新建河道下穿既有高鐵橋梁安全分析

王海龍，任 科，賈 羽

（1.中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限責任公司，貴陽 550002；2.中南大學 土木工程學院，長沙 410083）

隨著我國鐵路建設的迅猛發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)絡不斷完善，不可避免地出現(xiàn)了很多鐵路與鐵路、鐵路與道路以及鐵路與河道的交叉工程[1-5]。我國大部分高速鐵路是以橋梁的形成作為承載體的，因此，出現(xiàn)了很多新建道路、鐵路以及新修河道下穿既有高速鐵路橋梁的工程需求。通常高速列車運行的速度非?？?，并且在正常情況下高速列車的運輸是不能被中斷的，因此，現(xiàn)行標準中對于高速鐵路橋梁基礎的沉降等控制標準異常嚴格，通常達到毫米級別[6-7]。既有高速鐵路橋梁下新建道路或者河道工程，分析施工過程對既有高鐵橋梁橋墩以及基礎安全性與穩(wěn)定性的影響成為一個新興的研究課題。本文分析了某水系新建河道下穿既有高鐵橋梁施工過程中對橋墩變形以及樁基礎的樁身軸力、樁側(cè)摩阻力等的影響，針對施工過程提出建議。

1 工程概況

某水系河道下穿既有高鐵橋梁，下穿段高鐵橋梁上部結(jié)構(gòu)為32 m 連續(xù)預制梁，下穿橋墩為79#和80#。下穿河道施工中存在大體積土體卸載，增加了高鐵橋梁安全風險。加之，目前在已運營的高鐵中，有一些地方已出現(xiàn)鄰近建筑物施工影響高鐵運營安全的情況。因此，需要針對該水系新建河道下穿高鐵橋梁的安全性進行評估。

2 工程地質(zhì)條件

評估區(qū)域內(nèi)主要地層及巖性自新至老概述如下：

1）第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）。（1）1 黏土：黑色，硬塑，含少量鐵錳氧化物，層厚1.8～6 m，平均厚4.64 m，實測標準貫入平均擊數(shù)N=11 擊，σ0=160 kPa，局部分布。

2）第四系上更新統(tǒng)沖積層（Q3al）。（1）黏土：褐黃色，硬塑，含少量鐵錳氧化物，層厚13～32.3 m，平均厚23.88 m，實測標準貫入平均擊數(shù)N=15 擊，桿長修正后重型動力觸探平均擊數(shù)N63.5=8 擊，σ0=200 kPa，該層廣泛分布。

3）白堊系下統(tǒng)張橋組（K2z）。（4）2 泥質(zhì)砂礫巖：強風化，棕紅色，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，頂板埋深19～56.8 m，桿長修正后重型動力觸探平均擊數(shù)N63.5=12擊，σ0=350 kPa，廣泛分布。（3）2 泥質(zhì)粉砂巖：棕紅色，強風化，巖芯呈短柱狀，敲擊易碎，泥質(zhì)膠結(jié)，層厚0.6～30.5 m，平均厚9.02 m，桿長修正后重型動力觸探平均擊數(shù)13 擊，σ0=300 kPa，廣泛分布。

3 數(shù)值計算模型及力學參數(shù)

3.1 數(shù)值計算模型的建立

為分析該水系新建河道施工對既有高鐵橋梁79#和80#橋墩變形影響，同時評估施工過程中既有高鐵橋梁的安全，利用FLAC3D有限元軟件建立了計算模型。

模型X 軸方向長50 m，Y 軸方向長100 m，Z 軸方向長70 m。模型共有134 589 個單元，269 848 個節(jié)點，模型的邊界條件為頂面自由面，兩側(cè)水平約束，底面豎向和水平向約束。

土體應力應變的本構(gòu)理論采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，其余部件均采用線彈性模型。

計算過程中，主要考察河道施工對高鐵橋梁79#和80#橋墩變形以及樁基礎軸力和樁側(cè)摩阻力的影響。因此，本項目的計算模擬工況包括：①排樁支護結(jié)構(gòu)施工的影響；②U 型槽河道施工影響；③河道最高設計水位影響。

3.2 計算參數(shù)選取

參考巖土工程勘察報告，各個土層參數(shù)取值見表1。

表1 土層力學參數(shù)

混凝土的彈性模量取值見表2，混凝土泊松比采用0.2。

表2 混凝土彈性模量

4 新建道路對既有高鐵橋梁橋墩穩(wěn)定性影響分析

4.1 橋墩變形分析

4.1.1 排樁支護結(jié)構(gòu)施工影響

排樁支護結(jié)構(gòu)施工時，2 個橋墩變形量最大值見表3，變形量云圖如圖1 所示。由表3 和圖1 可知：排樁支護結(jié)構(gòu)施工階段，79#橋墩和80#橋墩在X 方向產(chǎn)生的變形量最大，其次是Z 方向產(chǎn)生的變形量，Y 方向產(chǎn)生的變形量幾乎為零。79#橋墩和80#橋墩產(chǎn)生的總變形量分別為0.319 8 mm 和0.320 5 mm，均滿足TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》[7]中限值（不超過5 mm）的要求，說明規(guī)范化的排樁支護結(jié)構(gòu)施工不會對既有高鐵橋梁橋墩的變形產(chǎn)生較大影響。

圖1 排樁支護結(jié)構(gòu)施工階段橋墩變形量云圖

表3 橋墩變形量最大值（排樁支護結(jié)構(gòu)施工）mm

4.1.2 U 型槽河道施工影響

U 型槽河道施工過程中，79#和80#橋墩變形量最大值見表4，變形量云圖如圖2 所示。由表4 和圖2 可知：U 型槽河道施工階段，79#橋墩和80#橋墩在Z 方向產(chǎn)生的變形量最大，其次是X 方向產(chǎn)生的變形量，Y方向產(chǎn)生的變形量幾乎為零。79#橋墩和80#橋墩產(chǎn)生的總變形量分別為0.372 7 mm 和0.372 0 mm，均滿足TB10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》[7]中限值（不超過5 mm）的要求，說明規(guī)范化的U 型槽河道施工過程不會對高鐵橋梁的安全產(chǎn)生影響。

圖2 U 型槽河道施工階段橋墩變形量云圖

表4 橋墩變形量最大值（U 型槽河道施工）mm

4.1.3 河道最高設計水位影響

當河道水位升高至最高設計水位，此時，2 個橋墩變形量最大值見表5，變形量云圖如圖3 所示。最高設計水位對橋墩變形的影響相較于排樁支護結(jié)構(gòu)施工階段以及U 型槽河道施工階段對橋墩變形產(chǎn)生的影響要小很多，79#橋墩和80#橋墩產(chǎn)生的總變形量分別為0.130 8 mm 和0.130 4 mm，均滿足規(guī)范中限值的要求。

圖3 最高設計水位下橋墩變形量云圖

表5 橋墩變形量最大值（最高設計水位）mm

4.2 樁身軸力分析

圖4 為79#和80#橋墩角樁的樁身軸力圖，圖中顯示：3 個模擬工況對橋墩角樁樁身軸力的影響規(guī)律基本一致，隨著樁基深度的增加，樁身軸力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在距離樁頂（0.28～0.34）倍樁長處的軸力出現(xiàn)最大值。3 個施工階段中，U 型槽河道施工階段對樁身軸力的影響程度最大，其次是排樁支護結(jié)構(gòu)施工，而最高設計水位對樁身軸力的影響是最小的。

圖4 橋墩角樁樁身軸力圖

4.3 樁側(cè)摩阻力分析

圖5 為79#和80#橋墩角樁的樁側(cè)摩阻力圖，圖中顯示：排樁支護結(jié)構(gòu)施工時，樁側(cè)摩阻力隨著樁基深度的增加先減小后基本不變，在距離樁頂0.25 倍樁長處開始出現(xiàn)負摩阻力；U 型槽河道施工時以及河道在達到最高設計水位時，樁側(cè)摩阻力隨著樁基深度的增加呈現(xiàn)先增大后基本穩(wěn)定的趨勢，在距離樁頂0.24 倍樁長處樁側(cè)摩阻力由正值轉(zhuǎn)變成為負值。

圖5 橋墩角樁側(cè)摩阻力圖

5 結(jié)論

本文對新建河道下穿既有高鐵橋梁橋墩以及樁基礎的影響進行了數(shù)值分析，得出結(jié)論。

1）基于數(shù)值計算成果，該河道施工引起的既有高鐵橋梁79#和80#橋墩的變形量在0.5 mm 以內(nèi)，樁身軸力變比均勻，說明新建河道對高鐵橋梁影響較小。

2）河道下穿施工過程中，隨著樁基深度的增加，樁身軸力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在距離樁頂（0.28～0.34）倍樁長處的軸力出現(xiàn)最大值。

3）排樁支護結(jié)構(gòu)施工時，樁側(cè)摩阻力隨著樁基深度的增加先減小后基本不變，在距離樁頂0.25 倍樁長處開始出現(xiàn)負摩阻力；U 型槽河道施工時以及河道在達到最高設計水位時，樁側(cè)摩阻力隨著樁基深度的增加呈現(xiàn)先增大后基本穩(wěn)定的趨勢，在距離樁頂0.24 倍樁長處樁側(cè)摩阻力由正值轉(zhuǎn)變成為負值。

4）為減小河道施工對高鐵橋梁橋墩以及樁基礎的影響，建議選擇合理的施工順序，做到規(guī)范化施工；施工過程中的重型施工機具、施工便道、施工場地應布置于遠離高鐵處，避免施工期間機具撞擊高鐵橋墩；施工中須要采取措施，防止地下水位大面積下降；同時施工過程中加強變形監(jiān)測，若橋墩基礎變形在施工過程中產(chǎn)生突變，應立即停止施工。