临近既有高铁桥梁工程对运营安全性影响分析

王淑敏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)



临近既有高铁桥梁工程对运营安全性影响分析

王淑敏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

对临近某高铁立交工程的基坑开挖、顶进施工、U形槽开挖过程对高铁桥梁的影响进行分析研究。以封闭式路堑下穿高铁桥梁段为背景，采用大型通用有限元软件ABAQUS建立结构的三维数值模型，模拟由基坑开挖、下穿框架桥结构顶进至U形槽开挖的完整开挖过程，对比分析常规防护方案和加强防护方案对高铁桥梁的影响。分析结果表明：常规支护加固开挖时，桥墩基础处土层最大横向位移影响值为0.5 mm，桥墩基础处土层最大竖向位移影响值为0.8 mm；加强型支护加固开挖时，桥墩基础土层最大横向位移影响值为0.15 mm；桥墩基础处土层最大竖向位移影响值为0.34 mm，加强防护措施可有效控制高铁桥梁的附加沉降量，确保高铁的安全运营。

高速铁路桥梁基坑开挖ABAQUS有限元三维影响分析

近年来，随着国家经济的发展，人民生活水平的提高，国家加大了道路、轨道交通，关系民生的水、电、煤、气等地下管道的建设。由于前期市政规划没有及时与已建成或在建的高速铁路配套，造成越来越多的地铁、道路及市政管线需要穿越已建成或在建的高速铁路桥梁[1]。

为确保高速铁路轨道的平顺性、旅客乘车的舒适度以及高速列车行驶的安全性，高速铁路轨道对桥梁沉降和基础承载力有着严格的要求和限值。

目前，国内外对地下工程(地铁、隧道等)采用不同施工方法(浅埋暗挖、超前小管棚支护、盾构等)下穿既有高速公路、既有建筑、高架桥等通道工程引起既有相关建筑物的变形和承载力影响都有一定的研究，对于基坑开挖对邻近建筑物的影响这方面也有相关的研究，但涉及下穿高速铁路通道工程的研究较少，尚未形成较统一的研究理论和技术控制措施[2]。

以临近某高铁的立交工程为背景，对临近某高铁立交工程的基坑开挖过程对高铁桥梁的影响进行分析研究。

1　概述

1.1工程概况

该下穿高铁和普速铁路立交工程，起点与既有前进路平面交叉，沿规划线位，相继下穿一条水渠、既有高铁和既有普速铁路，终止于铁路南侧。既有高铁在与下穿道路交叉处，线路由2条正线及2条到发线组成，2条正线为无砟轨道线，线间距5.0 m，到发线为有砟轨道线，高铁设计之初为下穿道路的通过提供了预留条件，预留了(16+20+16) m刚构连续梁中桥，桥长56.8 m。

整个工程由既有普速铁路线下顶进框构桥、水渠箱涵以及既有高铁刚构中桥桥下封闭路堑式U形槽三部分组成，平面布置如图1所示。

图1　平面

既有普速铁路顶进框构采用(8.5+17+8.5) m穿越，顶板厚100 cm，底板厚110 cm，边墙厚100 cm，平面角度89°29′，净高5.8 m，轴向长度38.88 m，结构总高度7.9 m。预制框构的工作坑(止水帷幕内侧)沿框构轴向方向长54.53 m，宽43.44 m，基坑边缘(止水帷幕内侧)距离既有高铁路基坡脚距离为42.7 m，距离普速铁路上行中心线距离为10.06 m。

施工过程中，基坑的开挖、下穿框架桥结构顶进、U形槽开挖都可能引起高铁基础的沉降变化。因此，对基坑开挖的施工过程进行模拟和分析是确保施工安全的基础。

1.2地质条件

工程区域内地层勘探深度范围内，岩性为黏性土、粉土、粉砂并夹有淤泥质土。地下水为第四系孔隙潜水，地下水位埋深1.65～2.6 m(高程3.15～4.36 m)，地下水对混凝土具有腐蚀性。表层粉土：褐黄色，软塑，含少量姜石，厚2.0 m，σ0=90 kPa；粉质黏土：褐黄色，软塑，含少量姜石，厚2.8 m左右，σ0=110 kPa；黏土：褐灰色，硬塑，6.0 m以下软塑，含粉砂夹层，厚3.9 m左右，σ0=85 kPa；粉质黏土：灰褐色，软塑，局部含粉土薄层，厚3.1 m左右，σ0=110 kPa；黏土：灰白色，软塑，局部含粉土薄层，厚2.7 m，σ0=85 kPa；粉质黏土：褐黄色，软塑，含锈斑，厚5.9 m左右，σ0=140 kPa。

2　三维数值模型

2.1计算模型概述

采用ABAQUS建立场地土体的三维数值模型[3，4]。为消除计算边界效应的影响，考虑到施工过程中的空间效应，计算模型取其有效影响范围，评估中取长170 m，宽94 m，自地表起16 m厚土体作为计算范围。计算模型中包括基坑支护结构、下穿框架桥结构，模型顶面取为自由边界，底面采用三向约束，其它面均采用法向约束。综合各种因素，最终选定的计算模型如图2所示。

计算模型土体采用ABAQUS提供的C3D4实体单元模拟，下穿框架桥结构采用C3D8R单元模拟，图3所示为计算模型网格。

图2　三维数值模型

图3　计算模型网格划分

2.2土体材料参数

计算时将土体视作弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb屈服准则，下穿框架桥结构视作弹性材料。根据地勘资料，把自地表起16 m厚土体分为三类不同土体，材料参数如表1所示。

表1　土体参数

2.3施工过程模拟

根据工程施工步骤，施工模拟工序有三步：基坑开挖、下穿框架桥顶进和U形槽开挖。施工模拟工序如图4～图6所示。

图4　模拟施工工序一：工作基坑开挖

图5　模拟施工工序二：下穿框构桥的顶进

图6　模拟施工工序三：U形槽开挖

3　常规支护加固开挖方案分析计算

常规支护加固开挖方案是指框构顶进施工工作基坑和U形槽开挖仅布置支护桩，而没有布置咬合封底旋喷桩的方案。

工程的施工会对既有高铁连续刚构桥基础产生一定程度上的竖向变形和横向变形。其中，横向变形最大值为0.487 mm，发生在工序二施工后U形槽内基础上；竖向变形最大值为0.926 mm，发生在工序三施工后U形槽内基础上。模型计算区域内变形结果汇总如表2所示。

表2　常规支护方案土体变形结果汇总

在每个墩台基础处(土层)选取7个沉降考察点，分别给出施工过程中各沉降考察点的横向和竖向位移变化情况。桥墩、桥台基础及基础处沉降考察点位置情况如图7所示。图8～图11给出了常规支护方案的桥台基础土体横向和竖向变形结果。

图7　桥梁墩台及土体沉降考察点位置

图8　截面一(桥台基础1)土体横向位移分布

图9　截面二(桥墩基础2)土体横向位移分布

图10　截面一(桥台基础1)土体竖向位移分布

图11　截面二(桥墩基础2)土体竖向位移分布

4　加强型支护加固开挖方案分析计算

经过计算分析，加强型支护加固开挖方案所产生的横向变形最大值为0.151 mm，发生在工序三施工后U形槽内基础上；竖向变形最大值为0.338 mm，发生在工序三施工后U形槽内基础上。施工中引起的既有高铁连续刚构桥基础变形结果汇总如表3所示。

在每个墩台基础处(土层)同样选取7个沉降考察点，分别给出施工过程中各沉降考察点的横向和竖向位移变化情况。桥墩、桥台基础及基础处沉降考察点位置情况如图7所示。图12～图15给出了常规支护方案的桥台基础土体横向和竖向变形结果。

表3　加强型支护方案土体变形结果汇总

图12　截面一(桥台基础1)土体横向位移分布(加强型)

图13　截面二(桥墩基础2)土体横向位移分布(加强型)

图14　截面一(桥台基础1)土体竖向位移分布(加强型)

图15　截面二(桥墩基础2)土体竖向位移分布(加强型)

5　结论

通过对临近某高铁立交工程建立三维地层-结构有限元分析模型，模拟完整的施工过程，从而对基坑开挖、框构顶进施工、U形槽开挖全过程对高铁桥梁的影响进行分析，得出以下一些结论：

(1)下穿框架基坑开挖及框架顶进施工会对既有高铁连续刚构桥梁基础产生变形影响，但影响程度有限。常规支护加固开挖时，桥墩基础处土层最大横向位移影响值为0.5 mm，桥墩基础处土层最大竖向位移影响值为0.8 mm；加强型支护加固开挖(即增加咬合封底措施)时，桥墩基础土层最大横向位移影响值为0.15 mm；桥墩基础处土层最大竖向位移影响值为0.34 mm，对桥台及路基竖向和横向影响量接近于零。加强防护措施可有效控制高铁桥梁的附加沉降量，可确保高铁的安全运营。

(2)由于既有高铁连续刚构桥设计计算中已经考虑了下穿通道建设时的工程荷载预留，上述施工引起的桥梁结构基础不均匀变形对既有高铁刚构桥受力安全不会产生影响。

(3)在下穿道路正常施工状态下(施工处于自身安全状态、降水和止水措施有效)，加强防护措施后的基坑开挖施工及框架桥顶进等工程不会对高铁的安全运营带来实质影响。

(4)建议开展第三方自动化监测，并在施工期间严密监测高铁桥梁及路基变形情况，确保高铁的运营安全。

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The Impact Analysis of Engineeringnear by High-speed Railway Bridge for the Operation Safety

WANG Shumin

2016-01-20

铁道第三勘察设计院集团有限公司科技开发项目。

王淑敏(1972—)，女，1997年毕业于石家庄铁道学院交通土建专业，高级工程师。

1672-7479(2016)02-0060-04

U442.5

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