軟土地區(qū)市政道路近距離下穿高速鐵路變形分析

李少孟

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

0 引 言

隨著我國(guó)高速鐵路的快速建設(shè)，越來(lái)越多的高速鐵路在建或投入運(yùn)營(yíng)，導(dǎo)致城市圍繞高速鐵路沿線進(jìn)行擴(kuò)建時(shí)新建市政道路下穿高速鐵路橋梁的工程越來(lái)越多。高速鐵路大部分采用無(wú)砟軌道，同時(shí)也有特殊路段采用有砟軌道，為了保證高速鐵路的安全，對(duì)橋梁墩臺(tái)變形要求非常嚴(yán)格，受下穿工程影響的有砟軌道高速鐵路橋梁墩臺(tái)橫向水平位移、縱向水平位移、豎向位移限值均為3 mm[1]。

鄰近既有鐵路橋梁修建新的建筑物，由于建筑物的基礎(chǔ)會(huì)對(duì)周圍土層產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而引起既有鐵路橋梁基礎(chǔ)發(fā)生變形[2]。李俊和、於慧等[3-6]對(duì)公路與市政工程下穿施工引起鐵路橋梁基礎(chǔ)變形進(jìn)行了分析和探討，得出了許多有意義的結(jié)論指導(dǎo)工程施工。

本文以臺(tái)州市新建中山西路下穿杭紹臺(tái)鐵路椒江特大橋工程為基礎(chǔ)，分析軟土地區(qū)新建工程下穿高速鐵路施工、運(yùn)營(yíng)對(duì)高速鐵路橋梁基礎(chǔ)變形的影響，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況及主要難點(diǎn)

1.1 工程概況

中山西路從杭紹臺(tái)鐵路椒江特大橋第71#～72#及72#～73#墩孔間穿越，中山西路左、右幅與杭紹臺(tái)鐵路交叉角度分別約為101°和100°。椒江特大橋?yàn)樗木€橋，設(shè)計(jì)行車速度為250 km/h，預(yù)留300 km/h條件，71#～73#墩間均采用32 m簡(jiǎn)支梁，有砟軌道，橋墩為圓端形橋墩，墩高分別為31.5 m、30.5 m、30 m。71#墩基礎(chǔ)為24根直徑1.0 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)56 m，承臺(tái)尺寸為19.6 m×10.35 m×2 m；72#、73#墩基礎(chǔ)均為21根直徑1.0 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)59 m，承臺(tái)尺寸分別為18.6 m×8.7 m×2.5 m和18.6 m×8.5 m×2.5 m。

中山西路左、右幅樁板結(jié)構(gòu)均設(shè)置為三聯(lián)，跨徑具體布置為(3×10)m+(3×10)m+(3×10)m。上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土，梁高0.7 m；樁基采用4根直徑1 m鉆孔灌注樁，樁間距3.6 m，樁長(zhǎng)40～48 m。

中山西路與杭紹臺(tái)鐵路位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 中山西路與杭紹臺(tái)鐵路位置關(guān)系圖(單位：cm)

1.2 地質(zhì)概況

目前市政道路下穿高鐵橋梁的主要形式有路基、橋梁、樁板結(jié)構(gòu)、U型槽結(jié)構(gòu)等[7-10]，本文中鐵路承臺(tái)位于粉質(zhì)黏土層，鉆孔樁主要位于淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，地基土承載力僅100 kPa，不宜采用路基、U型槽形式，從安全和投資角度比選確定采用樁板結(jié)構(gòu)形式下穿。

1.3 主要難點(diǎn)

綜合考慮地層條件、相對(duì)位置關(guān)系、鐵路變形控制、施工難度、風(fēng)險(xiǎn)等因素，中山西路采用樁板結(jié)構(gòu)形式下穿施工。其主要難點(diǎn)包括：

(1) 樁板結(jié)構(gòu)邊緣距鐵路承臺(tái)最小水平距離僅0.91 m，距離近，周邊土體受力擴(kuò)散對(duì)墩臺(tái)變形影響大。

(2) 新建樁基距鐵路既有樁基最小距離僅6.07 m，相當(dāng)于6d(d為下穿工程樁徑)，軟層地層中鐵路既有樁基受新樁基施工擾動(dòng)大，進(jìn)而導(dǎo)致墩臺(tái)變形。

(3) 軟土地層穩(wěn)定性差，更易受到施工的影響發(fā)生變形。

(4) 若中山西路無(wú)法在杭紹臺(tái)鐵路運(yùn)營(yíng)前完成主體結(jié)構(gòu)施工，可能影響鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。

2 計(jì)算與分析

2.1 有限元模型分析

本節(jié)采用巖土有限元軟件MIDAS GTS NX，建立包括巖土、橋樁、承臺(tái)、橋墩、樁板等結(jié)構(gòu)的三維模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。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)，模型整體尺寸為160 m(x)×140 m(y)×70 m(z)。

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、墩臺(tái)、承載板等采用實(shí)體單元模擬，樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧M。有限元模型如圖2～圖3所示。

圖2 有限元整體模型

圖3 實(shí)體墩、樁基、樁板空間布置圖

2.2 土層參數(shù)

土體強(qiáng)度準(zhǔn)則為Mohr-coulomb準(zhǔn)則，土體工程地質(zhì)層組劃分為6層，具體參數(shù)取自工程地質(zhì)勘查報(bào)告或參考區(qū)域其他工程，見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)

2.3 施工階段模擬

模擬計(jì)算分為四個(gè)主要階段：初設(shè)應(yīng)力場(chǎng)、高鐵施工、新建樁板結(jié)構(gòu)施工、道路運(yùn)營(yíng)，見(jiàn)表2。

表2 施工步驟

2.4 計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)計(jì)算，施工過(guò)程中杭紹臺(tái)鐵路71#～73#墩臺(tái)最大豎向位移2.577 mm、最大順橋向位移2.769 mm、最大橫橋向位移0.565 mm，均小于控制限值3 mm，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3～表4。從計(jì)算結(jié)果看，因受左、右幅施工的疊加影響，72#墩臺(tái)豎向沉降最大；左幅與71#墩臺(tái)的距離和右幅與73#墩臺(tái)的距離相近，因此71#、73#墩臺(tái)的順橋向位移接近，72#墩兩側(cè)施工效應(yīng)疊加后順橋向位移反而偏??；中山西路與杭紹臺(tái)鐵路交角約100°，近似正交，因此71#～73#墩臺(tái)的橫橋向位移較小。

表3 71#～73#墩臺(tái)施工階段累計(jì)變形結(jié)果(單位：mm)

表4 72#墩臺(tái)施工階段累計(jì)變形結(jié)果(單位：mm)

注：x向代表橫橋向，y向代表順橋向，z向代表豎向，下同。

加載運(yùn)營(yíng)荷載后，杭紹臺(tái)鐵路71#～73#墩臺(tái)最大沉降值為0.34 mm，最大順橋向位移為0.555 mm，最大橫橋向位移為0.124 mm，均小于控制限值3 mm，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 運(yùn)營(yíng)階段各墩臺(tái)變形結(jié)果(單位：mm)

通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析，中山西路下穿杭紹臺(tái)鐵路施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)鐵路墩臺(tái)的影響均在允許范圍內(nèi)，樁板結(jié)構(gòu)近距離下穿方案具有可實(shí)施性。

3 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，分析新建樁板結(jié)構(gòu)施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)高速鐵路墩臺(tái)變形的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 新建市政道路施工期間，由于地層擾動(dòng)，周邊土層會(huì)產(chǎn)生一定的變形，從而引起鄰近杭紹臺(tái)鐵路橋梁墩臺(tái)發(fā)生變形。

(2) 中山西路下穿杭紹臺(tái)鐵路工程方案，在道路的施工和運(yùn)營(yíng)中，引起的高鐵橋梁墩臺(tái)的最大豎向位移、最大順橋向位移、最大橫橋向位移均小于控制限值3 mm，工程設(shè)計(jì)方案可行。

(3) 為減小鐵路墩臺(tái)豎向沉降，可優(yōu)化道路主體施工后周邊回填土回填高度，減小附加荷載；為減小71#、73#墩在市政路主體結(jié)構(gòu)施工中的靠近市政路內(nèi)側(cè)的順橋向變形，其外側(cè)回填土可同步施做進(jìn)行反壓。

(4) 中山西路左、右幅鉆孔樁和承載板應(yīng)對(duì)稱施工。離高速鐵路橋梁樁基較近的新建樁，可適當(dāng)增加鋼護(hù)筒長(zhǎng)度。

(5) 為減小高鐵橋梁墩臺(tái)變形，應(yīng)嚴(yán)格控制施工方法，嚴(yán)禁使用擾動(dòng)大的施工工藝，期間做好高鐵橋墩變形監(jiān)測(cè)以指導(dǎo)施工。

(6) 中山西路主體結(jié)構(gòu)施工完成后應(yīng)調(diào)整杭紹臺(tái)鐵路軌道，避免道路運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的瞬時(shí)影響進(jìn)行二次疊加。