浙江軟土地區(qū)某河道開挖工程對(duì)既有鐵路安全運(yùn)營(yíng)的影響

何俊松

【摘 要】?文章基于地勘資料和設(shè)計(jì)方案，采用Midas GTS NX有限元數(shù)值模擬的手段，對(duì)河道開挖施工過(guò)程中對(duì)鄰近既有鐵路大橋位移的影響進(jìn)行了計(jì)算和分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)該工程進(jìn)行安全評(píng)估。計(jì)算結(jié)果表明：河道開挖施工對(duì)既有鐵路存在一定影響，但影響程度較小，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

【關(guān)鍵詞】河道開挖; 既有鐵路橋梁; Midas GTS NX; 有限元模擬上部結(jié)構(gòu)位移

近年來(lái)，隨著地方基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，鄰近既有高速鐵路運(yùn)營(yíng)線的河道開挖工程日益增多[1]，由于河道在開挖過(guò)程中，使得高速鐵路線下的土體區(qū)域受力平衡被打破，引起土體應(yīng)力重分布，最終對(duì)高速鐵路的路基和橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的位移[2]，特別是在發(fā)達(dá)的東南沿海軟若土地區(qū)（ 如杭州、上海等），其地層條件較差，既有高速鐵路線路旁進(jìn)行河道開挖工程施工更易引起高速鐵路路基的變形，從而危及到鐵路的安全運(yùn)營(yíng)[3]。因此，需要在開挖施工前對(duì)既有鐵路進(jìn)行安全評(píng)估，并提出規(guī)避和降低不利影響的建議措施以供參考。本文基于三維有限元軟件Midas GTS NX對(duì)杭州某河道開挖施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析河道開挖對(duì)既有鐵路的變形影響，并做出安全影響評(píng)估。

1 項(xiàng)目工程概況

1.1 河道開挖工程概況

河道開挖工程位于浙江省臺(tái)州市境內(nèi)，河道開挖的范圍距離既有鐵路最近約12 m，河道左岸開挖約98 m，右岸開挖約49.3 m，河道開挖處地表高程約5.34 m，此次河道開挖至河底高程-0.09 m，開挖深度約5.43 m。既有鐵路跨河道處橋梁，設(shè)計(jì)為一座四線橋和單線橋，四線橋?yàn)橹本€橋，橋?qū)?0 m，單線橋?yàn)榍€橋，曲線半徑1 200 m，橋?qū)? m，四線橋與單線橋間距為9 m。

1.2 既有鐵路橋梁參數(shù)

既有鐵路的等級(jí)為國(guó)鐵I級(jí)，軌道為有砟軌道。鐵路大橋孔跨型式為：（2-12 m）框架+（20+20）mT構(gòu)+5（2-12m）框架。該橋框架部分采用預(yù)應(yīng)力管樁（PHC500-B）進(jìn)行加固，T構(gòu)部分采用鉆孔樁基礎(chǔ)，T構(gòu)邊、中墩均為矩形實(shí)體墩，墩臺(tái)下方與承臺(tái)連接。大橋立面如圖1所示，樁位平面布置如圖2所示。（圖中只畫出距離本次河道開挖較近部分結(jié)構(gòu)，即框架①、⑤、⑥，邊墩②、④和T構(gòu)③）。

1.3 土層條件

根據(jù)地勘資料，大橋所在位置土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2 河道開挖設(shè)計(jì)方案

河道開挖工程設(shè)計(jì)方案在布置上，包括兩岸河道開挖以及開挖后左岸新建護(hù)岸長(zhǎng)度98 m，右岸新建護(hù)岸長(zhǎng)度49.3 m。

30左岸河道向左側(cè)開挖寬度約12 m，右岸河道向右側(cè)開挖寬度約6 m，兩岸均開挖至河底高程-0.09 m，開挖深度約5.43 m，從上至下依次采用1∶1.5放坡開挖+水平開挖+1∶2放坡開挖直至開挖到-0.09 m高程處，河道開挖后左岸采用漿砌塊石擋墻和松木樁進(jìn)行支護(hù)以及0.6 m厚的拋石護(hù)腳，右岸采用干砌塊石擋墻以及0.6 m厚的拋石護(hù)腳，最后分別回填擋墻后部分土體，并在地表填筑至6 m高程修建路面，路面寬度為3 m。

3 河道開挖數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

利用Midas GTS NX軟件對(duì)河道補(bǔ)償施工過(guò)程對(duì)既有鐵路影響進(jìn)行三維數(shù)值模擬，模型選取既有鐵路橋梁（包括單線和四線）的框架①、邊墩②、T構(gòu)③、邊墩④、框架⑤、框架⑥處周圍的巖土體和結(jié)構(gòu)物作為模擬對(duì)象，模型尺寸為：順橋向長(zhǎng)度200 m（Y向）、橫橋向?qū)挾?20 m（X向）、深度60 m（Z向），建立的模型如圖3所示，模型中地層分布如圖4所示。

3.2 模型邊界條件

幾何模型的邊界條件分別設(shè)置為：底部施加完全固定約束，側(cè)面施加法向固定約束，而切向方向不約束，模型的上表面為自由邊界、無(wú)約束。

3.3 本構(gòu)及參數(shù)選取

巖土體采用修正Mohr-Coulumb本構(gòu)模型模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系采用彈性本構(gòu)模型模擬[4]。巖土體計(jì)算參數(shù)參照地勘資料進(jìn)行取值。

3.4 施工工況設(shè)置

施工過(guò)程模擬按照實(shí)際施工順序分步進(jìn)行，本次模擬設(shè)置工況如下（圖5）：

工況1：場(chǎng)地初始應(yīng)力場(chǎng)平衡;

工況2：既有鐵路施工;

工況3：兩岸河道開挖;

工況4：兩岸擋墻、松木樁及拋石護(hù)腳施工;

工況5：兩岸擋墻后回填及地表填筑施工。

3.5 河道開挖對(duì)橋梁位移的影響

河道開挖工程施工完成后，對(duì)既有鐵路橋梁的上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移場(chǎng)如圖6所示，橋梁上部結(jié)構(gòu)頂部累計(jì)位移統(tǒng)計(jì)見表2。

由表中可以看出：既有鐵路大橋最大累計(jì)水平位移發(fā)生在單線橋框架⑥，為-0.05 mm;最大豎向累計(jì)位移也發(fā)生在單線橋框架⑥，為-0.08 mm。

4 結(jié)論與建議

參照現(xiàn)行規(guī)范要求[5]和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，河道開挖施工對(duì)既有鐵路大橋（包括四線橋和單線橋）安全運(yùn)營(yíng)影響的結(jié)論如下：

（1）對(duì)于四線橋：最大橫橋向累計(jì)位移發(fā)生在框架①，位移為0.03 mm;最大順橋向累計(jì)位移發(fā)生在框架⑥，位移為-0.04 mm;最大豎向累計(jì)位移發(fā)生在框架⑥，位移為-0.07 mm。四線橋上部結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移均滿足規(guī)范限制3 mm要求。

（2）對(duì)于單線橋：最大橫橋向累計(jì)位移發(fā)生在框架⑥，位移為0.08 mm;最大順橋向累計(jì)位移發(fā)生在框架⑤和⑥，位移為-0.04 mm;最大豎向累計(jì)位移發(fā)生在框架⑥，位移為-0.08 mm。單線橋上部結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移均滿足規(guī)范限制3 mm要求。

根據(jù)分析結(jié)果，河道開挖對(duì)既有鐵路存在一定影響，但程度較小，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，現(xiàn)根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果提出以下建議：

（1）在進(jìn)行河道開挖施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制開挖速率，且必須進(jìn)行分層開挖，建議開挖和填筑采用輕型機(jī)械，特別在橫橋東側(cè)30 m的范圍，以減少對(duì)鐵路的擾動(dòng)。

（2）為盡量減小施工過(guò)程中河道開挖對(duì)鐵路產(chǎn)生的不利影響，建議按開挖區(qū)到鐵路的距離，采取由遠(yuǎn)及近的方式進(jìn)行河道開挖。

（3）施工過(guò)程中以及施工過(guò)后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鐵路橋梁變形和位移情況的監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉建元，邱超.河道開挖對(duì)周邊土體影響的數(shù)值分析[J].山西建筑，2018，44（31）：61-62.

[2] 肖旺.基坑開挖對(duì)臨近城際鐵路車站承臺(tái)樁的影響評(píng)估分析[J].鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)，2018（4）：93-97.

[3] 禚一，張軍，宋順忱.軟土地區(qū)基坑開挖對(duì)臨近高鐵影響數(shù)值仿真分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014（2）：41-47.

[4] 李梅芳，豐月華，夏華盛.河道鄰近開挖對(duì)互通區(qū)橋梁及路基的影響分析[J].武漢交通職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，22（3）：74-79.

[5] 國(guó)家鐵路局發(fā)布《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2018，45（2）：14.

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