桩板及空心板梁桥结构下穿软土区高铁桥梁的数值模拟研究

杨菲

（山西省交通科学研究院，山西 太原030006）

桩板及空心板梁桥结构下穿软土区高铁桥梁的数值模拟研究

杨菲

（山西省交通科学研究院，山西 太原030006）

道路下穿高铁桥梁施工会使高铁桥梁桥墩产生过大位移，可能会影响铁路的安全。针对道路下穿高铁桥梁施工对高速铁路的影响，以丹阳市区至滨江新城快速通道下穿京沪高速铁路张巷特大桥工程为背景，利用Plaxis岩土工程有限元软件进行三维施工模拟，并将计算结果输入利用ABAQUS通用有限元软件建立的高速铁路桥上无砟轨道精细化模型，从而评估新建桩板及空心板梁桥下穿高铁桥梁方案施工对京沪高铁桥上无砟轨道的影响。计算结果表明，桩板结构与空心板梁桥方案对高铁的影响均满足结构保护及运营安全要求。

道路；市政工程；下穿施工；高铁桥梁；数值分析

随着高速铁路网络的完善，城市道路下穿高铁桥梁的情况也越来越多。新建道路施工会改变高铁桥梁周边土体的应力场，造成周围土体的扰动，从而使高铁桥梁桥墩产生过大位移，鉴于高速铁路对线路平顺性要求较高，过大的位移可能会影响铁路的运营安全[1-4]。基于规范及铁路相关保护部门规定，为保证高铁桥梁的运营安全，新建道路须尽量下穿高铁桥梁，新施工钻孔桩距既有高铁桥梁钻孔桩间距大于6倍桩径，道路边缘距离高铁桥墩的净距不得小于2.5m，同时须设SS级防撞墙，高速铁路桥下通行净空原则上大于5m[5]。目前，新建道路下穿高铁桥梁主要有路基方案、“U”形槽方案、桩板结构方案、桥梁方案等[1，2，4，6]。桩板结构方案、桥梁方案对高铁桥梁影响较小，因而在软土地区使用较多。

为了保障高铁运营安全，极有必要对道路下穿高铁桥梁方案进行安全评估，选择合理的施工方案及措施，从而减小道路下穿施工对高铁桥梁的影响。本文以江苏省丹阳市区至滨江新城快速通道下穿京沪高速铁路张巷特大桥工程为例，采用三维有限元数值模拟方法，对新建道路的桩板及空心板梁结构下穿高铁桥梁方案进行施工安全研究。

1 工程概况

丹阳市区至滨江新城快速通道起自丹桂路东延段与站前路交叉处，止于南环路与丹东公路交叉处，路线全长15.271 km。根据规划方案，丹阳市区至滨江新城快速通道（以下简称“滨江快速通道”）下穿京沪高速铁路张巷特大桥37#～39#桥墩，滨江快速通道大致于京沪高速铁路DK1120+213.70里程处与高铁线路相交，下穿段为双向六车道，设计速度100 km/h。京沪高铁设计速度为380 km/h，既有京沪高铁张巷特大桥桥址位于坳谷地貌，地面平坦，地势开阔，桥梁全长1 330.96m。京沪高铁张巷特大桥为32m后张法预应力混凝土双线简支箱梁，双柱墩，空心台，基础采用桩径为1m的钻孔灌注桩基础，轨道结构型式为无缝线路的无砟轨道，线间距为5m。滨江快速通道下穿京沪高铁张巷特大桥位置实景见图1，下穿处京沪高铁墩台基本情况见表1。

图1 下穿位置实景Fig.1 The real scene of the construction location

表1 桥梁墩台基本情况Tab.1 Basic information of the bridge piers

拟建场地地面平坦、地势开阔，周边土地尚未开发。施工场地地层从上自下主要为粉质黏土、粉土、淤泥质粉质黏土、含砾粉质黏土及泥质粉砂岩等；地层物理力学指标见表2。

表2 土层物理力学性质指标表Tab.2 Physical andmechanical properties of soil

2 道路下穿高铁方案

根据规划，丹阳市区至滨江新城快速通道下穿京沪高铁张巷特大桥37#～39#桥墩段为双向六车道，设计速度100 km/h，设计荷载为公路Ⅰ级。根据平面线位走向，滨江快速通道在京沪高速铁路张巷特大桥37#～39#桥墩之间下穿。根据下穿张巷特大桥形式不同，拟建设计方案为新建桩板结构下穿方案及新建空心板梁桥下穿方案。

2.1 桩板结构下穿方案

桩板结构下穿方案见图2，在原地面上新建混凝土桩板结构，分两幅布置，左、右幅桩板均宽20m。右幅公路防撞墙外侧与38#墩台最小距离为2.08m，与38#墩台上桥墩最小距离为3.70m；左幅公路防撞墙外侧与38#墩台最小距离为1.88m，与38#桥墩台上桥墩最小距离为3.50m。公路防撞墙外侧与桥墩墩身距离均大于2.5m，桩板结构桩基与高铁桥38#墩既有桩的最小距离为6.17m。

图2 桩板结构下穿方案Fig.2 Traversing construction plan w ith pile-plank structure

公路路面至梁底最小净高约为6m≥5.5m，公路从设计起点以0.35%下坡下穿京沪高速铁路。桩板结构下穿段左、右幅跨度均为（8+13+13+13+8）m，总长度均为60m。板采用C40钢筋混凝土，桩基为φ1m钻孔灌注桩，桩长35m，采用C35钢筋混凝土。桩板结构板底标高为7.423m，原地面标高6.587m。

2.2 空心板梁桥下穿方案

空心板梁桥下穿方案见图3，在原地面上新建空心板梁桥，分两幅布置，左、右幅桩板均宽20m。右幅公路防撞墙外侧与38#桥墩墩台最小距离为2.08m，与38#墩台上桥墩最小距离为3.70m；左幅公路防撞墙外侧与38#桥墩墩台最小距离为1.88m（不在同一高度，墩台顶面标高7.998m，路面标高8.403m），与38#墩台上桥墩最小距离为3.50m。公路防撞墙外侧与桥墩墩身距离均大于2.5m。新建空心板梁桩与高铁桥38#墩既有桩基的最小距离为8.62m。

图3 空心板梁桥下穿方案Fig.3 Traversing construction p lan w ithhollow board beam bridge

公路路面至梁底最小净高约为6m，公路从设计起点以0.35%下坡下穿京沪高速铁路。预应力混凝土空心板梁桥为两幅桥，每幅桥宽20m，每幅设三跨，跨径分别为（20+25+20）m，桥梁上部结构采用20m及25m预应力混凝土空心板梁。每幅桥横向设置19片梁，梁高1.1m，预制空心板梁采用C50混凝土。

空心板梁桥桥梁下部结构采用桩柱式墩台，桥墩盖梁高度1.3m，墩柱及基础为φ1.3m钻孔灌注桩。桥台盖梁高度1.2m，基础为φ1.3m钻孔灌注桩。钻孔灌注桩桩长均为35m。桥梁中跨梁底标高7.103m，原地面标高6.587m，梁底离地面高度0.516m。

3 设计方案数值模拟分析

3.1 施工过程模拟与计算结果分析

3.1.1 施工过程模拟

采用Plaxis岩土工程有限元分析计算软件建立三维模型，对新建桩板结构及新建空心板梁桥方案道路施工、运营对现有正在运营的京沪高铁桥墩的影响进行施工安全分析。Plaxis三维有限元模型中，土体采用小应变土体硬化模型。土层参数参考表2，模型计算暂不考虑地下水影响。

工程施工中土层的大致应变小于10-3，因而模型中的土体本构模型选用小应变土体硬化模型Hardening soil small-strainmodel（简称为 HSS模型）[7-8]，该模型由学者Benz（2007）将小应变范围内土体剪切刚度与应变的非线关系考虑进 HS模型而提出，可有效模拟软粘土的剪切硬化和体积硬化过程，也可考虑砂土的剪胀性，同时可以反映出不同应变水平下的刚度衰减规律。

HSS模型的应力-应变关系见图4，HSS模型考虑了E50模量和Eur模量具有应力相关的特性，并根据Ohde（1951）和Janbu（1963）的指数公式计算[9-11]，其形式为

图4 HSS模型的应力-应变关系Fig.4 The stress-strain relationship of the HSSmodel

式中：E50为对应于50%强度的割线模量；Eur为土体的加卸载（回弹）模量；E50ref和Eurref为对应于某参考应力σref的E50模量和Eur模量；m为与土性有关的参数。

下穿桥梁均为预应力混凝土连续箱梁，跨度为32m的箱梁重约900 t，将梁自重均摊到高铁墩顶；Plaxis三维有限元模型中，既有运营京沪高铁桥墩、承台采用实体，材料为C30混凝土；既有高铁桩采用桩单元模拟。另外，道路运营荷载采用公路Ⅰ级汽车荷载。

针对本工程的特点，结合工程设计及施工方案，在Plaxis 3D有限元软件中，方案一新建桩板结构的有限元计算共分为7个施工阶段：第1阶段，拟建工程右侧桩基钻孔；第2阶段，拟建工程右侧钻孔桩浇筑施工；第3阶段，拟建工程左侧桩基钻孔；第4阶段，拟建工程左侧钻孔桩浇筑施工，即新建道路基础施工完成阶段；第5阶段，填方土体；第6阶段，浇筑路面板；第7阶段，道路运营阶段。方案二新建空心板梁桥方案的有限元计算也分为7个施工阶段：第1阶段，拟建工程右侧桩基钻孔；第2阶段，拟建工程右侧钻孔桩浇筑施工；第3阶段，拟建工程左侧桩基钻孔；第4阶段，拟建工程左侧钻孔桩浇筑及盖梁浇筑施工，也即新建道路基础施工完成阶段；第5阶段，填方土体；第6阶段，路面板施工；第7阶段，道路运营阶段。有限元模型及施工模拟的部分计算阶段见表3。

表3 有限元模型及施工模拟的部分计算阶段Tab.3 Finite elementmodel and part of the calculation phase of construction simulation

3.1.2 下穿施工结果分析

1）桩板结构下穿方案。提取桩板结构下穿方案分析中既有京沪高铁桥梁桥墩墩底位移计算结果，由于对称性，37#桥墩与39#桥墩位移计算结果比较近似，因而只分析38#墩与39#墩位移计算结果。38#墩与39#墩竖向沉降、桥梁横向位移及纵向位移分别见表4与表5。

表4 38#墩位移计算结果Tab.4 Calculation results of 38#bridge pier displacement

表5 39#墩位移计算结果Tab.5 Calculation results of 39#bridge pier displacement

采用桩板结构方案，拟建丹阳市区至滨江新城快速通道施工完成并投入运营后，运营京沪高铁38#桥墩墩底分别产生最大竖向沉降0.871mm、最大纵向水平位移0.051mm、最大横向水平位移0.095mm，39#墩底分别产生最大竖向沉降0.613mm、最大纵向水平位移0.707mm、最大横向水平位移0.069mm。

2）空心板梁桥下穿方案。提取空心板梁桥下穿方案分析中既有京沪高铁桥梁桥墩墩底位移计算结果，38#墩与39#墩竖向沉降、桥梁横向位移及纵向位移分别表6与表7。

表6 38#墩位移计算结果Tab.6 Calculation results of 38#bridge pier disp lacement

表7 39#墩位移计算结果Tab.7 Calculation results of 39#bridge pier disp lacement

采用空心板梁桥下穿方案，拟建丹阳市区至滨江新城快速通道施工完成并投入运营后，运营京沪高铁桥墩38#墩底分别产生最大竖向沉降0.896mm、最大纵向水平位移-0.015mm、最大横向水平位移0.062mm，39#墩底分别产生最大竖向沉降0.623mm、最大纵向水平位移0.471mm、最大横向水平位移0.042mm。

3.2 桥梁及轨道结构安全分析

3.2.1 桥梁及轨道结构精细有限元模型

如图5，高速铁路桥上CRTSⅡ型板式轨道结构主要由钢轨、扣件、预制轨道板、CA砂浆填充层、混凝土底座板、“两布一膜”滑动层、L型侧向挡块等组成[12]。

图5 高速铁路桥上CRTSⅡ型板式轨道结构Fig.5 CRTSⅡslab ballastless track structure onhigh-speed railway bridge

利用通用有限元软件ABAQUS建立桥梁及轨道结构精细化有限元模型，见图6。

图6 高速铁路桥上CRTSⅡ型板式轨道简支梁空间精细有限元模型Fig.6 Fine finite elementmodel of sim ply supported beam for CRTSⅡslab ballastless track

钢轨选用梁单元进行模拟，扣件采用弹簧单元进行模拟。CRTSⅡ型轨道板采用预应力混凝土结构，混凝土强度等级为C55，标准轨道板长度为6 450mm，宽度为2 550mm，厚度为200mm。每块标准轨道板设置10对承轨台，扣件节点间距为650mm，轨道板采用实体单元进行模拟。CA砂浆厚度为50mm,弹性模量取500MPa，亦采用实体单元进行模拟。桥上CRTSⅡ型无砟轨道底座板采用钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C30。底座板宽度为2 950mm，厚度为190mm，采用实体单元模拟。桥梁地段CRTSⅡ型板式无砟轨道在底座板宽度范围内，梁面连续设置“两布一膜”滑动层，使底座板与桥梁见保持滑动状态，“两布一膜”滑动层采用面面接触关系进行模拟，滑动层摩擦系数取为0.3。L型侧向挡块标准尺寸为长度800mm，顶宽590mm，底宽400mm，高度为459mm，混凝土强度等级为C35，L型侧向挡块及橡胶垫板均采用实体单元进行模拟。

箱梁混凝土强度等级为C50，变截面箱梁采用实体单元进行模拟。为分析桥墩变形对钢轨的影响，考虑边界效应的影响，拟建立四跨简支梁4×32m进行模拟；箱梁支座采用弹簧单元模拟支座；桥墩混凝土强度等级取C30，采用实体单元进行模拟。

3.2.2 桥梁及轨道结构安全分析

提取施工完成后37#、38#和39#桥墩墩底位移计算结果，将其作为强制位移边界条件施加于桥梁结构计算模型上，进而分别分析桩板结构及空心板梁桥方案下穿高铁桥梁对桥梁结构及桥上无砟轨道结构的影响。高铁桥梁38#桥墩箱梁位移云图见图7，箱梁位移计算结果见表8，轨道结构内力及位移计算结果见表9。

图7 高铁桥梁38#墩箱梁位移云图Fig.7 38#pier displacement cloud scheme ofhighspeed railway bridge

如表8所示，道路施工完成后，采用桩板结构方案，京沪高铁桥梁箱梁将产生最大竖向位移0.764mm、最大横向位移0.034mm、最大纵向位移0.548mm；而采用空心板梁桥方案，箱梁将产生最大竖向位移0.786mm、最大横向位移0.017mm、最大纵向位移0.312mm。

表8 高铁桥梁箱梁位移计算结果Tab.8 Displacement calculation results ofhigh-speed railway bridge

如表9所示，道路施工完成后，采用桩板结构方案，京沪高铁桥上无砟轨道轨道板将产生最大拉应力1.54 MPa，桥上钢轨将产生最大竖向位移0.761mm、最大横向位移0.021mm、最大纵向位移0.331mm；而采用空心板梁桥方案，轨道板将产生最大拉应力1.78 MPa，桥上钢轨将产生最大竖向位移0.776mm、最大横向位移0.013mm、最大纵向位移0.187mm。桩板结构与空心板梁桥方案轨道板最大拉应力均小于混凝土的抗拉强度，不至于结构出现裂缝等病害；钢轨位移也均满足高铁安全保护限值1mm的要求，桩板结构方案与空心板梁桥方案均满足铁路安全保护的要求。

表9 高铁桥梁轨道结构内力及位移计算结果Tab.9 Calculation results of internal force and displacement of track structure forhigh-speed railway bridge

4 结论

主要结论如下：

1）采用桩板结构下穿方案，拟建丹阳市区至滨江新城快速通道施工完成并投入运营后，运营京沪高铁桥上无砟轨道轨道板将产生最大拉应力1.54 MPa，桥上钢轨将产生最大竖向位移0.761mm、最大横向位移0.021mm、最大纵向位移0.331mm；

2）采用空心板梁桥下穿方案，京沪高铁桥上无砟轨道轨道板将产生最大拉应力1.78 MPa，桥上钢轨将产生最大竖向位移0.776mm、最大横向位移0.013mm、最大纵向位移0.187mm；

3）桩板结构方案与空心板梁桥方案对高铁的影响均满足高速铁路结构保护及运营安全要求，但采用桩板结构，整体性较好，养护维修工作量少，新建空心板梁桥方案整体性不及方案一桩板结构，其桥下净空还需满足其日后养护维修的要求。

[1]张文斌.某新建轨道交通工程下穿既有高速铁路桥梁方案研究[J].铁道标准设计，2015，59（5）：82-85.

[2]夏春燕.道路下穿段对高铁桥基础的影响性研究[J].公路工程，2015，40（1）：126-132.

[3]陈海丰，袁大军，王飞，等.软弱地层地铁盾构下穿高铁的安全控制技术研究[J].土木工程学报，2015（S1）：256-260.

[4]杨红春.新建道路下穿高速铁路桥梁对高铁桥墩和桩基影响的分析[J].中国市政工程，2016（2）：7-9.

[5]TB10621-2014高速铁路设计规范[M].中国铁道出版社，2014：12.

[6]张俭.新建道路下穿运营高速铁路桥梁的设计方案[J].中外公路，2014，34（2）：185-188.

[7]管飞.基于HSS本构模型的软土超大型深基坑3D数值分析[J].岩土工程学报，2010（S1）：177-180.

[8]尹骥.小应变硬化土模型在上海地区深基坑工程中的应用[J].岩土工程学报，2010（S1）：166-172.

[9]H ARDIN B O，D RNEVICH V P.Shearmodulus and damping in soils：design equations and curves[J].Geotechnical Special Publication，1972，98（118）.

[10]B URLAND JB.Small is beautifu-the stiffness of soils at small strains[J].Canadian Geotechnical Journal，1989，26：499-516.

[11]A TKINSON JH.Non-linear soil stiffness in routine design[J].Géotechnique，2000，50（5）：487-508.

[12]李中华.CRTSⅠ型与CRTSⅡ型板式无砟轨道结构特点分析[J].华东交通大学学报，2010，27（1）：22-28.

Numerical Simulation of Pile-plank Structure and Hollow Board Beam Bridge Structure Traversing Construction under High-speed Railway Bridge

Yang Fei
（Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，China）

The traversing construction underhigh-speed railway bridge can cause excessive displacement forhigh-speed railway bridge piers,whichmay affect the safety of railway.Aiming at the impact of traversing construction underhigh-speed railway bridge,taking Danyang Downtown-Riverside New City Expressway traversing under the Beijing-Shanghaihigh-speed railway Zhangxiang Bridge as the object,this study conducted a threedimensional construction simulation with Plaxis geotechnical engineering finite element software.The calculation results were input into the fine-grainedmodel of the ballastless track on thehigh-speed railway bridge established by ABAQUS finite element software to evaluate the influence of the pile-plank structure andhollow board beam bridge traversing construction onhigh-speed railway bridge.Relevant calculation results show that the influence of the pile-plank structure andhollow board beam bridge onhigh-speed railwaymeets the requirements of structural protection and operation safety.

expressway；municipal engineering；traversing construction；high-speed railway bridge；numerical analysis

1005-0523（2017）05-0012-09

U213

A

2017-03-31

杨菲（1980—），男，高级工程师，硕士，研究方向为交通运输。

（责任编辑 王建华）