某新建軌道交通工程下穿既有高速鐵路橋梁方案研究

張文斌

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

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某新建軌道交通工程下穿既有高速鐵路橋梁方案研究

張文斌

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

摘要：以某城際軌道交通下穿杭甬高鐵橋梁工程為研究背景,為減少對杭甬高鐵運(yùn)營安全的影響,提出樁板路基及簡支梁橋兩種結(jié)構(gòu)形式下穿高鐵。并對新建的下穿結(jié)構(gòu)在施工期間及運(yùn)營階段下,利用樁土共同作用有限元程序Midas/GTS等有限元軟件,著重從樁基承載力、基礎(chǔ)沉降等方面分析土體擾動(dòng)對杭甬高鐵橋梁的安全影響。研究結(jié)果表明,樁板路基及簡支梁橋兩種結(jié)構(gòu)形式下穿既有高鐵橋梁均是可行的。

關(guān)鍵詞：下穿高鐵橋梁；樁板結(jié)構(gòu) ； 橋梁結(jié)構(gòu)；樁基承載力；沉降分析

1研究背景

圖1　新建城際軌道交通工程與杭甬客運(yùn)專線平面關(guān)系

某新建城際軌道交通工程區(qū)間正線及出入段線分別下穿杭甬高鐵柯橋特大橋，新建線路與既有高鐵正交，如圖1所示。交叉處既有高鐵橋下凈空為12.8 m。既有橋112號～113號墩上部結(jié)構(gòu)采用32 m簡支箱梁，113號～114號墩上部結(jié)構(gòu)為24 m簡支箱梁。因線路引入條件受車輛段場地高程控制，該處不考慮隧道下穿方式，僅考慮以樁板路基及橋梁結(jié)構(gòu)兩種下穿方式。新建城際軌道交通距離杭甬高鐵橋墩基礎(chǔ)較近，故需通過計(jì)算新建城際軌道交通樁板結(jié)構(gòu)或橋梁結(jié)構(gòu)對杭甬高鐵柯橋特大橋的結(jié)構(gòu)影響，確定下穿方案的可行性。

2下穿處高鐵橋梁概況

新建城際軌道交通采用城市軌道交通制式，車輛類型為城軌B型車，設(shè)計(jì)速度100 km/h。杭甬高鐵為雙線電氣化鐵路，設(shè)計(jì)速度為350 km/h，線間距5.0 m，無砟軌道。杭甬高鐵柯橋特大橋在112號～114號墩之間上部結(jié)構(gòu)為簡支箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用矩形實(shí)體墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。其中112號墩采用9根φ1.0 m樁基，樁長為54.5 m；113號及114號墩采用8根φ1.0 m樁基，樁長分別為54.0 m及44.5 m。

新建線路下穿杭甬高鐵處，地形較平坦，地層巖性自上而下為人工填土、黏性土、淤泥質(zhì)土、粉土、砂類土、礫石類土，下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)凝灰?guī)r。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，地震動(dòng)峰值加速度為 0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)判定，橋址區(qū)內(nèi)場地土為軟土～巖石，橋址場地類別為Ⅲ類。

3新建城際軌道交通工程下穿杭甬高鐵方案擬定

3.1樁板結(jié)構(gòu)下穿杭甬高鐵方案

由于下穿點(diǎn)處地層條件欠佳，若采用常規(guī)路基則需對路基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。為減小路基施工過程對既有高鐵樁基兩側(cè)土層的擾動(dòng)，該處路基考慮采用樁板結(jié)構(gòu)(由下部的鋼筋混凝土樁基和上部的鋼筋混凝土承載板組成，承載板直接與軌道結(jié)構(gòu)連接)形式。

路基樁板結(jié)構(gòu)承載板底部設(shè)置鉆孔灌注樁，樁徑1.2 m，樁橫向間距3～4 m，縱向間距4.5 m，兩處承載板寬分別為12.2 m及5.2 m，板下樁長均為40.0 m。四跨一聯(lián)，每跨4.5 m，每聯(lián)18 m。相鄰兩聯(lián)之間設(shè)置托梁，寬1.6 m、高1.5 m，托梁與承載板搭接，承載板厚1.0 m。具體布置詳見圖2。

圖2　路基樁板結(jié)構(gòu)與杭甬高鐵橋墩位置關(guān)系剖面(單位：m)

3.2橋梁結(jié)構(gòu)下穿杭甬高鐵方案

新建橋梁位于112號墩～113號墩及113號墩～114號墩之間，分別以雙線橋及單線橋下穿既有杭甬高鐵，均采用30 m跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁穿越杭甬高鐵橋底。

新建橋梁基礎(chǔ)設(shè)置于既有高鐵結(jié)構(gòu)投影面兩側(cè)，112～113號墩間新建橋梁基礎(chǔ)采用4根1.2 m樁基，113～114號墩間新建橋梁采用4根1.0 m樁基，樁長均為45 m。由于新建橋軌頂至既有橋梁底最小凈空僅為8.4 m，該處沒有采用架橋機(jī)運(yùn)架條件，故考慮采用現(xiàn)澆法施工。具體布置詳見圖3。

圖3　橋梁結(jié)構(gòu)與杭甬高鐵橋墩位置關(guān)系剖面(單位：m)

4有限元分析

4.1分析手段及模擬過程

有限元程序分析采用Midas/GTS大型巖土工程計(jì)算軟件。Midas/GTS中，本工程土體單元采用自動(dòng)實(shí)體劃分單元網(wǎng)格，單元為四節(jié)點(diǎn)的四面體單元，計(jì)算工況見表1。通過新建工程施工階段的分析，建立三維實(shí)體有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，主要簡化如下。

表1　新建結(jié)構(gòu)計(jì)算工況

注：內(nèi)力計(jì)算為累積計(jì)算過程，下一工況均在上一工況基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。位移計(jì)算工況3之前為累積計(jì)算過程，下一工況均在上一工況基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，工況4僅僅是位移清零，而內(nèi)力未清零，因此工況6位移計(jì)算是在工況5基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。

(1)初始應(yīng)力場的模擬：根據(jù)柯橋特大橋竣工圖提供的地質(zhì)資料，考慮不同的土體分層厚度和重度，并考慮既有杭甬高鐵橋墩初始應(yīng)力場的影響。

(2)連續(xù)介質(zhì)的模擬：有限元數(shù)值計(jì)算中土體采用“莫爾-庫倫(M-C)”土體彈塑性模型，杭甬高鐵橋樁基礎(chǔ)采用線彈性樁單元模型，同時(shí)建立摩擦界面單元(考慮了土體和樁結(jié)構(gòu)之間的相互作用)；Midas/GTS中3D樁單元能與土體自動(dòng)耦合，能模擬土體和樁之間相互作用。

(3)邊界條件的模擬：計(jì)算土體的底面約束豎向z位移，側(cè)面分別約束橫向x、縱向y位移，地表為自由面；鐵路橋樁基礎(chǔ)約束z方向的轉(zhuǎn)角。

(4)施工階段的模擬：通過有限元軟件的“激活單元、鈍化單元”模擬新建城際軌道路基樁板結(jié)構(gòu)或橋梁結(jié)構(gòu)的恒載，以及運(yùn)營列車荷載對既有柯橋特大橋基礎(chǔ)112號～114號墩樁基礎(chǔ)的影響。整體計(jì)算模型如圖4、圖5所示。

圖4　新建樁板結(jié)構(gòu)有限元模型

圖5　新建橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

4.2計(jì)算結(jié)果4.2.1樁板結(jié)構(gòu)

(1)沉降

新建城際軌道交通樁板結(jié)構(gòu)引起柯橋特大橋112號～114號墩樁基沉降量最大值分別為3.0、3.7、2.5 mm?；A(chǔ)沉降計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　柯橋特大橋墩墩頂沉降值　mm

(2)單樁承載力

從工況2～工況6階段，新建城際軌道交通樁板結(jié)構(gòu)施工后，杭甬高鐵柯橋特大橋112號、113號、114號樁基軸力與容許承載力結(jié)果見表3。

表3　單樁承載力　kN

4.2.2橋梁結(jié)構(gòu)

(1)沉降

新建城際軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)引起柯橋特大橋112號～114號墩樁基沉降量最大值分別為3.4、4.1、2.5 mm?；A(chǔ)沉降計(jì)算結(jié)果見表4。

表4　柯橋特大橋墩墩頂沉降值　mm

(2)單樁承載力

從工況2～工況6階段，新建城際軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)施工后，杭甬高鐵柯橋特大橋112號、113號、114號墩樁基軸力與容許承載力結(jié)果見表5。

表5　單樁承載力　kN

4.3結(jié)果分析

(1)沉降

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB 10621—2009)規(guī)定，墩臺(tái)基礎(chǔ)的沉降量應(yīng)按照恒載計(jì)算。對于無砟軌道橋面橋梁，其墩臺(tái)均勻沉降量限值為20 mm，靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺(tái)沉降量限值為5 mm。

從表2和表4可知：考慮杭甬高鐵自身沉降和新建城際軌道交通對其影響，無論新建城際軌道交通采用樁板結(jié)構(gòu)還是橋梁結(jié)構(gòu)，最大沉降量均發(fā)生在113號墩，最大沉降量分別為14.4 mm 及14.8 mm；相鄰墩臺(tái)最大沉降發(fā)生在113號墩和114號墩之間，最大沉降差為分別為1.4 mm及1.8 mm。相鄰墩臺(tái)之間沉降差均小于5 mm，墩臺(tái)最大沉降量小于20 mm，滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB 10621—2009)規(guī)范要求。

(2)單樁承載力

從表3和表5可知：無論新建城際軌道交通采用樁板結(jié)構(gòu)還是橋梁結(jié)構(gòu)，由于附加應(yīng)力的影響，柯橋特大橋112號墩～114號橋墩樁基軸力有所增加，但均未超過其單樁容許承載力。因此，既有橋單樁承載力滿足安全要求。

5結(jié)論及建議

(1)通過對既有橋橋樁沉降及承載力安全影響分析可知，新建城際軌道交通無論以路基樁板結(jié)構(gòu)或橋梁結(jié)構(gòu)下穿杭甬高鐵時(shí)，均能滿足鐵路規(guī)范相關(guān)規(guī)定，兩種方案均是可行的。

(2)經(jīng)核算樁板結(jié)構(gòu)工程造價(jià)較橋梁結(jié)構(gòu)略低，但其結(jié)構(gòu)樁基距杭甬高鐵橋樁近，樁基在施工階段對杭甬高鐵橋樁樁周承載力影響略大。

(3)由于橋梁結(jié)構(gòu)采用支架現(xiàn)澆法施工，施工過程中支架自重及梁體自重較大，引起既有杭甬高鐵橋樁樁基沉降量也較樁板結(jié)構(gòu)大。故建議在施工時(shí)采用少支架施工方法，支架基礎(chǔ)可布置于既有橋投影面兩側(cè)并采用貝雷梁支架跨，以減小因支架搭設(shè)及梁體自重引起的土層擾動(dòng)。而板樁結(jié)構(gòu)樁基施工時(shí)需根據(jù)橋下凈空情況及安全作業(yè)高度，可采用沖孔灌注樁，鋼筋籠分節(jié)吊裝焊接。

(4)新建軌道交通下穿高鐵工程在施工時(shí)，僅通過理論分析仍存在一定的誤差，因此現(xiàn)場監(jiān)控量測是工程中必不可少的手段。在施工過程中，對每個(gè)測點(diǎn)施工前后的高程進(jìn)行及時(shí)觀測，以便觀察各點(diǎn)的撓度及曲線的變化歷程，以保證既有橋梁結(jié)構(gòu)安全。

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Study on a New Rail Transit Project Passing bellow Existing High-Speed Railway BridgeZHANG Wen-bin

(Bridge Design Institute, China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing102600, China)

Abstract：With reference to an urban transit passing below the existing Hangzhou-Ningbo high-speed railway bridge, this paper puts forward two kinds of structure forms to pass bellow the existing railway in order to reduce the influence on Hangzhou-Ningbo high-speed rail operation. One form is the pile board subgrade and another is the simply supported girder bridge. Such finite element software as Midas/GTS pile soil interaction finite element program is employed to analyze the effect of soil disturbance on the safety of the bridge in perspective of pile foundation bearing capacity and foundation settlement. The results show that the pile board subgrade and the simply supported girder bridge are both practical to pass bellow high speed rail bridges.

Key words：Passing below high-speed railway bridge; Pile board structure; Bridge structure; Bearing capacity of pile foundation; Settlement analysis

中圖分類號：U441+.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.018

文章編號：1004-2954(2015)05-0082-04

作者簡介：張文斌(1983—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：zhangwenbin@t5y.cn。

收稿日期：2014-08-15； 修回日期：2014-09-01