高速铁路并行地段桥梁沉降变形分析

牛召阳

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

我国高速铁路的通车里程已达2万km，预计到2025年，高速铁路通车里程将达到3.8万km。受各种条件限制，许多新建高铁在局部范围内必须与既有高铁并行，从而带来了一系列的工程技术难题。

以平原地区某新建客运专线(以下简称新建客专)连续梁并行既有高速铁路(以下简称既有高铁)简支梁地段为背景，运用Plaxis 2D软件建立数值模型，对新建客运专线桥梁施工阶段、运营阶段既有高速铁路桥梁的沉降变形进行数值分析，以期得到一些有益的结论。

1 工程背景

1.1 工程概况

某新建客专禹齐特大桥于铁路里程DK379+952处跨徒骇河，与既有高铁32 m简支梁桥并行。该新建客专设计速度为250 km/h，采用有砟轨道，梁跨为40 m+64 m+40 m连续梁，圆端形实体桥墩，墩全高17.5 m；基础采用16根直径为1.5 m的桩基，桩长65 m。既有高铁设计速度为350 km/h，采用无砟轨道，梁跨为32 m简支梁，圆端形实体桥墩，桩基础。墩全高15.5 m，基础采用12根1.0 m桩基，桩长42 m。两工程最小线间距为25.41 m(见图1)。

图1 平面示意(单位：m)

1.2 工程地质条件

勘探深度范围内地层为第四系全新统冲积层(Q4al)及第四系上更新统冲积层(Q3al)，局部表层覆盖第四系全新统人工堆积层(Q4ml)，主要分布于即有河堤。本场地地震动峰值加速度为0.05g(地震基本烈度为Ⅵ度)，场地类别为Ⅲ类。土壤最大冻结深度为0.5 m。

桩身及桩尖范围内土层由粉质黏土(130～260 kPa)、粉土(140～210 kPa)、粉砂(200 kPa)、细砂(300 kPa)等互层组成，无不良地质。既有高铁桩基桩长42 m，采用摩擦桩。

1.3 水文地质条件

桥址区勘测期间，DK379+950沟渠内有水，水深0.6～3.0 m，多为灌溉水。地下水为第四系孔隙潜水,埋深1.5～2.4 m，高程为16.35～17.11 m。地下水主要由大气降水及地表水补给，水位变幅2～3 m。

2 沉降及变形分析

新建客专40 m+60 m+40 m连续梁施工及运营对相邻既有高铁32 m简支梁造成的沉降变形[1-5]主要包括以下两个方面：

(1)新建客专桥梁桩基施工、承台基坑开挖、承台施工、基坑回填、桥墩施工、架梁、运营阶段对既有高铁桥梁附加沉降的影响。

(2)新建客专桩基施工、承台基坑开挖、承台施工、基坑回填、桥墩施工、架梁、运营阶段对既有高铁桥梁附加水平变形的影响。

3 建模分析

3.1 建模软件简介

PLAXIS 2D程序是由荷兰PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能强大的通用岩土有限元计算软件，已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析中。其专业、高效、强大、稳定等特点得到工程专业人员的广泛认可，日渐成为大家日常工作中不可或缺的分析工具。

3.2 土层参数

(1)压缩模量的经验公式

土层的压缩模量取值以土工试验报告中的压缩模量及压缩曲线为基础，结合以下压缩模量的经验公式进行计算取值。计算得到地面10 m以下不同土层在不同深度处的压缩模量(地面以下10 m范围内的土层由于其有效压应力较小，故未考虑其深度变化，取值来源于土工试验报告)。

(1)

对于粗砂：Ve=250，We=0.70；对于细砂：Ve=150，We=0.75；对于硬塑黏土：Ve=50，We=0.90；对于可塑黏土：Ve=10，We=1；对于高黏性土：Ve=6，We=1。

正常固结的土层，σat取值为100 kN/m2。

σ为该深度处的自重应力，地下水位以上取天然重度，在地下水位以下取浮重度/(kN/m2)。

在有限元计算过程中，在考虑相关土工试验报告给出值的基础上，利用经验公式计算压缩模量随深度的变化值。

(2)压缩模量的取值原则

计算中土层压缩模量的取值分为三部分：

①既有高铁桥梁桩基桩尖以上土体，此部分土体压缩模量根据公式(1)计算取值。

②既有高铁桥梁桩基桩尖以下土体压缩层，根据桥梁沉降理论的分层总和法确定桩尖以下土体的压缩层厚度，其方法为：桩尖以下某一层土体的沉降量小于或等于桩尖以下总沉降量的0.025倍，此部分土体压缩模量可查询土工试验报告e-p曲线中对应土层应力压缩模量值的3倍取值。

③模型底部，理论上不发生压缩变形(此部分土层为桩尖以下土体压缩层与模型底部之间的土层)，压缩模量可查询土工试验报告e-p曲线中对应土层应力压缩模量值的10倍取值。

(3)本工点土层参数

根据地质资料，将施工场地的分层土进行简化[6-7]，见表1。

表1 土层参数

3.3 计算模型

采用岩土有限元分析软件Plaxis 2D[8-9]进行模拟。模型宽度为260 m，深度为100 m，采用土体硬化模型来模拟土的本构关系，桥梁承台、桩基均采用板单元模拟，桥梁上部结构均以均布荷载形式加载在承台上来模拟，桩土之间摩擦关系采用界面单元模拟，土体水平边界采用水平约束，底边界采用固定约束[10-13]。二维平面应变模型如图2所示。

图2 有限元模型

建模的基本原则：首先将既有高铁桥梁结构物按现状作为基本初始状态，计算土层的初始应力，建立新建客专桥梁结构物模型，分阶段计算土层的应力及沉降变化情况，进而考查土层变形对既有高铁桥梁基础的影响。

3.4 阶段划分

计算分以下九个阶段进行，分别为：

(1)土层自重和静水压力的初始阶段；

(2)既有高铁现状阶段；

(3)新建客专桩基施工阶段；

(4)新建客专承台基坑开挖阶段；

(5)新建客专承台施工阶段；

(6)新建客专承台基坑回填阶段；

(7)新建客专桥墩施工阶段；

(8)新建客专架梁阶段；

(9)新建客专运营阶段。

3.5 计算结果

计算新建客专施工及运营对既有高铁的附加影响，见表2、图3～图7。

表2 各阶段计算结果汇总

注：沉降值负值为沉降，正值为隆起。

图3 运营阶段有限元网格变形

图4 运营阶段整体变形矢量

图5 运营阶段整体变形等值线

图6 运营阶段整体变形云图

图7 各阶段位移曲线

4 结论

(1)承台基坑开挖、承台施工阶段，既有高速铁路桥梁基础略向上隆起；其余阶段均为下沉，其中以桥墩施工阶段影响最为显著。临近既有高铁施工新建客专40 m+64 m+40 m连续梁的施工，引起既有高铁的竖向沉降为1.76 mm，向新建客专方向的水平位移为2.61 mm，水平位移比竖向沉降值略大。

(2)在25.41 m线间距的条件下，新建客专的施工及运营引起既有高铁桥梁基础的沉降量满足墩台均匀沉降小于20 mm，差异沉降小于5 mm的要求；满足墩顶横向水平位移引起的桥面处梁端水平折角不大于1.0‰弧度的要求(按照32 m简支梁计算水平限值最大为16 mm)；满足高速铁路无砟轨道经常保养条件下4 mm的竖向和水平要求[14-15]。

(3)小间距并行既有高铁的新建客专桥梁施工，可采取以下措施减小对既有高铁的沉降变形影响，保证既有高铁的运营安全：

①既有高铁两侧50 m范围内不得堆土，防止堆土产生的附加荷载。

②既有高铁两侧200 m范围内不得抽取地下水，防止抽取地下水导致地面沉降，进而影响既有高铁的安全运营。

③适当增加新建客专桥梁的桩长，使上部荷载有效传递到更深的土层。

④在靠近新建客专一侧施工隔离桩，可有效隔离新建客专桥梁对既有高铁桥梁基础下部土体的扰动。

⑤施工过程中采用有挡开挖，避免放坡开挖。

⑥新建客专桥梁的桩基可采用套管施工桩基的新技术。

⑦新建客专桥梁桩基施工过程中，先施工靠近既有高铁一侧，按照顺线路方向依次施工，这样内侧桩基能起到临时隔离桩的效果。

⑧编制第三方监测方案，对既有高铁的沉降变形进行适时分析。

⑨对并行地段既有高铁地段的轨道现状及扣件运用情况进行全面调查，施工前将并行地段既有高铁的轨道调整到最佳状态，施工中根据第三方监测情况适时进行调整。

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