新建市政道路下穿高鐵橋梁的安全控制技術(shù)研究

龍 斌/ LONG Bin

（新疆北新路橋集團(tuán)股份有限公司勘察設(shè)計分公司，湖南 長沙 410007）

隨著城市軌道交通持續(xù)發(fā)展，城市道路工程的建設(shè)愈發(fā)增多，構(gòu)筑物的空間位置關(guān)系也愈發(fā)錯綜復(fù)雜。例如，當(dāng)市政道路下穿既有高速鐵路橋梁時，在道路的建設(shè)和運(yùn)營期間產(chǎn)生的一系列復(fù)雜荷載會對高鐵結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生突出影響。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對類似問題做過研究。王耀等和李悄等采用有限元方法評價了新建道路對既有高鐵結(jié)構(gòu)的影響。王博妮通過數(shù)值計算，驗(yàn)證了臨時堆載壓重結(jié)合容重置換處理思路對高鐵橋墩上浮控制的有效性。馬海濤提出道路下穿高鐵時，采用型鋼骨架、異形板樁的防護(hù)結(jié)構(gòu)對高鐵橋梁承臺進(jìn)行防護(hù)，并利用現(xiàn)場監(jiān)測評價了該方法的效果。趙永明利用ABAQUS 研究了道路運(yùn)營期間對高鐵橋梁的影響，并指出道路運(yùn)營荷載會使橋梁樁基單樁承載力略有上升。張旭通過數(shù)值模擬方法探究了道路下穿高鐵橋梁時不同平面設(shè)計的影響，并指出開挖對樁基的縱向變形影響較大。Stewart 等利用離心模型試驗(yàn)研究了相鄰堆載對樁基的影響規(guī)律。Leung 等通過離心試驗(yàn)研究了砂土中的單樁在未支撐的基坑開挖過程中受到的影響。

現(xiàn)有研究多集中于下穿道路建設(shè)或運(yùn)維期間對既有高鐵橋梁的影響，但關(guān)于道路“施工建設(shè)－運(yùn)營維護(hù)”全周期對高鐵橋梁影響的研究還少見報道，因此有必要針對新建道路建維全周期對高鐵橋梁的影響規(guī)律展開研究。本文依托某新建市政道路下穿高鐵橋梁工程，建立道路下穿高鐵橋梁建維全周期的數(shù)值模型，研究高鐵橋基受新建道路影響的規(guī)律，并提出利用樁板結(jié)構(gòu)對高鐵橋梁樁基進(jìn)行加固的方法。

1 工程概況

如圖1 所示，某市政道路新建項(xiàng)目起于道路1，路線由北往南，在K0+642.5 處下穿某高鐵大橋，路線沿山體展線向南延伸，終于道路2，樁號范圍為K0+000-K2+890，全長2.890km。

圖1 新建市政道路總體平面圖

1.1 工程水文地質(zhì)

高鐵橋址區(qū)上覆土層由新到老主要為第四系填土層、耕植層（Q4ml），層厚1.6～7.9m；第四系沖海積層（Q4al+m）中砂，層厚2.0m；第四系花崗巖殘積土（Qel+dl），層厚2.0～11.30m；下伏基巖主要為燕山期（γδm52（3)）花崗巖并伴有燕山期（β）輝綠巖巖脈穿插。區(qū)域水資源主要依靠大氣降水和過境河道。

1.2 工程重難點(diǎn)分析

因高速鐵路橋梁對線路的變形要求極高，當(dāng)新建道路下穿高鐵橋梁時，復(fù)雜的荷載變化難以避免會對鄰近高鐵橋梁的樁基產(chǎn)生影響。如果控制不當(dāng)，將導(dǎo)致橋梁樁基發(fā)生較大的變形和位移，嚴(yán)重影響軌道平順性，危害行車安全。如圖2 所示，新建的市政道路從高鐵橋梁下穿過，路面緊鄰橋基。因此，如何盡量減小下穿道路施工和運(yùn)營期間對鄰近橋梁樁基的影響，是工程的重難點(diǎn)。

圖2 新建道路下穿高鐵橋梁相對位置圖

2 道路下穿高鐵橋樁變形

2.1 數(shù)值計算模型

利用巖土專用有限元軟件Midas-GTS 對新建道路下穿高鐵橋梁對橋樁的影響進(jìn)行模擬與分析。如圖3 所示，為減小模型邊界效應(yīng)，模型整體長150m，寬150m，深70m，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計27 064 單元，18 721 節(jié)點(diǎn)。模型的邊界條件為頂面為自由面，兩側(cè)水平約束，底面取豎向和水平向約束。計算過程中，主要考察新建道路市政土建工程施工、運(yùn)營引起既有高鐵大橋68#～72#墩位移變形，在各橋墩頂處設(shè)置位移監(jiān)測點(diǎn)。

圖3 數(shù)值計算模型示意圖

2.2 計算參數(shù)與工況設(shè)計

計算過程中土體、橋墩、樁基礎(chǔ)采用六面體和四面體實(shí)體單元模擬，橋梁樁基采用梁單元模擬，對于混凝土構(gòu)件以及弱～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，采用彈性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行分析計算；對于土層，考慮其受到大于屈服應(yīng)力時的外荷載可能發(fā)生的塑性變形，采用修正摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行分析計算。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，取各材料的計算參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 土層及相關(guān)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表2 混凝土構(gòu)件參數(shù)

因該線高鐵尚未開通運(yùn)營，模型主要計算下穿道路土建工程施工、運(yùn)營引起既有特大橋（DK153+445.215）的安全性影響。因此，設(shè)計4 種主要工況：①鐵路橋橋樁與橋墩施工；②加固樁板結(jié)構(gòu)后市政道路施工；③鐵路橋上部結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營；④市政道路運(yùn)營。

2.3 計算結(jié)果分析

據(jù)TB 10182-2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》要求，重點(diǎn)關(guān)注下穿工程影響高速鐵路橋梁墩臺頂?shù)奈灰?，并在各墩臺頂設(shè)置位移監(jiān)測點(diǎn)。除此之外，還驗(yàn)算了交叉處的高鐵橋梁樁基承載力。

2.3.1 橋梁墩臺頂位移變化規(guī)律

圖4 為高速鐵路橋梁墩臺的Z向位移云圖，其中Z向?yàn)樨Q直方向，X、Y方向分別代表水平兩個方向，表明橋梁墩臺位置出現(xiàn)最大沉降變形，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注橋梁墩臺頂?shù)奈灰谱兓?/p>

圖4 Z向各工況墩臺頂位移云圖

圖5 展示了橋梁墩臺位移隨工程建設(shè)全周期的變化規(guī)律。圖中橫軸代表著不同上述施工工況，工況0 為施工尚未開始。由圖易知，在建設(shè)全周期中，Z軸的墩臺頂位移量要遠(yuǎn)高于其余X、Y兩個方向的位移。

圖5 墩臺頂3個方向位移變化圖

由圖5（a）、圖5（b)可知，在結(jié)構(gòu)建設(shè)運(yùn)營全周期中，X軸和Y軸兩方向的墩臺頂位移均小于0.1mm，且離下穿道路越近的橋樁，墩臺頂部的X、Y兩向位移越大。在X方向上，受道路運(yùn)營荷載影響，69#和71#樁有向新建道路傾斜的趨勢；在Y方向上，69#和71#樁同樣受影響最大。但在樁板結(jié)構(gòu)加固后，墩臺頂部的X、Y兩向位移都維持在極低水平上，均得到相應(yīng)的控制。由5（c)可知，墩臺頂?shù)腪向位移最大可達(dá)到約-0.55mm。首先在鐵路橋梁施工過程（工況1）完成后，幾個橋墩的平均沉降達(dá)到了約0.33mm，占總體沉降值的60%。隨后完成樁板結(jié)構(gòu)加固并進(jìn)行道路施工（工況2）后，沉降變化曲線處于平臺期，沉降值的變化十分微小，說明樁板結(jié)構(gòu)的加固效果明顯。當(dāng)鐵路上部結(jié)構(gòu)施工且開通運(yùn)營考慮列車動載（工況3）后，橋墩下沉進(jìn)一步發(fā)展，基本達(dá)到最終沉降值的水平，約占總體沉降值的40%。最后當(dāng)下穿道路開始運(yùn)營并且考慮道路運(yùn)營荷載后，部分橋墩的下沉略有發(fā)展，其余橋墩的位移變化不明顯，且基本表現(xiàn)為距離新建道路越近的橋基，下沉越明顯的規(guī)律。最終的3 個方向位移變化均小于規(guī)范所要求的2mm。

2.3.2 地層與橋樁受力情況分析

同樣，在經(jīng)過上述幾個主要工況的計算后，地層中的最大主應(yīng)力變化如下圖6 所示（注：圖中X方向和Y方向高度重合），在結(jié)構(gòu)建設(shè)運(yùn)營的全周期中，地層3 個方向的最大主應(yīng)力值均變化不大，且以豎向地層最大主應(yīng)力值為主。樁板結(jié)構(gòu)加固后市政道路運(yùn)營引起地層最大主應(yīng)力X、Y、Z方向變化增加值分別為0.0017MPa、0.001MPa、0.006MPa，說明樁板結(jié)構(gòu)加固后市政道路運(yùn)營對地層應(yīng)力影響較小。

圖6 地層3個方向最大主應(yīng)力值變化圖

既有特大橋（DK153+445.215）的68#～72#墩在鐵路橋橋樁與橋墩施工及加固樁板結(jié)構(gòu)后市政道路施工、鐵路橋上部結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營，市政道路運(yùn)營后各工況的樁身軸力變化如圖7 所示。市政道路運(yùn)營后各樁（68#～72#）累計軸力變化分別為-0.56kN、+51.28kN、+13.51kN、+37.0N 和-0.44kN。且最終的橋樁軸力大小排序?yàn)?1#＞70#＞72#＞69#＞68#，基本表現(xiàn)為距離下穿道路越近的橋基所受軸力越大，但各橋基軸力差別不大，證明了樁板結(jié)構(gòu)加固有效降低了道路運(yùn)營荷載對樁基軸力的影響，相較于原有軸力，增量可基本忽略，且各樁所受軸力均滿足設(shè)計文件中的單樁容許承載力。

圖7 橋樁軸力值變化圖

根據(jù)該特大橋施工圖資料可知，68#、69#、70#、71#、72#橋墩樁基最大允許軸力分別為4 479.5kN、5 771.2kN、6 516.6kN、7 124.8kN、6 688.4kN；市政道路運(yùn)營后的橋樁軸力分析見表3。

表3 市政道路運(yùn)營后的橋樁軸力（單位：kN)

3 道路下穿高鐵橋梁安全施工措施

通過上述的計算分析可知，樁板結(jié)構(gòu)加固后，建設(shè)運(yùn)營全周期的沉降主要發(fā)生在加固樁板結(jié)構(gòu)后市政道路施工和鐵路橋上部結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營期間。

3.1 樁板結(jié)構(gòu)施工

施工前應(yīng)對工點(diǎn)處的地下水、地表水的水質(zhì)類型進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，并根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果按照有關(guān)規(guī)范進(jìn)行處理。下穿段鉆孔樁有條件應(yīng)先于高鐵橋墩及基礎(chǔ)施工，減少鉆孔樁施工對高鐵橋墩及基礎(chǔ)的影響。

板梁混凝土澆筑前，應(yīng)先整平地面，壓實(shí)樁間土，再平鋪0.1m 厚的不低于C15 素混凝土，板梁混凝土應(yīng)一次澆注完成，混凝土入槽宜用平鋪法。鉆孔樁采用對稱、間隔施工。為防止鉆孔施工過程中出現(xiàn)地表層出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，采用樁基內(nèi)護(hù)筒跟進(jìn)施工工藝，離高鐵橋梁樁基較近的樁基，應(yīng)適當(dāng)增加鋼護(hù)筒長度，護(hù)筒底應(yīng)穿透填土、淤泥質(zhì)土層。

鉆進(jìn)過程中應(yīng)避免斜孔、塌孔和護(hù)筒周圍冒漿、失穩(wěn)等現(xiàn)象。板梁混凝土澆注應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程、規(guī)范要求辦理。施工用水及混凝土粗骨料均應(yīng)按要求做理化檢驗(yàn)，不得采用侵蝕水及具有侵蝕性的骨料。

梁體澆注前，應(yīng)確認(rèn)是否需要預(yù)埋接觸網(wǎng)支柱的預(yù)埋件。鋼護(hù)筒高度不小于2m 應(yīng)采取有效措施防止鉆孔縮孔或塌孔。樁底應(yīng)嚴(yán)格清孔，樁底沉渣厚度按不大于10cm 控制。鉆孔過程中若發(fā)生斜孔、塌孔和護(hù)筒周圍冒漿、失穩(wěn)等現(xiàn)象時，應(yīng)停鉆，待采取相應(yīng)措施后再進(jìn)行鉆進(jìn)。

3.2 加強(qiáng)監(jiān)控量測

本工程影響范圍的鐵路橋梁，應(yīng)進(jìn)行橋梁變形監(jiān)測。橋梁變形監(jiān)測分：施工前、施工過程中、鐵路運(yùn)營后三階段進(jìn)行。變形監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置：每個橋墩位置設(shè)置3 個變形監(jiān)測點(diǎn)：①墩身底部設(shè)置1個、墩頂左右各設(shè)1 個；②每墩位處3 個變形觀測點(diǎn)宜大致位于一個橫斷面上；③橋梁變形觀測點(diǎn)可利用在混凝土結(jié)構(gòu)上植入鋼釘設(shè)置，也可利用化學(xué)植筋方式在方便位置上設(shè)置變形監(jiān)測點(diǎn)。

3.3 其它措施

為減小市政道路下穿特大橋填（挖）筑和后期運(yùn)營荷載對鐵路高架橋樁基礎(chǔ)的影響，可考慮如下幾種措施。

1）在20m 范圍內(nèi)填（挖）筑路基應(yīng)該做充分的技術(shù)論證，不盲目施工，應(yīng)考慮填挖土方對周邊環(huán)境的影響，尤其在臨近高鐵基礎(chǔ)邊填挖土方時應(yīng)慎重。

2）高鐵安全范圍內(nèi)土方開挖不得大開大挖，高鐵橋墩附近禁止大型機(jī)械的震動施工，重型施工機(jī)具、施工便道等施工場地布置應(yīng)遠(yuǎn)離鐵路。

3）橋下道路施工期間，需嚴(yán)格控制施工，避免施工機(jī)械對橋梁的碰撞及損傷。

4）鐵路橋墩附近禁止堆放棄渣、棄土等堆載。

5）土方施工宜避開雨季施工。

6）鐵路安全范圍內(nèi)機(jī)動車道，應(yīng)在靠近鐵路橋墩側(cè)設(shè)置防撞墻，滿足對高鐵橋墩的防撞要求。

由于大范圍土體擾動和降水會造成其影響范圍內(nèi)的土體的后期變形增大，變形大小和范圍與土質(zhì)條件、擾動程度、降水范圍、水位下降量、降水持續(xù)時間等因素相關(guān)，因此，在施工過程中應(yīng)盡量減小對土體的擾動和控制施工降水范圍和水位下降量，盡量減小工程施工而影響既有鐵路的安全。

4 結(jié)論

以某市政道路下穿工程為工程背景，研究了新建道路下穿高鐵橋梁全周期施工關(guān)鍵技術(shù)，得到的主要結(jié)論如下。

1）采用樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是行之有效的施工措施，墩臺頂部的X、Y、Z3 個方向位移都維持在低水平上，均得到相應(yīng)的控制；

2）橋樁的Z向沉降主要發(fā)生在在橋墩施工和橋梁上部結(jié)構(gòu)施工及列車運(yùn)營兩階段，分別占比40%和60%，道路運(yùn)營階段影響極低。

3）樁板結(jié)構(gòu)加固后市政道路運(yùn)營引起地層最大主應(yīng)力X、Y、Z方向變化不大，增加值分別為0.0017MPa、0.001MPa、0.006MPa。

4）距離下穿道路越近的橋基所受軸力越大，市政道路運(yùn)營后各樁各橋基軸力差別不大。

在各種控制措施的綜合應(yīng)用下，有效控制了道路高鐵橋基的沉降變形，確保了高鐵橋梁的結(jié)構(gòu)安全和行車安全，可為今后類似工程提供借鑒。