深厚軟土區(qū)城市道橋近距下穿京滬高鐵橋梁影響及處置研究

馮印

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

隨著地方經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)張、外延，越來越多的新建城市道路立體交叉高速鐵路，通常優(yōu)先選擇鐵路上跨、城市道路下穿高鐵已成為高鐵交叉工程主要技術(shù)方案。

城市道路建造過程中高鐵通常不限速，邊界約束對下穿工程的設(shè)計、施工要求非常嚴(yán)格，實(shí)施難度較大，近些年下穿構(gòu)筑物的建造與運(yùn)營已成為影響高速鐵路安全的主要因素之一。新建道橋施工會改變高鐵橋梁周邊土體應(yīng)力場，造成周圍土體的擾動，產(chǎn)生不可忽視的干擾與負(fù)面影響，設(shè)計時需進(jìn)行充分的數(shù)值分析與方案研究，評估下穿工程建造、運(yùn)營對高鐵橋梁的不利影響，以此選擇合適的設(shè)計、施工方案。

1 工程概況

某城市道路下穿京滬高鐵，雙向四車道，設(shè)計速度40 km/h，樁號K0+112～K0+202段道路采用橋梁下穿京滬高鐵秦淮河特大橋，道路斷面正寬近42 m，設(shè)中分帶。該城市道路與京滬高鐵交叉的平面圖、立面圖如圖1所示。

道路下穿高鐵主要有路基、“U”形槽、樁板結(jié)構(gòu)、橋梁等方案，經(jīng)比選該道路下穿采用(20+30+18+13+16+13) m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁在京滬高鐵秦淮河特大橋234#～236#墩之間下穿，道橋采用雙幅分幅布置，高鐵235#墩置于中分帶之間。與高鐵橋墩距離較近的1#墩、2#墩采用蓋梁樁式結(jié)構(gòu)，鉆孔樁樁徑1.2 m，樁長25 m，樁頂豎向荷載約2 500 kN，樁底置于弱風(fēng)化碳質(zhì)粉砂巖層。

京滬高鐵橋梁采用兩孔32 m整孔簡支箱梁上跨該城市道路，橋墩為圓端形實(shí)體墩，墩高14 m，墩身尺寸寬×長=3.0 m×8.0 m，承臺尺寸寬×長×厚=6.8 m×10.5 m×2.0 m，承臺接10φ1.0 m鉆孔樁，樁長分別為26.0(234#墩)、22.5(235#墩)、28.0 m(236#墩)。

2 位置關(guān)系

該道橋采用跨度30 m并列式簡支小箱梁在高鐵234#～236#墩之間分雙幅下穿，公、鐵路橋夾角約71°，道橋上方凈空約10.9 m。左半幅道橋在235#～236#墩之間下穿，道橋樁基與高鐵橋樁基最近中心距10.5 m，道橋橋面與鐵路橋墩最近距離1.4 m；右半幅道橋在234#～235#墩之間下穿，道橋樁基與高鐵橋樁基最近中心距9.5 m，道橋橋面與高鐵橋墩最近距離2.0 m。

圖1 城市道路與京滬高鐵交叉平、立面圖(單位：m)

3 地質(zhì)參數(shù)

京滬高鐵秦淮河特大橋工程地質(zhì)勘察報告揭示，交叉位置巖土層按其成因分類自上而下主要為：① 表層第四系全新統(tǒng)沖洪積層：粉質(zhì)黏土，硬塑且土質(zhì)較均勻，厚度約4.0 m；② 長江高階地坳谷第四系全新統(tǒng)沖洪積層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，軟塑且土質(zhì)較均勻，厚度約9.7 m；③ 侏紀(jì)中下統(tǒng)象山群：碳質(zhì)粉砂巖，全風(fēng)化層，原巖結(jié)構(gòu)基本風(fēng)化，巖芯呈土柱狀，巖性不均，厚度約1.0 m；強(qiáng)風(fēng)化層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈碎塊狀，厚度約4.7 m；弱風(fēng)化層，裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較軟，巖芯較破碎，局部夾砂巖，高鐵樁基持力層位于此弱風(fēng)化層。巖土層主要參數(shù)取值如表1所示。

4 數(shù)值分析

有限元軟件Abaqus對于巖土工程具有較強(qiáng)的使用性，能夠相對方便地進(jìn)行對比研究，采用該軟件分析道橋各施工方案對高鐵橋梁的影響，其中主要分析不同建造次序及道橋運(yùn)營加載對樁基位移、樁側(cè)摩阻力的影響，所引起的高鐵橋墩附加變形和樁基承載力改變。

仿真研究主要運(yùn)用的方法：① 應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)理論采用Mohr-Coulomb線彈塑性模型；②樁土接觸通過General Contact 模式實(shí)現(xiàn)自動識別計算，設(shè)置獨(dú)立摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)摩阻力計算；③ 利用單元生死技術(shù)模擬開挖過程。

分析主要分為4個步驟：① 施加重力，設(shè)置零樁側(cè)摩擦系數(shù)避免初始負(fù)摩阻力，進(jìn)行初始地應(yīng)力場平衡，位移清零；② 設(shè)定樁與不同土層的摩擦系數(shù)，施加鐵路荷載，進(jìn)行地應(yīng)力場平衡，位移清零；③ 模擬多種建造組合次序鉆孔樁施工過程；④ 將道橋樁頂荷載轉(zhuǎn)化為等效剪力，在不同土層道橋樁基與孔壁接觸面分段施加面剪力，以模擬運(yùn)營過程中道橋樁基加載。

表1 巖土層主要參數(shù)取用值

樁長、樁徑相異的樁間相互作用分析目前仍具有一定的局限性。該工點(diǎn)鉆孔樁施工過程模擬主要包括：① 將開挖的土體單元去除，同時將等效泥漿壓力施加于開挖孔壁；② 撤去泥漿壓力，將與流態(tài)混凝土等效的正壓力施加于孔壁，以模擬混凝土灌筑；③ 固定孔壁處單元水平位移，模擬混凝土樁身凝固。

4.1 分析方案

道橋采用分離式雙幅橋梁，兩半幅道橋大致對稱于京滬高鐵235#橋墩，故選取235#、236#高鐵橋墩為分析目標(biāo)。綜合考慮邊界效應(yīng)、土層條件、單元劃分等因素，模型寬度沿高鐵橋方向取80 m，公路橋方向取40 m，土層向下深度取35 m。采用三維單元減縮積分模擬，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，其中邊界條件選取頂面為自由面，四周取面對稱約束，底面取完全固定約束。模型示意圖如圖2所示。樁頂最不利荷載如表2所示。

圖2 模型示意圖

表2 樁頂最不利荷載

樁頂荷載的編號及方向如圖3所示，圖中PX、PY、NZ及MX、MY、MZ分別為樁頂軸力和彎矩。

圖3 荷載編號及方向

4.2 施工方案

結(jié)合設(shè)計方案、場地條件，考慮表3所示的4種建造次序。

4.3 分析結(jié)果

對于各承臺的樁基而言，外側(cè)樁位移及內(nèi)力的變化高于內(nèi)側(cè)樁，故以各承臺角樁的位移及內(nèi)力為主要研究對象。高鐵橋墩對應(yīng)樁的編號如圖4所示。

圖4 樁基編號

4.3.1 墩頂位移

道橋樁基鉆孔施工產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力解除會使土體向鉆孔中心部位產(chǎn)生水平位移，在應(yīng)力松弛和土體位移的影響下，高鐵橋的樁基會向道橋樁基鉆孔的方向產(chǎn)生水平位移，并會產(chǎn)生附加沉降?；炷翝仓广@孔孔壁的土體向外擠壓，從而引起高鐵橋樁基向遠(yuǎn)離鉆孔的方向產(chǎn)生水平位移，卻不能完全抵消由于鉆孔所引起的水平位移。

高鐵橋梁樁基作為被動樁，樁、土相互作用主要為樁與土之間的接觸，所受荷載與樁土相互作用處于動態(tài)的平衡狀態(tài)，并最終引起橋墩偏向，各建造次序引起的最不利墩頂位移如表4所示。

表3 各方案施工建造次序

從表4可知：① 引起235#墩X向(順橋向)變形最小的是方案3，X向變形為-0.11 mm，其原因?yàn)榉桨?樁基鉆孔對235#墩來說在X向最接近對稱分布；② 引起235#墩X向變形最大的是方案2，X向變形為0.82 mm，其原因?yàn)榉桨?樁基鉆孔先在垂直X向的單側(cè)施工；③ 引起235#墩Y向(橫橋向)變形最小的是方案3，Y向位移為0.40 mm，其原因?yàn)榉桨?樁基鉆孔對235#墩來說在Y向最接近對稱分布；④ 引起235#墩Y向變形最大的是方案1，Y向位移為1.45 mm，其原因?yàn)榉桨?樁基鉆孔先在垂直Y向的單側(cè)施工；⑤ 引起235#墩Z向(豎直向)變形最小的是方案1，最小Z向位移為-0.86 mm，其原因?yàn)?35#墩的左、右側(cè)分別進(jìn)行樁基鉆孔后再加載的疊加影響相對小些；⑥ 引起235#墩Z向變形最大的是方案4，最大Z向位移為-1.01 mm，其原因?yàn)?35#墩的四周同時進(jìn)行樁基鉆孔施工并加載。

表4 各施工方案引起的最不利墩頂位移

道橋樁基施工完成并施加樁頂荷載后，不同施工方案引起235#、236#墩墩頂?shù)淖罱K變形如表5所示。

從表5可知：不同施工方案引起墩頂最終變形有差異，不同施工方案引起的236#墩變形差異不大，但對235#墩頂變形的影響有相對明顯的差異，表中數(shù)值對選擇建造次序具有指導(dǎo)價值。

表5 施加外部荷載后最終墩頂變形

從引起的最終變形最小的角度來看，方案3引起235#墩X、Y、Z向的變形均較??；方案3引起的236#墩Z向變形最小，且X、Y方向的變形與不對稱施工方案接近。綜合比較不同建造次序引起的高鐵橋墩的過程與最終附加變形，方案3均為影響較小的施工方案。

4.3.2 樁側(cè)摩阻

鉆孔灌注樁樁側(cè)摩阻力的影響因素較多，如土層性質(zhì)、長徑比、土層深度、施工方法等。新建道橋?qū)σ堰\(yùn)營多年的京滬高鐵橋梁樁基而言，高鐵樁基本身的沉降變形已趨于完成，而在其附近近距離施工道橋樁基，土體鉆孔開挖、樁基混凝土灌注、外部荷載加載等均會引起高鐵橋樁基側(cè)土壓力變化，從而引起樁側(cè)摩阻力變化。樁側(cè)摩阻力最大變化值如圖5所示。

圖5 樁側(cè)摩阻力變化值(方案3)

由圖5可知：不論哪種施工順序，新建道橋樁基施工外加荷載時，即架梁、運(yùn)營時，高鐵樁側(cè)摩阻力減小最為明顯，樁基鉆孔、灌注混凝土工序?qū)Ω哞F橋樁基側(cè)摩阻力的影響比較有限，且各建造次序的影響效果趨于近似。既有高鐵橋樁周摩阻力的變化以減少為主要趨勢，從而影響樁基的承載能力。統(tǒng)計分析其減少幅度在5%以內(nèi)，不影響樁基的承載，施工方案的選擇應(yīng)以變形控制為主。

5 結(jié)論

高速鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)高，行車速度快，對橋梁結(jié)構(gòu)剛度、變形控制極為嚴(yán)格。新建道橋施工及運(yùn)營引起的地層擾動，不僅會使周圍土體產(chǎn)生沉降，也改變了附近既有樁基的承載能力。新建道橋施工、運(yùn)營會對其近距離的既有高鐵橋產(chǎn)生一定的不利影響，尤其是處在深厚軟土區(qū)高鐵橋梁，其主要體現(xiàn)在樁基承載力變化，以及基礎(chǔ)發(fā)生少量變形，致使橋墩產(chǎn)生不利的位移最終傳遞至無砟軌道結(jié)構(gòu)。

對某城市道橋下穿京滬高鐵橋梁進(jìn)行了精細(xì)數(shù)值分析，研究了新建道橋建造、運(yùn)營對高鐵橋梁的不利影響，得到以下主要結(jié)論：

(1) 不同的道橋基礎(chǔ)施工方案對高鐵橋的影響不同，對高鐵橋的影響主要表現(xiàn)在橋墩變形、樁基承載力方面，通過數(shù)值定量分析和定性判斷可以看出：方案的選擇應(yīng)以變形為主要控制要素。

(2) 采取對角對稱施工方案，可將對既有高鐵的不利影響控制在最小范圍內(nèi)，對于該工點(diǎn)而言，此種施工方案可控制橋墩水平附加最終變形在1 mm以內(nèi)，過程變形控制在2 mm以內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)程要求。

(3) 橋墩附件變形最大發(fā)生在施工過程中，高鐵同側(cè)雙幅道橋基礎(chǔ)鉆孔工況引起的墩頂變形最大，相反因土體彈性回縮和對側(cè)平衡鉆孔，最終位移不控制施工方案，設(shè)計和施工中應(yīng)加強(qiáng)對過程的控制。

(4) 不同施工方案引起高鐵樁周摩阻力變化，進(jìn)而影響樁基承載力總體減小，但影響的幅度有限，且最大值發(fā)生在道橋運(yùn)營加載過程，對該工點(diǎn)而言在5%以內(nèi)，考慮原鐵路橋設(shè)計樁基承載力尚有冗余，鐵路橋樁基承載能力仍在允許值范圍。