高铁桥梁下某新建道路工程对高铁桥梁的影响

李 明 波

(南京市科技创新投资有限公司，江苏 南京 210026)

高铁桥梁下某新建道路工程对高铁桥梁的影响

李 明 波

(南京市科技创新投资有限公司，江苏 南京 210026)

利用有限元软件Plaxis 3D对宝善寺路下穿京沪高铁工程进行了模拟计算，并以高铁桥墩墩顶和桩基变形为研究对象，对比了两种不同道路设计方案对高铁桥梁影响的异同，通过计算分析得出了较优方案，可供类似工程参考借鉴。

新建道路，高速铁路，桥墩桩基，有限元法

近年来，我国高速铁路建设飞速发展，截至2013年年底，我国高速铁路运营里程已突破1万km，成为世界上高速铁路运营里程最长的国家。高速铁路多采用“以桥代路”的方式，而且常从市区穿过，往往将整个城市一分为二，而城市的规划往往又跟不上高铁建设的步伐，于是就有了新建道路下穿高铁桥梁的问题。然而，高速铁路对线路平顺性控制要求严格[1]，新建道路施工对高铁桥梁变形的影响问题关乎高铁安全，引起了人们的广泛关注。 本文以宝善寺路下穿京沪高铁工程为背景，应用有限元法建立三维整体模型，考虑最不利施工情况下，以高铁桥墩墩顶和桩基变形为分析对象，对比分析简支梁桥方案和桩板梁桥方案对高铁桥梁的影响，可以为类似道路下穿高铁工程的设计和施工提供参考。

1 工程概述

京沪高速铁路秦淮河特大桥位于南京市江宁区境内，桥址处地势平坦，上部土层为洪积层，地质条件较差，下覆泥质粉砂岩和粉砂岩。拟建宝善寺路为城市次干道，于京沪高铁167号～169号墩之间分双幅下穿，公路桥与铁路桥夹角为65°，桥上净空近9 m，桥面与铁路桥墩最近距离约2.1 m。下穿处高铁桥梁为32 m+24 m简支箱梁，桥墩采用矩形双柱实体墩，桩基为10-φ1.0 m钻孔桩，桩长19.5 m～21.0 m。工程平面布置如图1所示，桥址区地层分布如图2所示。拟采用简支梁桥和桩板梁桥两种公路桥梁方案下穿高铁，本文通过有限元计算对比分析确定较优方案。

2 有限元计算模型

本文有限元计算通过商业有限元软件Plaxis 3D实现，该软件已成功的应用于许多岩土工程中[2,3]，软件采用的土体硬化模型由Schanz和Vermeer[4]于20世纪90年代提出，是一个硬化塑性本构模型，其应力应变曲线符合Duncan-Chang双曲线关系，遵循Mohr-Coulomb破坏准则。

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 简支梁桥方案

采用三跨20 m+30 m+20 m预应力简支小箱梁，桥墩采用桩柱式，桩基为单排φ1.2 m钻孔灌注桩基础(面积等效为边长1.06 m的正方形桩)。根据设计尺寸建立有限元模型，采用10节点六面体等参单元划分网格，整体网格模型如图3所示(仅考虑了距高铁桥梁30 m内的道路桥梁施工对高铁的影响)。土体采用实体单元模拟，本构模型为土体硬化模型(Hardening Soil Model)；桥墩和承台也用实体单元模拟，为线弹性本构模型；高铁桩基用嵌入桩单元模拟。将高铁桥梁上部荷载换算成均布荷载后，作用在桥墩的墩顶。模型四周侧面及底部均施加法向约束，模型顶面自由无约束，采用笛卡尔坐标系，高铁纵向为Y轴(指向大里程为正)，铅直向上为Z轴正方向，X轴按右手定则确定。

根据地质勘查资料，岩土材料选取的有限元计算参数如表1所示，混凝土材料的弹性模量取31.5 GPa，泊松比为0.2，重度为25.0 kN/m3。

表1 岩土材料有限元计算参数

2.1.2 桩板梁桥方案

采用六跨(2×10+2×12+2×10)m桩板连续梁，桥墩采用桩柱式，桩基采用φ1.0 m 钻孔灌注桩(面积等效为边长0.89 m的正方形桩)。有限元模型参数设定与简支梁桥相同，整体网格模型如图4所示。

2.2 计算方案

依据道路修建的施工工序，模拟计算的主要工况包括：钻孔灌注桩钻孔、钻孔灌注桩浇筑、灌注桩全部施工完成、施加梁体及运营荷载。钻孔灌注桩钻孔模拟通过单元“生死”实现，把需要开挖的单元“杀死”，即把相应单元的刚度矩阵设置为一很小数值，并在孔周施加与泥浆护壁压力相当的分布荷载来维持孔壁稳定。钻孔灌注桩浇筑过程把“杀死”的桩体单元激活并赋予新的材料。模拟钻孔灌注桩施工时，仅考虑了对高铁桥墩横向位移最不利的工况，即先把高铁桥梁一侧钻孔灌注桩全部钻孔完成，然后进行同时浇筑。梁体荷载根据实际梁体几何尺寸计算得到，运营荷载考虑为均匀分布在桥面的静荷载，大小为15 kPa。

3 结果与分析

以高铁桥墩墩顶位移和桩基变形为研究对象，比较两种公路桥梁方案对高铁桥墩桩基的扰动程度，并进行结果分析和影响评估。简支梁桥方案的计算结果如图5和图6所示(图例中：ZK表示钻孔灌注桩钻孔、JZ表示钻孔灌注浇筑、GZ表示灌注桩全部施工完成、LT表示施加梁体及运营荷载)，这里只给出了中间墩(168号墩)和距离道路桥梁较近的边墩(169号墩)的变形情况。从图6中可知，道路修建过程中高铁桩基的最大横桥向变形为0.38 mm(168号墩)，最大顺桥向变形为0.41 mm(169号墩)。对于168号墩，道路桥梁施工过程中，对其横桥向变形影响较大，造成影响最大的工况为一侧钻孔灌注桩钻孔，后续工况会逐渐使这部分变形减小。因此，控制168号墩变形可从控制钻孔灌注桩施工顺序着手，尽量采取高铁桥梁两侧对称钻孔的施工方法。而对于边墩(169号墩)，道路桥梁施工工程中，其横桥向变形变化不大，顺桥向变形逐渐增大，但计算过程中没有考虑高铁桥梁梁体顺桥向的支撑作用，计算结果偏保守。

桩板梁桥方案道路桥梁施工过程中，高铁桩基的变形规律与简支梁方案基本类似，但道路修建过程中高铁桩基的最大横桥向变形为0.37 mm(169号墩)，最大顺桥向变形为0.64 mm(169号墩)。桩板梁桥方案桩基的横桥向变形与简支梁桥方案相近，但顺桥向变形为简支梁桥方案的1.56倍；两方案高铁桥墩墩顶的最大变形对比如图7所示，可知，桩板梁桥方案高铁桥墩墩顶变形均大于简支梁桥；而且简支梁桥可进行预制架设，而桩板梁桥需现场浇制，且高铁桥下有钻桩作业。因此，本工程采用简支梁桥方案更有利于保障高铁桥梁安全。

4 结语

以宝善寺路下穿京沪高铁工程为背景，应用有限元法对比分析了简支梁桥方案和桩板梁桥方案对高铁桥梁的影响，结果表明：三维有限元全过程动态分析是评估新建道路下穿高铁工程对高铁桥梁影响大小的有效途径；简支梁桥方案和桩板梁桥方案中，高铁桥墩桩基和墩顶的变形，均满足TB 10621—2009高速铁路设计规范(试行)中的规定[1]，但简支梁桥方案高铁桥墩变形相对较小，且不需在高铁桥下进行钻孔作业，更利于保障高铁桥梁安全。

[1] TB 10621—2009/J 971—2009，高速铁路设计规范(试行)[S].

[2] 刘宗振，王 岩.基于Plaxis 3D的板桩墙基坑支护数值模拟[J].当代化工，2014(8)：1580-1583.

[3] 徐雪松，王婷婷.基于Plaxis 3D空间的钢圆筒围护结构稳定性控制[J].水运工程，2014(10)：161-164.

[4] Schanz T,Vermeer A,Bonnier P G.The hardening soil model: formulation and verification[C].Taylor & Francis，1999：1，281.

Impact of new highway bridge road engineering upon express railway bridge

Li Mingbo

(NanjingScienceandTechnologyCreationInvestmentCo.,Ltd,Nanjing210026,China)

The paper carries out simulation computation for Baoshan temple road under-crossing Jing-Hu express railway engineering by applying finite element software Plaxis 3D. Taking express railway pier top and pile foundation deformation as research targets, it compares the impact of different road design schemes upon express railway bridge, and obtains optimal scheme through computation, which will provide some guidance for similar engineering.

new road, express railway, pier pile foundation, finite element method

2014-12-24

李明波(1980- )，男，工程师

1009-6825(2015)08-0190-02

U442.5

A