鐵路橋墩施工順序?qū)κ姓芫€穩(wěn)定影響的研究

徐可文 （安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

0 前言

高速鐵路的發(fā)展對居民的出行方式、次數(shù)、距離等產(chǎn)生了重大影響，尤其對地面交通網(wǎng)的改善作用明顯，在經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保等方面也具有明顯優(yōu)勢，可預(yù)見的未來一段時間內(nèi)，高速鐵路建設(shè)仍將穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展[1-2]。

鐵路尤其是高速鐵路的發(fā)展起步相對較晚，因此在高速鐵路設(shè)計選線的過程中不可避免地要與既有的道路、管線、建筑等發(fā)生交叉。高速鐵路建設(shè)施工、建設(shè)運營的整個周期內(nèi)，由于其大開挖、加載的作用對土體擾動引起的既有建筑的變形，是必須進行控制并進行預(yù)測評價，從而指導(dǎo)更合理安全的設(shè)計方案及施工順序、工藝，以保證整個工程項目的安全穩(wěn)定[3-5]。

本文以擬建的某高速鐵路跨越既有市政管線的工程項目為例，探討高速鐵路跨越處，相鄰鐵路橋墩施工的施工順序?qū)艿赖母郊幼冃蔚挠绊懬闆r，為鐵路橋墩施工的順序選擇提供一定的參考。

1 工程概況

研究的項目區(qū)域為平原，高程變化起伏較小，地形地貌變化整體較簡單。下穿點鐵路周邊以田地為主，地形平坦。場地內(nèi)主要分布有粉質(zhì)黏土、中砂、黏土、閃長巖。擬建場區(qū)無不良地質(zhì)，僅見特殊巖土為膨脹土，具有膨脹性，具有吸水顯著膨脹軟化，失水急劇收縮開裂的特性。

穿越處高速鐵路為擬建雙線客運專線，速度目標值350km/h，軌道類型為CRTSI型雙塊式無砟軌道，跨區(qū)間無縫線路，正線線間距為5.0m，設(shè)計豎向荷載：“ZK活載”。

穿越處鐵路橋梁為32m簡支梁箱梁，采用預(yù)制架設(shè)施工。橋墩為圓端型實體橋墩，其中103#墩高12m，104#墩高11.5m。墩臺基礎(chǔ)類型為樁基礎(chǔ)，最長樁長為43.5m摩擦樁，樁徑均為1.00m。

2 下穿設(shè)計方案

經(jīng)過從方案內(nèi)容，投資大小，設(shè)計施工優(yōu)缺點等方面論證，確定該市政天然氣管線在下穿段范圍內(nèi)采用直埋加鋼筋混凝土護管涵防護方案。

護管涵尺寸采用1-2.6×2m，平面分9節(jié)布置，涵長75.46m，涵身凈高2.0m，涵身凈寬2.6m，涵身頂板厚0.26m，底板厚0.28m，側(cè)板厚0.24m，護管涵主體部分采用C30鋼筋混凝土，涵內(nèi)管道鋪設(shè)后進行充砂填實。

管涵基坑明挖坡度為1：1，基坑邊坡采用C20混凝土錨網(wǎng)噴防護，基坑底四周設(shè)排水溝，并設(shè)集水井抽水排出積水，基底墊層材料為20cm厚C30混凝土，其下設(shè)10cm厚碎石墊層。護管涵頂與地面垂直距離最大為1.9m，護管涵采用2cm沉降縫，沉降縫內(nèi)側(cè)填塞10cmM10水泥砂漿，中間填黏土，外側(cè)填塞5cm深瀝青浸制麻筋。

3 分析參數(shù)選取

根據(jù)地勘報告，場地內(nèi)主要分布有粉質(zhì)黏土、中砂、黏土、閃長巖。管道下穿處<5-3-1>粉質(zhì)黏土層（Q4al+l）及下部各層巖性情況如下所述。

1.從生活出發(fā)，貼近生活，關(guān)注實際。對于商品來說，其不僅是一種生活元素，而且還是重要的文化載體。因此，商品包裝設(shè)計需要注重對產(chǎn)品本身的內(nèi)涵進行挖掘。當然，從內(nèi)涵的多樣性看，商品包含的內(nèi)容極為豐富，其中既有大眾認同，也有消費共識。所以，企業(yè)需要通過對商品價值的挖掘，選擇合適的生活視角，讓包裝趨于生活。

<5-3->粉質(zhì)黏土（Q4al+l）：灰褐色、褐灰色、黃褐色、灰色、褐黃色，硬塑，成分以黏粒為主，局部含腐殖質(zhì)，表層為耕植土，含植物根系。呈層狀分布，厚度0～5m，屬于Ⅱ級普通土。

<9-3-3>粉質(zhì)黏土（Q3asl）：黃褐色、褐黃色、棕黃色、灰褐色、棕紅色、青灰色，硬塑，成分以黏粒為主，含鐵錳氧化物、鐵錳結(jié)核、鈣質(zhì)結(jié)核及姜石，一般粒徑2～20mm，局部含青灰色條帶。呈層狀分布，厚度0～10m，屬于Ⅱ級普通土。

<10-7-4>中砂（Q2）：黃褐色、褐黃色、灰黃色、淺灰黃色，飽和，中密，含少量云母、黏性土及礫石，黏粒含量約7%，礫石一般粒徑5～10mm。呈層狀分布，屬于1級松土。

<11-3-2>黏土：黃褐色，灰褐色、棕紅色，可塑-硬塑狀，粘聚力高。

<18-1>強風化泥質(zhì)粉細砂巖：密實，巖體裂隙發(fā)育，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造模糊不清。巖芯破碎呈塊狀、砂土狀，巖芯手掰易碎。

巖土及主要材料參數(shù)見表1[6-8]。

4 荷載參數(shù)

①根據(jù)施工設(shè)計資料確定該鐵路為客運專線，設(shè)計活載是ZK活載，恒載依據(jù)《時速350公里高速鐵路預(yù)制無砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁》（通橋（2016）2322A系列梁圖）確定，綜合確定103#墩～104#墩處32m跨度的簡支梁橋橋墩的支座反力為5500kN。

②結(jié)合設(shè)計資料及對接資料，鐵路施工階段施工便道上采用公路-Ⅰ級荷載，根據(jù)最新版規(guī)范《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60-2015），橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、橋臺和擋土墻土壓力等的計算采用車輛荷載，參考數(shù)據(jù)及布置如表2所示。

5 計算分析

巖土工程分析就是用簡化的物理模型去描述復(fù)雜的工程問題，再將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題并用數(shù)學方法求解。一般是將巖土材料進行簡化，建立力學模型分析，一般包括運動微分方程式(包括動力和靜力分析兩大類)，連續(xù)方程及本構(gòu)方程等。

巖土層及主要結(jié)構(gòu)力學參數(shù)建議值 表1

5.1 計算原理及本構(gòu)選擇介紹

摩爾庫倫定理是土力學的經(jīng)典理論，理論揭示材料的強度與破壞關(guān)系，理論認為作用于平面上的正應(yīng)力影響材料的抗剪強度，該平面上剪應(yīng)力-正應(yīng)力的最危險組合最終引起材料的破壞變形。

這一理論模型在工程設(shè)計行業(yè)中使用廣泛，并在各類工程實際中得到驗證和完善，具有試驗參數(shù)易獲得、土體強度效果良好、理論技術(shù)均成熟可靠的優(yōu)點。

線彈性模型是巖土工程設(shè)計中對于一般彈性材料常采用的本構(gòu)模型，其參數(shù)簡單易取，且使用成熟，缺點是本構(gòu)簡單未考慮屈服定義，不適用于土體模型，對于混凝土及鋼材等材料強度較大的材料具有較好的模擬效果[9-13]。

結(jié)合項目實際及工程經(jīng)驗，本次模擬模型中各土層采用各向同性-摩爾-庫倫本構(gòu)，混凝土及碎石等材料采用彈性模型。

5.2 模型建立

選取長120m、寬100m、高60m的巖土體為研究范圍，采用數(shù)值模擬軟件建立巖土分析模型，如圖1所示。

圖1 影響性分析模型

模型邊界進行自由邊界約束，其中鐵路樁基采用梁單元進行模擬，為了模擬樁土接觸關(guān)系，添加樁界面及樁端單元，施工開挖土體采用鈍化單元進行模擬，地面以下的橋墩及承臺采用改變屬性的邊界條件進行模擬。

車輛荷載的主要技術(shù)指標 表2

雙側(cè)同時施工各方向位移變形量 表3

單側(cè)順序施工各方向位移變形量 表4

5.3 分析階段及工況設(shè)定

數(shù)值分析共設(shè)置初始應(yīng)力狀態(tài)—管道基坑開挖—管道及防護施工—管道基坑回填及位移清零幾個階段，位移清零之后依據(jù)工況設(shè)定進行橋墩施工的不同方案的模擬分析。

工況一：雙側(cè)橋墩同時進行開挖、回填，施作橋墩樁基、承臺、橋墩，并施加橋梁上部荷載及運營階段活載。

工況二：單側(cè)橋墩先進行開挖、回填及施工后施作樁基、承臺、橋墩完成后，再進行另一側(cè)橋墩挖施工，最后施加橋梁上部荷載及運營階段活載。

6 分析結(jié)果

分析研究范圍內(nèi)管道位移在鐵路施工不同工況下的結(jié)果如下：

依據(jù)分析結(jié)果，雙側(cè)同時施工模型中各階段的位移變形結(jié)果如表3所示；

單側(cè)順序施工模型中各階段的位移變形結(jié)果如表4所示。

分析結(jié)果表明：兩側(cè)同時開挖施工相比于單側(cè)順序開挖施工在管線垂直方向上及沿管線方向上位移量Tx，Ty較小，兩種模型中Tx最大值分別為0.275mm，0.726mm，最大位移差約2.5倍，Ty最大值分別為-0.193mm，-0.146mm，最大位移差約1.3倍，而在豎直方向上，兩側(cè)同時開挖施工相比于單側(cè)順序開挖施工在管線垂直方向上位移量Tz較大，兩種模型中Tz最大值分別為9.653mm，6.845mm，最大位移差約1.4倍。

結(jié)合分析對象，本次參考輸氣管道及鐵路橋涵相關(guān)設(shè)計規(guī)范進行標準控制。

《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB50251-2015）第5.1.4條輸氣管道徑向穩(wěn)定校核應(yīng)按下列公式進行計算。

Δx≤0.03D

式中：Δx——鋼管水平方向最大變形量（m）；D——鋼管外徑（m）

本項目輸氣管道管徑D為1.016m，即△x應(yīng)小于3.048cm。

《鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收標準》（TB 10415-2018）要求護管涵洞允許偏差應(yīng)符合翼墻距設(shè)計中心線位置規(guī)定值或允許偏差不大于20 mm規(guī)定[14-15]。

結(jié)合分析結(jié)果該項目鐵路施工過程中，加荷卸荷過程影響原已經(jīng)達到平衡狀態(tài)的土體，導(dǎo)致既有管線發(fā)生相應(yīng)位移，最大位移均為豎向位移，且變形量均小于規(guī)范要求標準。

對比分析結(jié)果顯示水平位移方向上，兩側(cè)對稱施工開挖回填，相對于單側(cè)施工開挖整體位移量較小，尤其是沿管線垂直方向上單側(cè)施工模型的水平位移明顯大于雙側(cè)施工模型。兩側(cè)對稱進行開挖及加載，涵、管兩側(cè)應(yīng)力變化相對平衡一致，引起的位移變形較小。

豎直方向上，兩側(cè)對稱施工開挖回填，相對于單側(cè)施工開挖整體位移量較大，且主要位移發(fā)生在承臺開挖階段。

7 結(jié)語

下穿鐵路方案設(shè)計中應(yīng)進行安全穩(wěn)定性分析，對設(shè)計方案施工過程對鐵路橋墩的影響以及鐵路施工對既有重要工程的安全穩(wěn)定均應(yīng)進行定性分析，選擇最適宜的設(shè)計方案。結(jié)合本次分析結(jié)果兩側(cè)對稱施工方案，有利于減少受擾動管線在水平方向上的位移變形，而單側(cè)順序施工方案有利于減少受擾動管線在豎直方向上位移變形。對于鐵路、市政燃氣管線此類對位移變形敏感的工程項目，應(yīng)結(jié)合受擾動建筑物對不同方向位移的要求，選擇合適的施工順序方案。