山区高速铁路对接型桥隧相连工程桥基位置确定方法

蒋钰峰，吴 光，匡经桃

(西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031)

近年来，成兰线、长昆线等山区高速铁路的兴建，使我国山区高速铁路的建造水平达到一个新的高度。山区修建铁路最大问题之一是要克服高差起伏的地形，所以桥梁和隧道成为穿越山区的最佳选择，许多桥隧相连工程也出现在峡谷两岸的高坡上。当隧道口边坡较缓，而路基建造困难时，常采用桥台在隧道外边坡上的对接型桥隧相连工程通过［1-2］。

由于地形地貌多样、地质条件复杂、水文环境各异，加上桥隧结构与边坡相互作用机理极其复杂，对接型桥隧相连工程如何确定桥基位置，在当前的铁路规范和手册中并没有明确规定。这方面的研究也比较缺乏，如何确定桥基的位置是一个有待考虑的问题。

若以隧道口底端中点为原点O，则对接型桥隧相连工程桥基埋置深度为y，水平距离为x。确定了x和y，也就确定了桥基的位置，见图1。工程中，难点在于缺少定量确定x和y的依据，从而使桥基位置的确定成为一个难题。合理的桥基位置不仅要确保铁路运行的安全，而且造价要低、工期要短，对环境的影响要小，总体上还要保证桥基边坡的稳定和施工安全。

为了确保桥基边坡的稳定，本文对边坡的局部和整体的稳定性进行分析。边坡局部稳定性主要与局部应力变化及局部塑性变形有关，边坡整体稳定性则主要依据边坡的稳定系数以及是否出现贯通的塑性变形区。结合长昆高速铁路客运专线雪峰山工点，通过现场调查研究和数值模拟，分析不同桥基设计位置的边坡整体和局部的稳定性，从而确定合理的桥基位置。

图1 位置示意

1 相连工程桥基位置确定依据

1.1 边坡整体稳定性

边坡上的桥梁大多采用桩基础。首先，桩基设计必须满足3个要求:①桩自身强度足够。也就是埋入土中的桩，在受到桥梁结构传递来的各种荷载作用时，桩与岩土的相互作用既确保桩具有足够的承载力，同时，又使桩基不致产生过大的沉降或沉降差。而且在水平荷载作用下，桩身不同截面的弯矩和挠度在容许范围内。②桩与其周围岩土间的作用是稳定的。本文中由于研究区属于岩质边坡，桩基为端承桩，所以不考虑桩与周围岩土间的作用。③桥隧相连边坡必须是稳定安全的。其次，桥基的合理位置需要考虑边坡岩土体的稳定性，当坡体不够稳定或基础埋深不够时，可能形成贯通的塑性区从而使桥基从边坡上剪出破坏。最后，还要考虑桩基底岩体的应力增量，当增量过大时，基底岩土体发生破坏，桥基可能失稳。

1.2 边坡局部稳定性

赵文提出基于第一主应力变化确定桥基位置的方法［3］。由于只计算第一主应力的变化，而未能全面考虑桥基荷载作用下边坡的应力变化情况。从岩体的屈服准则观点出发，认为可以用等效应力的变化情况来反映边坡岩体应力的变化。

在塑性力学中，等效应力定义如下

由上式可知，等效应力不表示实际作用在某个面上或点上的力，它是为了方便而将复杂的应力状态转化为具有相同“效应”的单项应力状态。

以应力变化系数η表示应力的变化

式中:σq为桥基荷载作用产生的基底附加等效应力;σ0为自重产生的坡体内岩土的原始等效应力。

本文在讨论桥基荷载对边坡岩体的影响范围时取η=0.1，同时把η=0.1作为桩基底应力变化的一个判定标准。若基底岩土体在桥基荷载作用下应力变化超过0.1，则认为基底岩体应力变化过大。

1.3 动力响应

行车过程中，由于车轮磨损不规则、轮的偏心、轨道几何不平顺、轨下基础缺陷、铁轨对接处状态不佳等众多原因，列车产生随机振动。列车振动传播过程中与桥基及周围岩土体相互作用，通过动力分析可以得到桥基边坡的动力响应参数，若动力响应较小，则可认为对边坡稳定有利［4-6］。

1.4 五个确定依据

本文采用2个定量标准和3个定性标准作为确定对接型桥隧相连工程桥基合理位置的判据:①桥基边坡的安全系数K;②桥基底部应力变化系数η;③桥基边坡是否出现贯通的塑性区;④桥基荷载的应力影响范围是否达到边坡坡面;⑤动力响应较小。

2 工程实例

拟建的长昆铁路客运专线在穿越山区时，出现了多处对接型桥隧相连工程。结合长昆铁路雪峰山一号隧道出口工点，运用上文5个判据计算分析得到合理的桥基位置。

2.1 工点概况

雪峰山一号隧道出口地貌单元属构造剥蚀中低山间河谷地貌(图2)，沟谷宽约150 m，多辟为农田、旱地，中间为一条宽约15 m的小溪。桥址区及附近海拔高程560～640 m，起伏变化较大。山坡地形较陡，坡面自然坡度15°～35°，植被发育。隧址地层上覆第四系残积层粗角砾土，下伏基岩为震旦系下统洪江组(Z1hj)灰绿色薄至厚层状绢云母板岩、砂质板岩、含砾砂质板岩，强～弱风化，岩体较完整，局部破碎［7］。

图2 雪峰山一号隧道出口地貌

2.2 桥基边坡安全系数计算方法

本文采用有限元强度折减法计算桥基边坡安全系数K。强度折减法在计算最小安全系数时，认为边坡的弹性模量E和泊松比ν不变，将黏聚力c和内摩擦角φ按下面方式逐渐减小，直到计算发散为止，将发散时的Fs作为最小安全系数［8-9］。边坡发生剪切破坏时的安全系数公式为

式中:cf，φf分别为折减后的黏聚力和内摩擦角;SRF为强度折减系数;τ为边坡的剪切强度;τf为折减后的剪切强度，τf=cf+ σntanφf，σn为正应力。

2.3 分析模型

由于线路正交于坡体，所以桥基位置主要是在线路纵向进行选择，因而建立桥基边坡分析模型时以考虑桥基边坡中心纵断面为主，将中心纵断面向两侧垂直方向拉伸建立数值分析模型。

2.4 计算参数

通过查阅相关文献及规范手册，结合现场原位试验和室内土工试验得到的结果，确定出岩土参数取值如表1所示。桥基荷载选用均布荷载作用于承台之上，数值在原设计基础上提高至800 kPa。地震工况采用顺坡向施加地震峰值加速度的方式加载。

表1 计算用岩土参数取值

2.5 桥基埋置深度的确定

为了确定出桥基的合理埋置深度，从10 m开始以5 m为间隔取至40 m，设定桥基承台距离边坡表面水平距离1 m，进行静力稳定分析和动力响应分析。

1)桥基边坡安全系数K

采用有限元强度折减法求得的不同桥基埋深的桥基边坡安全系数均在2.31～2.44。

2)桥基底部应力变化系数η

提取桩基底部不同位置在加载前后的等效应力值，计算后得到结果(图3)。

3)桥基边坡是否出现贯通的塑性区

经过比较各个桥基埋深的塑性区分布，可以发现桥基埋深15 m时，出现自承台下部贯穿到下部坡面的塑性变形区(图4(a))，其他埋深处(如20 m)虽然都出现范围不同的塑性区，但均未贯通(图4(b))。地震工况下，桥基边坡的塑性变形区分布与自然工况基本一致，只是塑性变形的值稍有增大。

图3 不同桥基埋深桩底应力变化趋势

图4 自然工况桥基边坡塑性区分布

4)桥基荷载的应力影响范围是否达到边坡坡面

取η=0.1，计算各个埋深下应力影响范围，发现只有25 m和40 m埋深应力影响范围未达到坡面，由此可见在距离坡面1 m时，桥基的应力影响范围是否达到坡面和桥基埋置深度关系不大。

5)动力响应是否较小

为了比较不同桥基埋深下边坡对列车动力响应的差异，提取了桥基边坡上距离承台外侧中心点最近的节点的顺坡向的位移、加速度分析结果绘制时程曲线，见图5。

由图可知，桥基埋深在10 m和15 m时，位移峰值明显大于其它埋深时的位移峰值，最大顺坡向位移值为0.176 mm。边坡顺坡向动力响应加速度峰值均＜0.05g。由此可知列车荷载作用下桥基边坡表面的动力响应较小，桥基边坡稳定。

综合以上的边坡稳定性分析和动力响应分析结果，发现当桥基承台距离坡面水平距离1 m时，在不同桥基埋深下边坡整体都是稳定的。由于桥基埋深对桥基荷载的应力影响范围是否达到边坡表面的作用不明显，因而可以推断桥基的合理埋置深度取决于桩基底应力的变化，依据前面的分析结果得出:桥基埋深应≥20 m。

图5 节点时程曲线

2.6 桥基水平位置的确定

桥基水平距离即桥基顶部桥台近斜坡边缘距离临空面的水平距离。以桥基埋深20，25 m为基础，建立桥基水平位置为5，10，15，20 m的模型进行计算分析。

1)桥基边坡安全系数K

采用有限元强度折减法计算得到不同桥基水平距离的桥基边坡的安全系数，见图6。

图6 边坡安全系数和应力影响范围

2)桥基边坡是否出现贯通的塑性区

经过计算发现，桥基埋深在20 m和25 m，4种不同水平位置的情况下均未出现贯通的塑性区。但是塑性区遵循随着桥基向坡内水平移动，桥基承台以下的外侧边坡表层塑性区的厚度变小，承台以上的边坡表层塑性变形区增加的规律。

3)桥基荷载的应力影响范围是否达到边坡坡面

取η=0.1，发现当桥基水平距离为5 m时，桥基应力影响范围恰好将要达到桥基边坡表面(图6)，5 m以后则未能到达边坡表面。由此可见桥基荷载的应力影响范围是否能达到桥基边坡表面，主要取决于桥基的水平距离，和桥基的埋深关系不大。

4)动力响应是否较小

由计算结果发现，在同一埋深下，水平距离越大，桥基边坡动力响应越小。水平距离为5～20 m时，桥基边坡表面的最大位移值为0.130 38 mm，加速度峰值＜0.05g，说明列车荷载作用下桥基边坡的动力响应小，桥基边坡稳定。

综合以上的边坡稳定性分析和动力响应分析结果，发现桥基水平位置在5～20 m时，桥基边坡都是稳定的，所以桥基水平位置应≥5 m。

3 结论

本文针对山区高速铁路对接型桥隧相连工程桥基位置确定问题，采用2个定量判定标准和3个定性判定标准，结合长昆线雪峰山一号隧道出口工点进行数值模拟试验并对结果加以分析，得到以下结论:

1)随着桥基内移，桥基施工对边坡的开挖增大，易形成高陡工程边坡，增加了工程量和安全隐患，所以桥基水平距离宜取5 m。埋深越深对桩基要求越高，在满足安全的前提下，过深的埋深造成了设计的浪费，因而桥基埋深宜取20 m。

2)对接型桥隧相连工程中，桥基边坡的塑性区是否贯通与桥基边坡安全系数大小无必然对应关系，因而分析边坡稳定性时将边坡安全系数和塑性区的分布放到一起综合考虑是合理可行的。

3)桩基底的应力变化随着桥基埋深增加而减少，桥基埋深＞20 m时，基底等效应力变化比率＜0.1。桥基荷载能否对边坡表层产生影响，主要取决于桥基的水平位置。

4)在高速列车振动荷载下，桥基边坡动力响应较小，但是由于缺少多种高速机车的振动荷载参数，还需深入研究探讨。

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