新建鐵路下穿京滬高鐵設(shè)計及影響分析

徐京海

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司,上海 200070)

1 概述

隨著我國高速鐵路不斷發(fā)展,新建工程與高鐵交叉的情況日益增多。結(jié)合穿越鐵路營業(yè)線工程的相關(guān)經(jīng)驗,宜優(yōu)先選擇在高速鐵路橋梁地段下穿,可采用路基、橋梁、樁板結(jié)構(gòu)、U形槽等多種方案。

在下穿高鐵過程中,填土或開挖會引發(fā)相鄰已建成橋梁結(jié)構(gòu)的附加沉降、土體水平位移、樁側(cè)負(fù)摩阻力等一系列問題。已有學(xué)者開展相關(guān)研究,孫宗磊等針對下穿京滬高鐵橋墩布置方案,采用有限元程序進(jìn)行沉降影響分析[1];李耐振等對下穿高鐵的U形槽和樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析[2]。另外,下穿高速鐵路工程應(yīng)按規(guī)定對設(shè)計方案進(jìn)行專項咨詢[3-4]。不難看出,下穿高鐵工程必須進(jìn)行合理的分析預(yù)判,以減小其對高速鐵路的影響和確保高鐵運(yùn)營安全[5-9]。基于前人的研究,以新建連云港市-鎮(zhèn)江鐵路(以下簡稱連鎮(zhèn)鐵路)下穿京滬高鐵為例,對設(shè)計情況、影響分析及后期施工監(jiān)測情況進(jìn)行介紹。

2 設(shè)計情況

2.1 鐵路概況

連鎮(zhèn)鐵路左線、右線及京滬改線上行線、下行線共4處下穿京滬高鐵鎮(zhèn)江京杭運(yùn)河特大橋引橋(見圖1)。京滬高速鐵路是我國高速鐵路主通道,設(shè)計速度為350km/h,無砟軌道。下穿工點位于直線段,線路縱坡為-4‰,線間距為5m,除連鎮(zhèn)鐵路左線交叉處為(32+48+32)m連續(xù)梁(跨滬寧城際鐵路及既有京滬鐵路)外,其余均為32m簡支箱梁,橋面寬13.4m,雙柱式橋墩,鉆孔樁基礎(chǔ)。受接滬寧城際丹徒站平面條件限制,連鎮(zhèn)鐵路只能以45°左右下穿京滬高鐵,采用樁板結(jié)構(gòu),相對位置關(guān)系見表1、表2。

表1 新建結(jié)構(gòu)與京滬高鐵橋梁基礎(chǔ)平面距離關(guān)系

表2 新建結(jié)構(gòu)與京滬高鐵橋梁基礎(chǔ)立面高差關(guān)系

圖1 連鎮(zhèn)鐵路下穿京滬高鐵平面

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

樁板結(jié)構(gòu)是一種地基處理形式,主要由鋼筋混凝土樁基、托梁、托板組成。上部荷載通過托板傳遞到樁基,樁基把荷載擴(kuò)散到樁周土體或樁底巖層,從而達(dá)到控制沉降與變形的目的[10-11]。

樁板結(jié)構(gòu)平面布置:總長度為京滬高鐵橋梁梁體水平投影邊線外20m,新建樁基距離既有高鐵橋梁樁基距離不小于6D(D為樁徑)[12],結(jié)構(gòu)距離京滬高鐵承臺最小距離為2.18m。

樁板結(jié)構(gòu)立面布置:為滿足新建鐵路下穿京滬高鐵限界要求,高鐵橋梁下凈高均大于8m,新建結(jié)構(gòu)基本在既有橋承臺底高程以上,基坑開挖深度為0～2.5m。

樁板結(jié)構(gòu)板頂寬7.6m,長82m,分4聯(lián): (2-8+3-8+3-8+2-8)m;托板厚1.0m,托梁高1.5m,布置22根φ1.25m鉆孔樁(樁長30m),縱向間距為8m,橫向間距為4m。橋下地表水通過地表截水溝引出,京滬改線上、下行線下穿京滬高鐵的平立面見圖2、圖3(連鎮(zhèn)左線、連鎮(zhèn)右線下穿京滬高鐵樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計情況類似)。

圖2 京滬改線上、下行線下穿京滬高鐵平面(單位:cm)

圖3 京滬改線上、下行線下穿京滬高鐵立面(高程單位:m;其余:cm)

3 建模分析

有限元模型如圖4～圖6所示。計算模型中,土體、80號～82號高鐵橋墩和樁基礎(chǔ)、京滬改線樁基礎(chǔ)均采用實體單元模擬。模型共計337684個單元、340186個節(jié)點。順京滬鐵路方向為170m,橫橋向為140m,深度方向為90m。

圖4 有限元整體模型

圖6 土層分布

計算區(qū)域內(nèi),土層分布如圖7所示,分別為①1層素填土、④21層粉質(zhì)黏土(硬塑,180kPa)、④22層粉質(zhì)黏土(硬塑,200kPa)、④23層粉質(zhì)黏土(軟塑,160 kPa)、④24層粉質(zhì)黏土(硬塑,220kPa)、④11-1層黏土(硬塑,230kPa)、④25層粉質(zhì)黏土(硬塑,240kPa)。土層及混凝土力學(xué)參數(shù)見表3。

圖5 樁板結(jié)構(gòu)與京滬高鐵的相對位置

圖7 81號墩沉降變形計算結(jié)果

表3 各個土層及混凝土力學(xué)參數(shù)

為分析新建結(jié)構(gòu)對京滬高速鐵路的影響,數(shù)值分析計算步驟如下。

步驟1:初始階段;

步驟2:樁基施工;

步驟3:新建結(jié)構(gòu)托梁及附屬工程施工;

步驟4:通車運(yùn)營。

樁板結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)施工階段,80號～82號墩變形如表4所示。80號、82號墩都是以順橋向水平變形和沉降為主,最大值分別為0.29mm、0.27mm;81號墩以沉降變形為主,最大值為0.22mm。

表4 樁基施工階段80號～82號橋墩變形值mm

新建結(jié)構(gòu)托梁及附屬工程施工階段,80號～82號墩變形如表5所示。80號、82號墩都是以順橋向水平變形和沉降為主,最大值分別為0.57mm、0.52mm;81號墩以沉降變形為主,最大值為0.48mm。

表5 上部結(jié)構(gòu)施工階段80號～82號橋墩變形值mm

通車運(yùn)營階段,80號～82號墩變形如表6所示。在新建鐵路運(yùn)營荷載作用下,既有橋墩變形進(jìn)一步增大。80號、82號墩都是以順橋向水平變形和沉降為主,最大值分別為0.91mm、0.84mm;81號墩以沉降變形為主,最大值0.79mm。

表6 運(yùn)營階段,京滬高鐵80號～82號橋墩變形值mm

4 施工監(jiān)測

新建工程下穿高速鐵路施工及運(yùn)營均會對既有高鐵基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,應(yīng)加強(qiáng)對高速鐵路結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測,以保障高鐵運(yùn)營安全[13-15]。施工期間,對京滬高鐵80號、81號橋墩的墩身沉降和墩身水平位移進(jìn)行監(jiān)測,分析下穿樁板結(jié)構(gòu)施工對京滬高鐵的影響。施工前,先觀測、收集所有監(jiān)測點基準(zhǔn)數(shù)據(jù),原地面降土施工期間(約15d),監(jiān)測頻次為2次/d;鉆孔樁、托梁、托板施工期間(約2個月),監(jiān)測頻次為4次/d;附屬施工期間(約1個月),監(jiān)測頻次為1次/d;板樁結(jié)構(gòu)完成后,延續(xù)監(jiān)測1個月,直至沉降及平面位移變形趨于穩(wěn)定,監(jiān)測頻次為2次/周。

以81號墩為例,從2016年6月9日至2017年5月16日,沉降最大變化量均未超過預(yù)警值1mm(橫橋向和順橋向平面位移也均小于1mm)。81-1號監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論分析對比見表7,由表7可知,理論分析結(jié)果與實測值較為接近。沉降監(jiān)測點各期累計沉降曲線見圖8,由圖8可知,監(jiān)測期間各監(jiān)測點未發(fā)生異常情況,京滬高鐵線路橋墩沉降變形量較小,樁板結(jié)構(gòu)施工對京滬高鐵線路橋墩影響較小,均在安全可控范圍內(nèi)。

表7 監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論分析對比

圖8 沉降觀測點81-1號曲線變化

5 結(jié)語

(1)新建工程與運(yùn)營高鐵交叉采用樁板結(jié)構(gòu)下穿高鐵,可有效減少新建結(jié)構(gòu)對高鐵的影響。設(shè)計時應(yīng)注意控制新建樁基與既有高鐵橋梁樁基距離,一般不宜小于6倍樁徑(視地質(zhì)情況決定),新建結(jié)構(gòu)至既有高鐵橋梁邊線距離不小于20m,并盡量減少開挖深度。

(2)通過三維有限元數(shù)值計算分析和現(xiàn)場監(jiān)測,連鎮(zhèn)鐵路下穿京滬高鐵引起的高鐵橋墩頂部最大位移和沉降均小于1mm,滿足高鐵安全運(yùn)營變形控制要求。

(3)數(shù)值計算分析采用的計算參數(shù)與現(xiàn)場實際情況很難完全一致,導(dǎo)致計算結(jié)果與實測值有0.2mm左右的差異,施工時應(yīng)加強(qiáng)對高鐵結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測,以確保工程實施過程及完成后高速鐵路運(yùn)營的安全。