开挖基坑对高铁桥梁基础沉降影响的有限元分析

刘　龙

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300142)



开挖基坑对高铁桥梁基础沉降影响的有限元分析

刘龙

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300142)

【摘要】文章介绍了高铁结构沉降、变形的评估准则；采用有限元方法分析该问题的研究思路以及有限元模型的建立方法；以实际项目为背景，通过有限元分析，计算得基坑施工中及竣工后对既有高铁桥梁基础沉降的影响，验证施工方案的可行性。

【关键词】有限元；高铁桥梁；基础沉降；评估准则

1项目背景及施工方案介绍

大龙河发源于大兴黄村新城南部，向南、向东穿越京开高速路、六环路，沿京九铁路线北侧下行，经吴庄、魏善庄、河南辛庄、安定镇后，于白塔村东与小龙河汇合，于佟营村东出大兴区境入河北省，最终汇入永定河。大龙河现状存在防洪排水能力不足、河道构筑物需改建等问题。为了提高大兴新城及沿线镇区的防洪排水能力，改善河道周边的环境状况，需对大龙河下穿京沪普速铁路和京沪高铁段河道进行拓宽改造。

大龙河拓宽工程先后经过京沪普速铁路及京沪高铁，下穿京沪普速铁路时采用顶进框构方式施工。大龙河下穿京沪高铁北京特大桥，交叉处附近五孔梁均采用32 m简支箱梁，桥梁高度约8.5 m，桥墩为流线型圆端实体墩，承台尺寸为7.1 m×10.4 m，采用钢筋混凝土摩擦桩基础，桩径1.0 m，桩长44～46 m。位于京沪高铁北京特大桥F23#桥墩下的改造河道施工过程中开挖的基坑面积为48.33 m×39.0 m，深约2.7 m。基坑防护桩距离F22#桥墩最近为6.93 m，距离F24#桥墩最近为5.34 m。基坑及支护平面如图1所示。

图1　大龙河河道改造工程基坑及支护平面

由于既有京沪铁路与京沪高铁距离较近，因此将既有京沪铁路下的顶进框构工程一并考虑进来，先施工既有京沪铁路下的框构，再拓宽高铁下河道并完成铺砌。大龙河拓宽工程拟采用的施工方案为：准备顶进工作坑；框构浇筑并顶进；施工高铁下河道基坑的防护桩；由于基坑正位于高铁桥下，考虑在高铁桥梁附近的基坑分五段开挖、铺砌河槽，以尽量减少开挖过程中对土体的扰动，减小对高铁桥梁的影响。

2高速铁路构筑物(路基和桥梁)沉降评估标准

TB 10621-2014《高速铁路设计规范》明确给出了工后沉降的定义、桥梁工后沉降量及差异沉降量限值要求，其内容如下：

(1)第2.1.9条给出工后沉降的定义：以铺轨工程完成以后，基础设施产生的沉降量为工后沉降。

(2)第7.3.10条给出桥梁墩台基础的沉降应按恒载计算，其工后沉降量不应超过表7.3.10限值，表7.3.10如表1所示。

表1　静定结构墩台基础工后沉降限值　mm

(3)第7.3.9 条给出墩台横向水平线刚度需要满足高速行车条件下列车安全性和旅客乘车舒适度的要求，并应对最不利荷载作用下墩台顶横向弹性水平位移进行计算。

在ZK活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，墩顶横向水平位移引起的桥面处梁端水平折角应不大于1.0‰ 弧度。

3拓宽河道对高铁桥梁基础沉降的有限元分析

3.1模型的建立

采用岩土有限元程序MIDAS-GTS进行分析计算拓宽河道引起的铁路桥梁基础的沉降及水平变形。

模型建模思路为首先建立各土层及既有京沪高铁承台、桩基，将上部结构及桥墩的荷载加在承台上，以此作为初始阶段；然后建立基坑防护桩、框构工作基坑、框构桥及河道改造基坑的模型，根据施工阶段激活或钝化相应单元及荷载，计算河道改造施工过程中及竣工后对既有京沪高铁桥梁基础的影响。因此，模型计算中考虑如下施工步骤，分别为：

(1)施加土层自重计算初始地应力。

(2)添加京沪高铁结构单元，施加荷载并计算京沪高铁工后沉降，作为计算初始阶段。

(3)建立顶进框构工作坑周围的基坑防护桩单元(1.25 m桩径)。

(4)开挖顶进框构工作坑。

(5)顶进框构。

(6)建立高铁桥下改造河道工作坑周围的基坑防护桩单元(1.0 m桩径)。

(7)为减小施工对京沪高铁桥墩的影响，将工作坑细分为U-1～U-5五部分按顺序施工，在每一部分开挖完成后施工河槽铺砌、导流堤及河道挡墙。该范围内的河道挡墙施工方法为在基坑防护桩上挂网喷厚20 cm的C 25混凝土而成。

各节段基坑分步开挖尺寸见表2所示。

表2　京沪高铁桥下基坑开挖各节段尺寸　m

(8)全部河槽施工完成后施加水压力荷载。

为消除计算边界效应的影响，考虑施工过程中的空间效应，计算模型取其有效影响范围，即模型沿X方向取250 m，沿Y方向取200 m，土层总深度65 m。计算模型中土体采用三维四面体单元模拟，桥墩承台及框构桥采用板单元模拟，桥墩桩基础及基坑防护桩采用梁单元模拟，河道铺砌及水压力换算为等效均布荷载施加于模型中。土体采用修正摩尔-库伦模型模拟土的本构关系，模型顶面取为自由边界，底面采用竖向约束，其它面均采用法向约束(图2、图3)。

图2　京沪高铁承台及桩基位置

图3　各工作坑位置

3.2材料参数

根据地质资料，各个土层的具体参数取值如表3所示。

京沪高铁桥墩承台、框构结构、桩基及基坑防护桩的混凝土视为弹性材料，材料参数如表4所示。

3.3有限元计算

经计算，京沪高铁桥墩基础各控制阶段沉降结果汇总详见表5、表6，各阶段沉降曲线详见图4、图5。图、表中数值正值代表隆起，负值代表沉降。

表3　土层参数

表4　结构材料参数

表5　京沪高铁桥墩基础各控制阶段累计沉降　mm

表6　京沪高铁桥墩基础各控制阶段差异沉降　mm

图4　京沪高铁桥墩基础各阶段累计沉降曲线

图5　京沪高铁桥墩基础各施工阶段差异沉降曲线

京沪高铁桥墩基础各阶段水平变形结果汇总详见图6、图7。图中顺桥向变形正值代表向小里程方向变形，负值代表向大里程方向变形。横桥向正值代表向大里程左侧方向变形，负值代表向大里程右侧方向变形。

图6　京沪高铁桥墩基础各阶段顺桥向附加水平变形曲线

图7　京沪高铁桥墩基础各阶段横桥向附加水平变形曲线

3.4计算结果分析

(1)按照前文给出的高铁构筑物沉降控制标准，即墩台均匀沉降为20 mm，相邻墩台的沉降差为5 mm。通过上述计算结果可知，京沪高铁桥墩单墩累计沉降最大为2.231 mm(F23#墩，竣工后)，单墩累计隆起最大为2.51 mm(F23#墩，U-4开挖阶段)，均满足规范要求的20 mm限值；各个阶段相邻桥墩的差异沉降最大为2.231 mm(F23#与F24#墩、U-4开挖阶段)，满足规范要求的5 mm限值。

(3)河道改造施工及竣工后引起的横桥向水平变形增量最大为1.02 mm，即引起梁体的最大水平折角0.03‰，满足《高速铁路设计规范》中规定的梁端水平折角不大于1‰的要求。

综上所述，本工程制定的施工方案在施工过程中及竣工后对既有京沪高速铁路的桥梁、轨道及线上设备等基本无影响，能够保证铁路的运营安全以及平顺性，该方案是可行的。

4总结

本文介绍了高铁构筑物沉降的评估标准，对相关工程进行沉降评估具有一定的借鉴意义。鉴于高铁结构的重要性及其对结构沉降的严格要求，在既有高铁桥梁下的基坑开挖建议采用基坑防护桩支挡并在保证经济性、工期的基础上适当细分基坑开挖节段，以减少对既有高铁桥梁的扰动。通过实例分析，提供了开挖基坑对高铁桥梁沉降分析的有限元建模分析思路。在实例分析中详述了工程的施工方案并验证了施工方案的可行性，对今后类似工程有一定参考价值。

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[作者简介]刘龙(1989～)，男，硕士研究生，助理工程师。

【中图分类号】TU434

【文献标志码】A

[定稿日期]2016-01-22