橋梁建設(shè)及運營過程對既有橋梁與路基的影響評估

孫艷鵬，王孝勇，胥雅韌，孫 遠(yuǎn)

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430014； 2.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

近年來，為滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展需要，鐵路路網(wǎng)不斷加密，大量新建線路將與既有線交叉、并行，從而引發(fā)大量的鄰近既有線施工。

鄰近既有鐵路橋梁施工時，周圍土層將產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而引起既有結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降變形。王升[1]研究了深基坑施工對既有高鐵橋梁的影響；張燕[2]分析了堆填工程對既有鐵路路基的預(yù)變形影響；左坤[3]研究了新建高鐵對緊鄰運營鐵路路基服役狀態(tài)影響；高立剛、李陽龍、鄧翔等[4-6]分析探討了基坑開挖對既有線路基的影響；M.F. Bransby等分析和探討了地面堆載引起的既有橋梁樁基礎(chǔ)的沉降和變形。但是，目前就新建鐵路橋梁施工對既有高速鐵路橋梁影響的研究還很少[7-8]。

客運專線對軌道平順度等指標(biāo)有著極高要求[9-10]。若新建橋梁施工不當(dāng)，引起結(jié)構(gòu)接縫處差異沉降過大，將影響既有橋上列車正常行駛，甚至引發(fā)安全事故。

因此，新建橋梁施工前需進(jìn)行安全風(fēng)險預(yù)測評估，并采取控制措施，保證既有橋上列車運營安全。為了評估橋梁建設(shè)與運營過程對既有橋梁與路基的影響，本文以新建鄭萬鐵路河南段聯(lián)絡(luò)線特大橋與既有鄭機(jī)城際鐵路交叉及并行段為背景，以受影響最大的鄭機(jī)城際鐵路路基及路基段的軌道和74#～71#橋墩基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)為主要檢算對象，借助有限差分軟件，分別對其路基變形、軌道變形以及樁基及結(jié)構(gòu)的沉降量、樁基承載力進(jìn)行分析，進(jìn)而評估新建橋?qū)扔需F路橋的影響程度，為類似工程提供參考。

1 工程概況

新建鄭萬鐵路與既有鄭機(jī)城際鐵路經(jīng)開站特大橋并行、交叉。鄭萬鐵路河南段聯(lián)絡(luò)線特大橋臨近鄭機(jī)城際鐵路，臨近路基段鄭萬鐵路里程為ZWSLDK0+279.260～ZWSLDK0+844.485，鄭機(jī)城際鐵路里程為K11+380～K10+770下行，相距最短距離為17.9 m，上跨鄭機(jī)城際鐵路里程為DK1+376～DK1+736，鄭機(jī)城際鐵路營業(yè)線里程為K10+130～K9+730上下行。交叉處鄭機(jī)城際鐵路經(jīng)開站特大橋處主梁采用32 m跨的簡支箱梁，橋墩為雙線圓端形橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)。兩線交叉處鄭機(jī)城際鐵路里程為K10+032.35，兩線夾角為15°，且其中上跨部分41#～45#橋墩已提前實施完畢。

鄭萬聯(lián)絡(luò)線特大橋與鄭機(jī)城際鐵路路基段相對位置如圖1所示。

圖1 鄭萬聯(lián)絡(luò)線特大橋與鄭機(jī)城際鐵路路基相對位置

鄭萬聯(lián)絡(luò)線特大橋與鄭機(jī)城際鐵路特大橋相對位置如圖2所示。

2 有限差分元分析

本文選取大型非線性通用有限差分軟件FLAC3D作為計算平臺。

該軟件利用三維網(wǎng)格的變形和移動模擬材料的屈服流動，能夠準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動，可以滿足本文對土體受力特性模擬的要求。

2.1 路基

2.1.1 模擬過程

建立既有路基與新建鐵路橋三維實體有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，其中計算模型土體尺寸為200 m×100 m×80 m，建模的主要步驟如下。

(1)建立初始應(yīng)力場。結(jié)合已有的不同土層剖面資料，按不同條件考慮土體的分層和重度；并考慮既有鐵路路基對初始應(yīng)力場的影響。

(2)建立連續(xù)介質(zhì)。使用線彈性樁單元模擬新建鐵路橋樁基礎(chǔ)，在樁土接觸面建立摩擦界面單元，以考慮樁土效應(yīng)；使用彈性實體單元模擬新建鐵路橋上部結(jié)構(gòu)及橋墩。

(3)定義邊界條件。約束土體模型的底面豎向平動自由度，側(cè)面橫向平動、縱向平動自由度，地表設(shè)為自由面；約束新建鐵路橋樁基礎(chǔ)繞z軸方向轉(zhuǎn)動自由度。

(4)定義施工階段。通過模擬新建鐵路橋施工階段，分析聯(lián)絡(luò)線特大橋靠近鄭機(jī)城際鐵路路基施工、運營階段對既有鄭機(jī)城際鐵路路基的影響。施工模擬工序見表1。

新建鐵路橋梁與鄭機(jī)城際鐵路路基空間位置和建模如圖3、4所示。

圖3 空間位置

圖4 計算模型

列車荷載參照ZK荷載取值，靜力荷載綜合取64 kN·m-1。ZK活載的計算如圖5所示。

圖5 ZK活載圖示

根據(jù)該工程的地質(zhì)勘察報告取值，并參照河南鄭州地區(qū)相關(guān)工程的地層參數(shù)取值，建模過程中所涉及的地質(zhì)土層、混凝土與鋼筋的主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 物理力學(xué)參數(shù)

2.1.2 路基沉降量

既有鐵路路基在樁基、墩柱等下部結(jié)構(gòu)施工階段的豎向位移云圖如圖6所示。

圖6 既有鐵路路基沉降云圖

由圖6可知，新建鐵路橋梁施工過程及運營階段將使既有鐵路路基向內(nèi)側(cè)發(fā)生一定傾斜，選取路基軌道處各點，可以得到各階段路基軌道沉降曲線，見圖7。

圖7 既有鐵路路基軌道隨施工步沉降曲線

圖7沉降曲線表明：新橋下部結(jié)構(gòu)施工與架設(shè)上部箱梁、施工橋面附屬設(shè)施階段，路基軌道沉降變化量最大，而新橋運營階段對既有路基軌道影響較小；且在遠(yuǎn)離施工位置處，軌道沉降變化量趨于定值；隨著里程接近施工點，沉降變化量逐漸增大，于ZWSLDK0+280附近達(dá)到最大值。

各工序下軌道的最大沉降及最大10 m弦如表3所示。

表3 新建橋梁引起的鐵路路基沉降統(tǒng)計

注：正值表示下沉，負(fù)值表示上浮，表中沉降值為累計沉降值。

2.1.3 路基水平位移

既有鐵路路基在樁基、墩柱等下部結(jié)構(gòu)施工階段的水平位移云圖如圖8所示。

圖8 既有鐵路路基水平位移云圖

從圖8可知，新建鐵路橋梁施工過程及運營階段將使既有鐵路路基向新建橋一側(cè)偏移，選取路基軌道處各點，可以得到各階段路基軌道水平位移曲線，如圖9所示。

圖9 既有鐵路路基軌道隨施工步沉降曲線

圖9沉降曲線表明：基礎(chǔ)開挖與新橋下部結(jié)構(gòu)施工階段，對周圍土體擾動最大，此時路基軌道沉降變化量最大；在遠(yuǎn)離施工位置處，軌道沉降變化量趨于定值；隨著里程接近施工點，沉降變化量逐漸增大，于ZWSLDK0+380附近達(dá)到最大值。

各工序下軌道的最大水平位移見表4。

表4 新建橋梁引起的鐵路路基水平位移

2.2 橋梁

2.2.1 模擬過程

與路基分析過程類似，建立既有鐵路橋與新建橋梁三維實體有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，其中計算模型土體尺寸為150 m×100 m×80 m，模擬新建鐵路橋施工階段，分析聯(lián)絡(luò)線特大橋46#、47#橋墩臨近鄭機(jī)城際鐵路橋梁工程施工(選取最不利斷面，承臺邊緣距離營業(yè)線橋下柵欄8.4 m)、運營階段對既有鄭機(jī)城際鐵路橋71～74號墩樁基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的影響。

施工模擬工序見表5。

表5 橋梁施工工序

新建鐵路橋梁與既有鄭機(jī)城際鐵路橋空間位置和建模分別見圖10、11。

圖10 空間位置

圖11 計算模型

列車荷載參照ZK荷載取值，靜力荷載綜合取值為64 kN·m-1，ZK活載的計算見圖5。

2.2.2 墩臺及上部結(jié)構(gòu)沉降量

橋梁基礎(chǔ)工后沉降為從橋上鋪軌完成時橋梁基礎(chǔ)底面以下土體壓縮層(持力層)產(chǎn)生的固結(jié)沉降。此時鐵路恒載已全部作用到了地基上，京滬線昆山試驗段進(jìn)行的樁基動載試驗研究證實，列車不會引起樁的累積沉降變形。因此，橋梁基礎(chǔ)工后沉降可按恒載作用下從鋪軌完成時基礎(chǔ)產(chǎn)生的固結(jié)沉降來計算。

通過相關(guān)地勘資料以及施工竣工圖紙，可以求得施工期2年、運營2年的鄭機(jī)城際鐵路相關(guān)既有橋梁的工后沉降，如表6所示。

表6 既有鄭機(jī)城際鐵路橋墩基礎(chǔ)工后沉降

既有橋梁橋墩及上部結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖和沉降云圖如圖12、13所示。其中從左至右依次為既有鐵路橋76#～71#號橋墩。

圖12 既有鐵路橋76#～71#橋墩及上部結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖

圖13 既有鐵路橋76#～71#號橋墩及上部結(jié)構(gòu)沉降云圖

由圖12、13可知，新建鐵路橋梁施工過程及運營階段對既有橋橋墩影響較小。統(tǒng)計以上各樁基在各工序的變形結(jié)果，如表6、7所示。

表6 新建橋引起的橋墩樁基累計沉降值 mm

表7 鐵路橋墩樁基單階段沉降值 mm

選取橋面軌道處各點，得到各階段橋面軌道沉降曲線，如圖14所示。

圖14 既有鐵路橋71#～74#上部軌道隨施工步沉降曲線

圖14沉降曲線表明，新橋下部結(jié)構(gòu)施工與架設(shè)上部箱梁、施工橋面附屬設(shè)施階段，橋面軌道沉降變化量最大，而新橋運營階段對既有橋軌道影響較小，各施工階段的沉降量均在DK20+715附近達(dá)到最大值。各工序下橋墩的差異沉降及軌道的最大10 m弦見表8。

表8 新建橋梁引起的鐵路橋沉降統(tǒng)計

2.2.3 樁基承載力

新建鐵路橋梁及運營后的列車荷載對結(jié)構(gòu)下的土體產(chǎn)生向下的摩擦力，即負(fù)摩擦力。負(fù)摩擦力會對樁基的極限承載力產(chǎn)生不利影響，并引起沉降量增加。本文將既有橋樁基礎(chǔ)軸力(圖15)與其新建橋通車運營階段自身樁基軸力(圖16)進(jìn)行比較，考察鐵路修建及運行對樁基礎(chǔ)的影響。因為新建橋修建對于場地土是一個持續(xù)加載的過程，故將最后一個施工階段(即通車運營階段)與城際鐵路橋梁自身樁基軸力進(jìn)行比較。通過FLAC3D計算，可得到74#～71#樁基礎(chǔ)在新建橋梁施工前和運營階段軸力的變化。

圖15 既有鄭機(jī)城際鐵路橋74#～71#墩樁基軸力

圖16 鐵路運營后既有鄭機(jī)城際鐵路橋74#～71#墩樁基軸力

將樁基承載力匯總于表9，可知各墩樁基軸力變化幅度較小且相近，最終軸力也均小于設(shè)計承載力。

表9 鐵路橋墩樁基承載力 kN

3 結(jié) 語

(1)聯(lián)絡(luò)線特大橋并行鄭機(jī)城際鐵路路基的施工對既有鄭機(jī)鐵路路基有一定影響，但是路基及上部結(jié)構(gòu)沉降量及水平位移均滿足規(guī)范要求。

(2)聯(lián)絡(luò)線特大橋臨近鄭機(jī)城際鐵路的施工對既有鄭機(jī)城際鐵路橋梁有較小影響，橋墩及上部結(jié)構(gòu)沉降量、樁基承載力滿足規(guī)范要求。

(3)施工期間對鐵路路基及列車軌道進(jìn)行變形監(jiān)測，一旦出現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止施工，啟動事故應(yīng)急預(yù)案處理；對觀測變形超標(biāo)的路基段，提出整改措施后再進(jìn)行施工，以保證鐵路運營的安全。

(4)對鐵路橋梁進(jìn)行實時監(jiān)測，并與數(shù)值分析結(jié)果相互校核，預(yù)測鐵路橋梁變形，指導(dǎo)聯(lián)絡(luò)線特大橋臨近鄭機(jī)城際鐵路的施工。