵路梁底約為40m。和合大道樁板結(jié)構(gòu)與椒江特大橋的相對位置關(guān)系，見圖1、圖2。

圖1 和合大道與椒江特大橋平面位置關(guān)系(單位:cm)

圖2 和合大道與椒江特大橋立面位置關(guān)系(單位:cm)

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)專項設(shè)計及地勘報告等資料，利用MIDAS GTS NX軟件建立三維有限元數(shù)值分析模型。在三維建模中，計算區(qū)域主要根據(jù)新建樁板結(jié)構(gòu)與既有橋梁的位置關(guān)系，并滿足一定邊界效應(yīng)的要求來確定。在本模型中，為滿足橋梁施工的邊界效應(yīng)，三維數(shù)值模型整體尺寸為350m(x)×300m(y)×200m(z)。

本模型采用位移邊界條件：側(cè)面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取為自由邊界。土體強(qiáng)度準(zhǔn)則為Mohr-coulomb準(zhǔn)則，采用實(shí)體單元模擬，土層計算參數(shù)結(jié)合本工程地質(zhì)勘察報告和相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，得到計算模型如圖3和圖4所示。依據(jù)《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》[4]CJJ 11—2011，城-A級車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為10.5kN/m。

圖3 整體有限元模型

圖4 有限元模型局部

2.2 施工過程模擬

施工過程分析步驟為：初始化地應(yīng)力場、高鐵施工階段、位移清零、樁板結(jié)構(gòu)樁基施工、承載板施工、道路運(yùn)營[5-6]。具體模擬過程見表1。

表1 施工工序

2.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果

2.3.1高鐵橋墩的變形

通過數(shù)值模擬，得到和合大道施工過程對杭紹臺鐵路椒江特大橋51#～54#橋墩及承臺的影響(樁板結(jié)構(gòu)樁基施工及承載板施工)，主要包括橫橋向位移(模型y方向)、順橋向位移(模型x方向)以及豎向的沉降(模型z方向)，和合大道施工階段鐵路橋梁墩臺的位移云圖如圖5所示。為避免冗余，運(yùn)營階段的計算結(jié)果詳見表2和表3。

圖5 施工階段墩臺位移云圖(單位：mm)

表2 施工階段墩臺位移計算結(jié)果 mm

表3 運(yùn)營階段墩臺位移計算結(jié)果 mm

表2表明，和合大道樁板結(jié)構(gòu)施工過程引起的高鐵墩頂最大豎向位移0.8542mm，位于52#墩，滿足30mm的控制限值要求；高鐵墩頂最大差異沉降0.5531mm(52#和53#墩之間)，滿足15mm的控制限值要求；高鐵墩頂最大順橋向位移1.8363mm，位于52#墩，滿足24.5mm的控制限值要求；高鐵墩頂最大橫橋向位移0.1393mm，位于52#墩，最大橫橋向位移差0.0928mm(52#和53#橋墩之間)，滿足12mm的控制限值要求[7]。

表3表明，道路運(yùn)營階段引起的杭紹臺鐵路墩頂最大沉降為0.2052mm，最大順橋向位移為0.4354mm，最大橫橋向位移為0.0339mm，均滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB 10182—2017)關(guān)于有砟軌道墩臺頂位移限值(3mm)要求。

2.3.2橋樁承載力

針對施工及運(yùn)營期間產(chǎn)生的附加力，重新檢算橋梁樁基單樁承載力并檢算其配筋，檢算結(jié)果如表4所示。

由表4可知，和合大道施工完成后，51#～54#墩樁基單樁承載力均小于單樁容許承載力。

表4 單樁承載力對照表

3 結(jié)論

以和合大道下穿杭紹臺鐵路專項設(shè)計方案為基礎(chǔ)，通過理論分析和數(shù)值計算，并結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計、施工經(jīng)驗(yàn)，對設(shè)計方案進(jìn)行了研究，可以得出以下主要結(jié)論：

(1)和合大道樁板結(jié)構(gòu)施工過程引起的高鐵墩頂最大豎向位移0.8542mm，滿足30mm的控制限值要求；高鐵墩頂最大差異沉降0.5531mm，滿足15mm的控制限值要求；高鐵墩頂最大順橋向位移1.8363mm，滿足24.5mm的控制限值要求；高鐵墩頂最大橫橋向位移差0.0928mm，滿足12mm的控制限值要求。

(2)和合大道施工完成后，51#～54#墩樁基單樁承載力小于單樁容許承載力。

(3)道路運(yùn)營階段引起的杭紹臺鐵路墩頂最大沉降為0.2052mm，最大順橋向位移為0.4354mm，最大橫橋向位移為0.0339mm，均滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB 10182—2017)關(guān)于有砟軌道墩臺頂位移限值(3mm)要求。

對采用樁板結(jié)構(gòu)下穿高速鐵路方案的分析方法和思路，可為類似工程提供了參考。