某铁路U形结构下钻既有桥梁方案研究

叶　鹏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)



某铁路U形结构下钻既有桥梁方案研究

叶鹏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

某铁路枢纽内新建铁路以小角度下钻既有客专铁路桥梁，为最大限度地减小对既有客专桥梁的沉降影响，保证运营安全，需对U形结构下钻形式进行技术论证。运用三维通用有限元软件Midas-GTS进行三维建模，对新建铁路U形结构的施工过程以及列车荷载的影响进行三维数值模拟分析。研究结论：新建铁路U形结构对桥梁附加沉降量过大，如以路基U形结构下钻方式通过，对既有客专桥梁影响较大，建议进一步优化方案。

U形结构即有桥梁有限元数值模拟

近年来，铁路枢纽建设过程中经常遇到新建铁路下钻既有高速铁路桥梁的情况[1]，而铁路枢纽本身的规模、规划及既有建筑物对线位走向影响较大，既有桥梁本身的净空、孔跨间距、地基处理措施对于选择以何种结构形式通过起决定性作用。

介绍某动车走行线以路基U形结构[2-5]形式小角度下钻既有客专联络线设计方案，采用三维通用有限元软件Midas-GTS进行三维建模[6]，对新建铁路路基U形结构的施工过程，以及列车荷载作用下对既有桥梁的影响进行三维数值模拟分析(如图1所示)。

图1　动车线以24°角下钻既有桥梁

图2　U形槽桩基布置

图3　正常桩位横向布置(单位：m)

图4　特殊位置桩位横向布置(单位：m)

1　工程概况

本工点位于某动车运用所动车线下钻既有客专联络线，工程里程范围为DK287+532.0～DK287+589.0，路基面宽度7.8 m，线路以填方通过，路堤填高4.5 m。动车线与既有客专联络线以24°的小角度交叉下钻，路肩线紧贴既有桥墩通过，路面占压桥梁承台面积较大，路基施工将会引起既有铁路桥梁沉降。既有客专每天有20多趟动车组通过，运营繁忙，对沉降控制严格，不能中断行车。

DK287+532.0～DK287+589.0采用“钻孔灌注桩+U形槽”结构通过，钻孔灌注桩与U形槽采用固结连接，U形槽底板下设0.3 m厚碎石+0.15 m厚素混凝土垫层做为钢筋绑扎作业平台。如图2～图4所示，钻孔桩桩径1.0 m，DK287+543、DK287+577处桩因躲避桥梁承台横向间距调为3.2 m，其余横向间距均为4 m，纵向间距4 m、5 m、6 m、7.0 m不等，桩长30 m。钻孔桩主筋插入板中，并与板顶主筋建立有效绑扎。U形槽采用C40钢筋混凝土浇筑，底板厚1.0 m，板宽与路面宽度相同。边墙为直立式，厚0.6 m，于墙顶设置角钢立柱栏杆。U形槽底板距桥梁承台顶只有0.48 m，U形槽底板占压桥梁承台面积8.9 m2，占整个桥墩承台面积的15.5%。

路基修建会形成新的附加荷载，影响既有桥梁沉降，而动车线与既有桥梁小角度交叉，且既有桥梁墩台和U形槽地基均采用钢筋混凝土钻孔灌注桩深基础，不能简化为二维平面问题的理论公式解法，只能通过考虑三维空间的大型有限元建模方法分析其沉降影响。采用三维通用有限元软件Midas-GTS进行三维建模计算，模型总宽度50 m，总长度57 m，土层总深度65 m，共划分225 531个实体网格。

2　场地地质情况

地层：杂填土，杂色，稍密，稍湿，以建筑垃圾为主，混有大量砖块和混凝土块，充填粉质黏土，厚5～6 m。新黄土：褐黄色和黄褐色，硬塑—软塑，约含10%的姜石，一般粒径5～8 mm，最大粒径10 mm，表层局部分布种植土，含植物根系，层厚4.9～6.5 m。粉土：褐黄色、黄褐色，密实，稍湿，含有约10%姜石，层厚3 m。以下为细砂，黄褐色、灰褐色，中密，稍湿，成分以石英、长石为主，含有云母夹薄层。

土壤最大冻结深度为0.54 m。

地震动峰值加速度为0.05g(Ⅵ度)。

3　工程难点

3.1交叉角度小

受外部边界条件限制，动车线与既有客专联络线以24°的小角度交叉下钻通过。

3.2占压既有桥梁承台

在仅考虑U形槽结构满足区间直线地段路基面宽度的前提下， U形槽底板占压桥梁承台面积8.9 m2，占整个桥墩承台面积的15.5%。

3.3底板距承台顶距离近

U形槽底板底距桥梁承台顶只有0.48 m，扣除素混凝土垫层后距离只有0.33 m。

3.4U形槽灌注桩与既有桥梁桩基距离近

U形槽按照正常桩位布置，将会与既有桥梁桩基产生冲突或距离太小，不能满足规范要求，只能在特定段落调整桩位布置，以满足建筑桩基规范[7]中3倍桩径最小中心距要求。

3.5地质条件复杂

工点地处于冲洪积平原，地基以下分布深厚层的粉质黏土和粉、细砂层，地表堆积杂填土层厚达6 m，压缩变形量大[8]。

4　计算模型

根据动车线与既有客专的相互关系建立三维几何模型，如图5所示。计算模型采用局部坐标系(X、Y、Z)，Y轴为动车线，以大里程方向为正，Z轴平行于重力方向，以铅直向上为正方向，X轴为垂直于动车线方向，以垂直隧道向右为正方向，整个局部坐标系(X、Y、Z)满足右手螺旋法则。局部坐标系原点(0，0，0)确定如下：X轴以动车线线路中线为X轴坐标原点，Y轴以DK287+532.0为坐标原点，Z轴以U形槽底板底为坐标原点。

采用三维通用有限元软件Midas-GTS进行三维建模计算[9-12]，模型建立范围为：X方向长50 m，Y方向长57 m，Z方向为地表以下65 m。三维几何模型真实再现了U形槽与桥梁墩台之间的复杂关系，如图5、图6所示。根据建立的三维实体模型，共划分225 531个实体网格。

图5　三维实体

图6　U形槽与桥梁桩基布置

5　计算参数及步骤

根据地质资料，划分为9个土层，具体参数如表1所示。将计算过程分为6个施工阶段，如表2所示。

表1　土层参数

表2　施工阶段说明

6　计算分析结果

图7　三维沉降变形

图8　沉降变形俯视

本部分研究从土体初始应力状态、既有桥梁施工下、U形槽施工、U形槽列车荷载作用下对临近既有客专桥梁的影响，图7～图10给出了共同作用下U形槽和既有桥梁的三维沉降变形云图，既有桥梁墩台处于U形槽沉降影响核心区域，最大位移量为38.6 mm。图11～图12给出了U形槽施工下桥墩变形云图及沉降云图，桥梁墩顶最大位移量为32.3 mm，最大竖向沉降为27.2 mm，图13～图14给出了列车荷载作用在U形槽下桥墩变形云图及沉降云图， 桥梁墩顶最大位移量为39.4 mm，最大竖向沉降为33.2 mm。墩顶各阶段位移如表3所示。

图11　U形槽施工下桥墩变形

图12　U形槽施工下桥墩沉降

表3　墩顶各阶段位移数值　m

图13　列车荷载作用下桥墩变形

图14　列车荷载作用下桥墩沉降

7　结论

介绍某动车走行线以路基U形结构形式小角度下钻既有客专联络线设计方案，采用三维通用有限元软件Midas-GTS进行三维建模，对新建铁路路基U形结构的施工过程以及列车荷载作用下对既有桥梁的影响进行三维数值模拟分析，得出以下研究结论：

(1)根据沉降计算形态可以看出，因U形槽占压桥梁承台太多，桩基距离既有桥梁桩基距离太近，桥墩基础处于U形槽沉降影响核心区域，路基U形槽对既有桥梁墩台影响较大，最大竖直向沉降达33 mm，最大位移38.6 mm，相对横向位移量最大达到41.4 mm。

(2)因U形槽对桥梁附加沉降量过大，如以路基U形槽下钻方式通过，对既有客专桥梁影响较大，建议优化线位，增大与既有线交角，减少占压既有桥梁面积或以新建桥梁下钻方式通过。

[1]张磊.新建铁路下穿既有公路桥梁的桩基U形结构路堤设计研究[J].路基工程，2015(1)

[2]吴剑锋，李季宏.U形结构在铁路路堤地段的应用研究[J].铁道标准设计,2013(9)

[3]李曙光，隋孝民.新型支挡结构适用性探讨[J].铁道勘察,2014(5)

[4]李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京：人民交通出版社,2004

[5]JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[S]

[6]丁兆锋，吴沛沛.U形槽结构设计与分析[J].铁道工程学报，2009(4)

[7]TB10025—2006铁路路基支挡结构设计规范[S]

[8]TB10106—2010铁路工程地基处理技术规程[S]

[9]禚一，张军，宋顺忱.软土地区基坑开挖对临近高铁影响数值仿真分析[J].铁道工程学报，2014(2)

[10]赵少伟，王丙兴，郭蓉.Plaxis在高速公路软基变形研究中的应用[J].路基工程，2008(4)

[11]郭磊.桩筏U形结构在新建铁路路基并行既有高铁桥梁时的应用[J].铁道勘察,2015(5)

[12]郭坚鸽.软土路基桩筏基础土受力测试分析[J].铁道勘察,2014(1)

Research of new Railway’s U-type Structure under the existing bridges

YE Peng

2016-01-27

叶鹏(1984—)，男，2009年毕业于西南交通大学岩土工程专业，工学硕士，工程师。

1672-7479(2016)02-0033-04

U231.3

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