基于橋墩位移影響的道路下穿運(yùn)營(yíng)高鐵方案比選分析

田佳成 TIAN Jia-cheng

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司杭州院，杭州 310000）

0 引言

隨著我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程的逐步增加以及城市不斷的外擴(kuò)發(fā)展，下穿高鐵橋梁的道路工程數(shù)量不斷增多。2018年4 月國(guó)家鐵路局頒布的《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB10182-2017）[1]（以下簡(jiǎn)稱《下穿規(guī)程》）對(duì)于路基結(jié)構(gòu)、U 型槽結(jié)構(gòu)、樁板結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等不同道路下穿方案的適用條件及限制性因素都進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。我國(guó)高鐵設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)到了300~350km/h，2021 年6 月國(guó)家鐵路局頒布的《鄰近鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全監(jiān)測(cè)規(guī)程》（TB10314-2021）[2]對(duì)于高鐵橋墩的位移變化范圍做出了嚴(yán)格的規(guī)定，因此各種下穿方案對(duì)橋墩的位移影響成為極其重要的比選因素。

1 工程概況

新建某道路需從既有杭深鐵路某大橋的11#和12#墩之間下穿，11#和12#墩均位于淤泥質(zhì)地層上，由于淤泥質(zhì)地層的特性，下穿道路可能影響杭深鐵路的安全性。此外，靠近12#墩有一地方防洪堤壩，本工程設(shè)計(jì)仍保留?？紤]到施工作業(yè)時(shí)，需對(duì)既有防洪堤壩進(jìn)行部分開(kāi)挖，可能造成堤壩失穩(wěn)，同步導(dǎo)致臨近高鐵橋墩發(fā)生變形，危及高鐵安全運(yùn)營(yíng)，現(xiàn)場(chǎng)位置示意如圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)位置示意圖

根據(jù)地勘資料，場(chǎng)地主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、細(xì)圓礫土、全風(fēng)化凝灰?guī)r等組成，地下水主要為為第四系孔隙潛水。各土層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

②-1 粉質(zhì)黏土層：灰黃色，軟可塑狀，干強(qiáng)度中等，韌性中等，具中等壓縮性。

②淤泥：灰色，流塑，切面較光滑，高韌性，干強(qiáng)度高，搖振無(wú)反應(yīng)，土質(zhì)不均。該層物理力學(xué)性質(zhì)較差，具高壓縮性。

③粉質(zhì)黏土層：灰褐色，硬可塑，干強(qiáng)度中等，中等韌性，切面較光滑，搖振無(wú)反應(yīng)，土質(zhì)不均。該層物理力學(xué)性質(zhì)一般，具中等壓縮性。

④細(xì)圓礫層：灰黃色，顆粒呈亞圓形、中風(fēng)化該層力學(xué)性質(zhì)好，但層頂埋深較深。

2 方案比選

本工程下穿鐵路段道路為直線，與鐵路中心線夾角為80°，涉鐵段總長(zhǎng)84.0m，縱坡為0.65%，建成后鐵路橋下凈空＞5.7m。新建道路橫斷面布置為：3.0m 人行道+2.0m 非機(jī)動(dòng)車道+14.0m 機(jī)動(dòng)車道。

《下穿規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定：“下穿工程采用鉆孔樁時(shí)，其與高速鐵路橋梁基礎(chǔ)樁的中心距在軟黏土等不良土層時(shí)，不宜小于6 倍下穿工程樁徑”、“除橋梁外，其他下穿工程結(jié)構(gòu)邊緣線投影不應(yīng)侵入高速鐵路橋梁承臺(tái)”、“橋梁、樁板結(jié)構(gòu)、路基護(hù)欄外側(cè)與高速鐵路橋墩的凈距不宜小于2.5m”。

結(jié)合本工程地質(zhì)勘察報(bào)告，由于有不良土層（淤泥層，厚約5m），且路基填方高度較高（4.0～5.0m）（《下穿規(guī)程》規(guī)定“路基填筑高度不大于1m 且地基土承載力大于180kPa 時(shí)才可采用路基方式下穿”），道路不應(yīng)采用路基結(jié)構(gòu)下穿既有鐵路，因此對(duì)樁板結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)兩個(gè)方案進(jìn)行比選。

2.1 樁板結(jié)構(gòu)

樁板結(jié)構(gòu)布跨采用3×8.0m+3×8.0m+3×8.0m=72.0m（不含伸縮縫），寬度20.0m（包含兩側(cè)防撞護(hù)欄），板厚0.7m，下部結(jié)構(gòu)采用φ0.8m 鉆孔灌注樁[3][4]。

表2 方案比選表

樁板結(jié)構(gòu)防撞護(hù)欄外邊距離鐵路11#橋墩邊緣最近距離為3.51m, 距離鐵路12#橋墩邊緣最近距離為4.96m。最外側(cè)鉆孔灌注樁中心距離既有鐵路11#橋墩樁中心最近為5.16m, 距離既有鐵路12#橋墩樁中心最近為6.48m。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)

由于本工程堤壩放坡處橋梁支座不能埋入土中，布跨采用1-20.0m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁+（15.0+25.0+15.0）m混凝土連續(xù)剛構(gòu)形式。

下穿鐵路段橋梁上部結(jié)構(gòu)（15.0+25.0+15.0）m 混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋中支點(diǎn)梁高2.2m，中支點(diǎn)兩側(cè)各6.0m 范圍梁高采用折線進(jìn)行過(guò)度，跨中梁高1.0m，中支點(diǎn)寬度2.0m。下部結(jié)構(gòu)采用φ1.2m 鉆孔灌注樁。

橋梁防撞護(hù)欄外邊距離鐵路11#橋墩邊緣最近距離為3.51m，距離鐵路12#橋墩邊緣最近距離為4.96m。最外側(cè)鉆孔灌注樁中心距離既有鐵路11#橋墩樁中心最近為7.58m，距離既有鐵路12#橋墩樁中心最近為7.44m。

3 數(shù)值模擬分析

經(jīng)驗(yàn)法只能對(duì)施工期間及結(jié)束后的高鐵橋墩位移、防洪堤壩穩(wěn)定性有一個(gè)大致的判斷，不能較準(zhǔn)確地估量出具體數(shù)值，也不能考慮三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的土體擾動(dòng)行為對(duì)高鐵橋墩及防洪堤壩的影響，而數(shù)值模擬方法的出現(xiàn)使我們對(duì)土體及上部結(jié)構(gòu)物的位移變形特性的模擬變得簡(jiǎn)單。通過(guò)有限元進(jìn)行分析時(shí)，主要有以下三個(gè)步驟：

①結(jié)構(gòu)離散化：結(jié)構(gòu)離散化就是將結(jié)構(gòu)分成有限個(gè)小的單元，單元與單元、單元與邊界之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接。結(jié)構(gòu)離散化是有限元分析的第一步，關(guān)系到計(jì)算精度與計(jì)算效率，是有限元的基礎(chǔ)步驟，包括以下三個(gè)方面：選擇單元類型；網(wǎng)格劃分；節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

②單元分析：通過(guò)對(duì)單元的力學(xué)分析建立單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

③整體分析：整體分析包括形成整體荷載列陣；形成整體剛度矩陣，得到總體平衡方程；引入邊界條件，求解總體平衡方程，求出節(jié)點(diǎn)位移。

表3 12# 橋墩頂累計(jì)位移匯總

表4 提壩累計(jì)位移匯總

本次數(shù)值模擬計(jì)算分析了在考慮下穿道路上部高速鐵路列車運(yùn)營(yíng)荷載作用下，防洪堤壩開(kāi)挖、道路施工、道路運(yùn)營(yíng)等工況對(duì)既有杭深鐵路安全運(yùn)營(yíng)的影響，選取下穿道路施工涉鐵范圍內(nèi)的巖土體和結(jié)構(gòu)物建立有限元計(jì)算模型。為考慮模型邊界效應(yīng)的影響，選取該計(jì)算模型的尺寸為：長(zhǎng)（y 向）90m，寬（x 向）90m，高（z 向）50m，模型長(zhǎng)、寬尺寸的選取原則是約11#橋墩和12#橋墩縱橋向距離的3倍，高度尺寸的選取原則約為鉆孔灌注樁入土深度的1.5倍。模型邊界條件為靜力邊界條件，具體為：模型底部施加完全固定約束，側(cè)面施加法向固定約束，不施加切向約束；模型上表面為自由邊界，無(wú)約束。該計(jì)算模型的土體采用修正的Mohr-Coulumb 本構(gòu)模型模擬，高鐵橋墩及樁基、樁板結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型模擬。土體計(jì)算參數(shù)結(jié)合本工程地質(zhì)勘察報(bào)告、工程地質(zhì)手冊(cè)及當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，取值以偏安全為原則。

為從整體上把握兩個(gè)方案的實(shí)施對(duì)既有高鐵的影響，結(jié)合工程地質(zhì)條件等，選用有限元軟件MIDAS/GTS NX 建立數(shù)值計(jì)算模型，以樁板結(jié)構(gòu)下穿為例[5]，共設(shè)置了4 個(gè)工況，分別為：

①工況1：橋墩施工場(chǎng)地應(yīng)力場(chǎng)平衡；

②工況2：堤壩開(kāi)挖；

③工況3：樁板結(jié)構(gòu)樁基施工；

④工況4：道路運(yùn)營(yíng)階段荷載施加。

在本次數(shù)值計(jì)算分析中，根據(jù)施工工序?qū)⒂?jì)算工況主要?jiǎng)澐秩缦拢菏紫龋瑢?duì)施工前原場(chǎng)地進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計(jì)算，即初始地應(yīng)力場(chǎng)模擬，計(jì)算得到施工前地基土體的應(yīng)力與位移狀態(tài)，將位移場(chǎng)清零；隨后，鈍化橋墩樁基附近土體，激活樁單元、承臺(tái)單元和橋墩單元，模擬橋墩施工后的地應(yīng)力場(chǎng)，同樣保留應(yīng)力狀態(tài)，將位移場(chǎng)清零；隨后進(jìn)行防洪堤壩開(kāi)挖，鈍化需要開(kāi)挖部分的單元進(jìn)行模擬；然后，開(kāi)展道路施工的模擬，即激活路面單元及相應(yīng)樁單元；最后，激活汽車荷載模擬道路運(yùn)營(yíng)對(duì)橋墩及堤壩變形的影響。

堤壩開(kāi)挖后有向臨空面方向的位移，但在橋墩附近土體由于橋墩的自重影響，位移趨勢(shì)不明顯；開(kāi)挖較深處回彈較大，且靠近臨空面土體豎向沉降更大，受影響范圍更廣。

從上述比較可知，無(wú)論方案一、方案二引起的橋墩墩頂在水平位移和豎向沉降均在高鐵橋墩位移（3mm）的要求范圍內(nèi)，但方案二橋面嵌入防洪堤壩的體積更大，即需要對(duì)堤壩的開(kāi)挖量更大，引起的高鐵12#橋墩墩頂位移遠(yuǎn)大于方案一引起的位移。

4 結(jié)論和建議

本文以某道路下穿高鐵為例，首先介紹了《下穿規(guī)程》中各種方案的要求，然后著重闡述了“樁板結(jié)構(gòu)”與“橋梁結(jié)構(gòu)”在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，最后通過(guò)有限元軟件分析了兩個(gè)方案對(duì)高鐵橋梁的影響。

主要結(jié)論如下：

①在滿足《下穿規(guī)程》相關(guān)橋墩凈距、樁間距等要求的基礎(chǔ)上，“樁板結(jié)構(gòu)”與“橋梁結(jié)構(gòu)”對(duì)高鐵橋墩的位移影響均在控制范圍；②方案比選應(yīng)著重根據(jù)不同項(xiàng)目的控制性因素，如周圍建筑物影響、造價(jià)預(yù)算等進(jìn)行考慮。

圖2 整體模型圖