樁板結(jié)構(gòu)下穿多條運(yùn)營(yíng)高鐵橋梁的變形研究分析

蘭鴻翔

（杭州鐵路設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著我國(guó)越來(lái)越多的高速鐵路建成投入運(yùn)營(yíng)，其他新建市政道路的施工將會(huì)與高速鐵路產(chǎn)生交叉，因此對(duì)于新建工程下穿高速鐵路的方案研究是一項(xiàng)重要的工作。李悄[1]等人針對(duì)軟土地區(qū)公路下穿高速鐵路方案引起的變形進(jìn)行分析，得出采用路基下穿并減小和換填路基填方的方式可減小對(duì)高速鐵路的變形影響；孫宗磊[2]等人針對(duì)新建高速鐵路下穿京滬高鐵不同橋墩方案對(duì)京滬高鐵橋梁沉降進(jìn)行分析，結(jié)果表明實(shí)體墩方案鐵路橋梁影響較小；解建超[3]針對(duì)下穿高速鐵路U 型槽結(jié)構(gòu)采用不同路基填料和不同樁基長(zhǎng)度引起高鐵橋梁附加變形分析，結(jié)果表明輕質(zhì)混凝土填料和增加樁長(zhǎng)可減小鐵路橋梁附加變形。現(xiàn)以某新建市政道路下穿鐵路橋梁不同方案引起的橋梁附加變形進(jìn)行分析，為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 新建市政道路概況

某新建市政道路現(xiàn)狀為雙向兩車道，現(xiàn)拓寬為雙向四車道，設(shè)計(jì)速度50 km/h，兩側(cè)設(shè)置機(jī)非混行道和人行道，機(jī)動(dòng)車道分別從既有某高速鐵路14#～15#、15#～16#橋墩、某高速鐵路5#～6# 橋墩之間穿越；北側(cè)輔道某高速鐵路12#～13# 橋墩、某高速鐵路4#～5# 橋墩下穿越；南側(cè)輔道從既有某高速鐵路17#～18# 橋墩、某高速鐵路6#～7# 橋墩之間穿越，如圖1 所示，具體鐵路設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所列（為便于區(qū)分將上述高速鐵路分別命名為1#高速鐵路和2# 高速鐵路）。

圖1 道路下穿鐵路平面圖

表1 1# 高速鐵路、2# 高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)表

1.2 地質(zhì)資料

橋址沿線主要為江灘地貌，沿線地基土淺部主要為一套全新統(tǒng)海積、沖海積地層，土層厚度、分布及性質(zhì)均較穩(wěn)定，土層自上而下為：雜填土、暗塘土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土夾粉砂、粉砂、粉質(zhì)黏土、中砂、礫砂，地下水位2.0～3.8 m，具體土層參數(shù)如表2 所列。

表2 土層參數(shù)表

1.3 樁板結(jié)構(gòu)下穿鐵路的方案

新建道路下機(jī)動(dòng)車道樁板結(jié)構(gòu)布跨采用5.0 m一跨，板厚0.8 m，寬度8.0 m（含兩側(cè)防撞護(hù)欄寬度），兩側(cè)設(shè)置6.0 m 的鋼筋混凝土搭板；南北側(cè)機(jī)非混行道樁板結(jié)構(gòu)，曲線布置，采用5.0 m 一跨，板厚0.8 m，寬度7.0 m（含兩側(cè)防撞護(hù)欄寬度），兩側(cè)設(shè)置6.0 m鋼筋混凝土搭板；樁基采用φ60 cm，長(zhǎng)度30 m。樁板結(jié)構(gòu)與既有1#、2# 高速鐵路橋墩空間位置關(guān)系見圖2、圖3 所示。

圖2 樁板結(jié)構(gòu)與既有1# 高速鐵路橋墩空間位置關(guān)系圖

圖3 樁板結(jié)構(gòu)與既有2# 高速鐵路橋墩空間位置關(guān)系圖

2 計(jì)算與分析

2.1 有限元模型建立

理論分析采用大型有限元分析軟件Midas GTS NX，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和保證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性和收斂性，將模型計(jì)算范圍?。耗Ｐ统叽鐬榭v向135 m（高鐵運(yùn)營(yíng)方向）×橫向110 m（道路運(yùn)營(yíng)方向）×豎向51 m（土層方向）。

土體采用修正莫爾-庫(kù)倫模型[4]模擬其本構(gòu)關(guān)系，模型邊界條件為：上部邊界為自由、四周邊界采用水平約束、底部邊界采用固定約束[5]。模型中除樁基采用梁?jiǎn)卧M外，其余結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬，模型中只模擬鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)實(shí)體，上部結(jié)構(gòu)采用等效荷載來(lái)模擬[3]，三維空間有限元模型如圖4 所示。

圖4 有限元模型圖

2.2 施工階段模擬

建模基本原則及施工階段主要?jiǎng)澐郑菏紫葘?#高速鐵路、2# 高速鐵路兩條鐵路的結(jié)構(gòu)物作為基本初始狀態(tài)，計(jì)算各土層的初始應(yīng)力狀態(tài)；然后在該狀態(tài)下建立新建市政道路的樁板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模型（見圖5），計(jì)算土層應(yīng)力變化和引起的鐵路橋梁附加變形。主要施工階段劃分如表3 所列。

表3 有限元模型工況劃分一覽表

圖5 樁板結(jié)構(gòu)施工階段模擬圖示

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（試行）規(guī)定：橋梁下部結(jié)構(gòu)要求工后總沉降不超過(guò)20 mm，相鄰墩臺(tái)不均勻沉降不超過(guò)5 mm。根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182—2017）規(guī)定，道路下穿高速鐵路無(wú)砟軌道時(shí)，高速鐵路橋墩墩頂位移限制：墩頂橫向位移、縱向位移、豎向位移均≤2 mm。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為保證1#高速鐵路、2# 高速鐵路在施工過(guò)程中運(yùn)營(yíng)的安全，根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182—2017）規(guī)定：下穿工程施工過(guò)程中，應(yīng)對(duì)高速鐵路橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況和監(jiān)測(cè)精度要求，監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：

（1）1#和2#高速鐵路橋墩的豎向沉降；

（2）1#和2#高速鐵路橋墩的水平、縱向變形。

3.1 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)展情況及鐵路監(jiān)測(cè)要求，現(xiàn)場(chǎng)采用的監(jiān)測(cè)方案如下：

在1# 高速鐵路與2# 高速鐵路的工程涉及沿線自設(shè)一個(gè)北斗位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站，分別在1# 高速鐵路12#～18# 橋墩和2# 高速鐵路4#～7# 橋墩的每個(gè)墩頂?shù)乃膫€(gè)角點(diǎn)各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采取一定的保護(hù)措施，以免影響監(jiān)測(cè)結(jié)果。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論值對(duì)比分析

由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)不間斷采集且橋墩和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置較多，因此該工程僅選取部分每個(gè)橋墩代表性數(shù)值和關(guān)鍵施工階段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，具體數(shù)據(jù)見表4、表5 所列。

表4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與理論分析結(jié)果對(duì)比表（1）單位：mm

表5 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與理論分析結(jié)果對(duì)比表（2）單位：mm

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比可以看出，兩者的數(shù)值均在規(guī)范允許變化范圍內(nèi)；兩者的變化趨勢(shì)大體上一致，在樁板結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)施工時(shí)，由于周圍土體的卸載作用導(dǎo)致最鄰近橋墩出現(xiàn)沉降且數(shù)值較遠(yuǎn)處橋墩大，在道路運(yùn)營(yíng)時(shí)，由于道路車輛的荷載作用，位移變化數(shù)值較樁板結(jié)構(gòu)施工時(shí)，有所增加但是數(shù)值變動(dòng)幅度不大，這是由于道路運(yùn)營(yíng)的車輛荷載通過(guò)樁板結(jié)構(gòu)的面板傳遞給下部結(jié)構(gòu)，且下部結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，所以變形不大，這也與模型計(jì)算結(jié)果有較好的吻合。

4 結(jié)論

針對(duì)某新建市政道路下穿鐵路橋梁工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析并結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要研究結(jié)論如下：

（1）新建道路工程采用樁板結(jié)構(gòu)下穿鐵路橋梁方案可行，且工程引起的橋梁附加變形均在《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

（2）工程采用樁板結(jié)構(gòu)下穿鐵路橋梁理論分析結(jié)果與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果較吻合，變化趨勢(shì)一致。由于有限元分析采用的樁土模擬作用，土層參數(shù)的實(shí)際情況會(huì)有些許差異，故計(jì)算結(jié)果與實(shí)際也有一定差異，且實(shí)測(cè)值受到鐵路列車運(yùn)營(yíng)的影響，具有一定的波動(dòng)性，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論仿真分析的可靠性。