下穿高铁桥U形槽设计优化及影响分析

马凤萍

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

U形槽是一种新型铁路路基支挡结构，具有刚度大、变形小、稳定性好、收坡及防水效果显著等特点，特别适用于地下水丰富、地表或内涝水位较高、渗透系数大、降水困难、放坡条件受到限制的挖方路基地段。许多学者对U形槽结构开展过研究，如周革[1]、王金艳[2]、丁兆锋[3]、崔俊杰[4]等结合工程实例，详细介绍U形槽结构尺寸选择、内力计算、抗浮检算等设计过程；李宁[5]利用有限元软件建立三维模型，揭示了U形槽在不同工况下的应力、变形规律；刘俊伟[6]、王立军[7]等通过实例分析抗浮锚杆在U形槽结构中的应用。但以往研究对设计优化措施介绍较少，以下结合下穿高铁桥的工程实例，对U形槽进行研究，以期对类似环境下穿高铁桥工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

某新建铁路路基以下挖的方式通过某既有高速铁路桥梁地段。相关水利部门提供的资料显示，该路基段落内涝水位较高，百年积水水位高于铁路路肩高程，为防止路基被浸泡，路基设计采用钢筋混凝土U形槽封闭结构形式，钢筋混凝土雨棚柱基础设置在U形槽边墙顶。

既有高铁与新建铁路位置关系如图1所示。

图1 新建铁路与既有高铁桥位置关系(单位：m)

1.2 工程地质条件

(1)地层情况

①粉质黏土：表层0.4 m为种植土，黄褐色-灰褐色，硬塑，含少量姜石，厚0～4.80 m，σ0=140 kPa；

②粉土：褐黄色，稍湿-潮湿，厚0～4.0 m，σ0=140 kPa，夹粉质黏土透镜体，含少量锈斑及植物根系；

③粉质黏土：浅灰色-褐黄色，软塑-硬塑，厚0～3.70 m，σ0=140 kPa，夹粉土透镜体，含少量锈斑；

④细砂：浅灰色-灰黄色，中密-密实，稍湿-潮湿，厚0～5.90 m，σ0=270～350 kPa；

⑤粉质黏土：褐黄色，硬塑，厚1.2～7.0 m，σ0=140～160 kPa，含少量姜石，偶见锈斑，夹细砂及粉土透镜体；

以下为细砂及粉质黏土。

(2)地下水情况

本段路堑地下水类型为第四系孔隙潜水，主要由大气降水及地下径流侧向补给。勘测期间，地下水水位高程为-8.08～-10.21 m，水位变幅2.0～4.0 m。地下水对混凝土结构无侵蚀性；环境土在氯盐环境作用下对混凝土结构具氯盐侵蚀，环境作用等级为L1。

(3)地表水情况

勘测期间无地表水，设计百年内涝水位高程为14.0 m。

1.3 工程设计的重点和难点

(1)既有高铁桥两桥墩间空间有限，设计时应充分考虑U形槽基坑开挖施工对既有桥梁墩台、基础等的影响，并将由此引起的桥梁墩台基础位移控制在允许范围内。

(2)本工程中雨棚柱基础设置在结构边墙顶，边墙需承受雨棚柱传递的水平力、轴力、弯矩等荷载，边墙内力计算中，必须合理地将雨棚柱传递的荷载施加到计算模块中。

2 U形槽结构设计优化

2.1 路基面宽度调整方案比选

本工程为新建双线铁路，线间距4.6 m，左、右线标准半宽为4.4 m，双线标准路基面宽度为13.4 m。由于下穿既有高铁桥梁地段空间条件受限，若按标准路基面宽度进行设计，右线路肩距离83号桥墩最近处约为5.15 m，左线路肩距离84号桥墩最近处约为4.2 m，再加上路肩外侧边墙及围护结构，施工区域距离桥墩过近，势必对高铁安全运营造成威胁。因此，路基面宽度应在可行的条件下进行缩减，为此研究了如下三个方案。

(1)按路基标准

轨枕外侧预留0.5 m砟肩，道砟外侧设置电缆槽和排水侧沟，此方案路基面半宽最小值为3.5 m，此宽度能满足大机养路、抽换轨枕等条件。

(2)按隧道标准[8]

①有救援通道方案

隧道相关设计规范要求，对于设有救援通道的有砟轨道隧道，考虑隧道内铺设有砟轨道养护维修的需要，救援通道边缘(水沟、电缆槽侧壁)距离线路中心线位的距离均按2 200 mm设计。加上外侧电缆槽和侧沟的宽度，此方案结构内墙距离线路中心的最小距离为3.55 m。

②无救援通道方案

根据隧道相关设计规范要求，在不设置救援通道、不考虑大机养路、抽换轨枕等养护维修需要的情况下，结构内墙距离线路中心线的距离不得小于2.54 m。

此段新建铁路为客货共线、有砟轨道标准，考虑日后养护维修方便及安全需要，经比选最终路基面宽度由标准半宽4.4 m调整至隧道有救援通道标准方案的3.55 m，并将电缆沟槽上抬作为挡砟墙。路基面总宽由原来的13.4 m缩减至11.7 m，节省了1.7 m的空间，在一定程度上降低了U形槽结构施工对既有高铁桥梁沉降及运营的影响。调整后的路基面半宽示意如图2所示。

图2 路基面半宽示意(单位：m)

2.2 边墙内力计算中雨棚柱荷载的合理施加

U形槽结构常规计算中，将边墙视为一端固定的悬臂板。若采用“理正”悬臂式挡墙模块进行计算，一般选取纵向1延米作为计算单元。但本工程中，钢筋混凝土雨棚柱设置在边墙顶，使得边墙需承受一定的集中荷载作用，需要合理确定U形槽边墙的有效计算宽度[9]。

根据周青爽、姚洪锡[10]等的研究成果，当集中荷载间距小于悬臂墙高时，可按荷载均布进行内力计算；当荷载间距大于墙高时，应考虑荷载修正系数K的影响，边墙内力计算时，可将水平集中荷载放大K倍后再除以荷载间距施加到计算模型中进行后续内力计算。

荷载修正系数K可按式(1)进行简化计算

K=(L/H-1)×0.5+1

(1)

其中：L——荷载间距/m；

H——悬臂边墙高/m；

本工程雨棚柱间隔为10 m，即荷载间距为10 m，而边墙较矮(约3.5 m左右)，故L>H，施加水平荷载时需要考虑荷载修正系数的影响。根据每节U形槽实际边墙高，计算出相应的荷载修正系数在1.90～2.08之间。进行各节U形槽边墙内力计算时，应将雨棚柱柱底荷载乘以修正系数后施加至计算模型。

2.3 隔离桩的设置

对临近基坑工程既有建筑物的保护主要有以下方法和措施[11]：原位加固，加强支护结构，地基加固，按照时空效应原理控制开挖支护施工以及设置坑外隔离桩(隔断法)等。其中，设置隔离桩作为一种有效的保护措施，应用日渐增多。

隔离桩可以有效地阻隔基坑开挖引起的有效应力的传播，当土体产生滑移变形时，隔离桩通过提高滑移面的抗剪能力以及桩身提供的桩侧阻力限制桩后土体的变形发展，减小桩后需要保护的建筑物的沉降(见图3)[12]。

图3 隔离桩作用机理

隔离桩可以选用树根桩、钻孔灌注桩、小直径钢管排桩、地下连续墙、搅拌桩、旋喷桩等。隔离桩必须具有一定的刚度，否则控制桩后土体变形的效果不理想，但其刚度和控制桩后土体变形的能力并非成正比。

本工程下穿地段(约36 m范围内)不具备放坡条件，考虑经济性，于基坑两侧分别设置一排旋喷桩进行支护并兼做隔离桩使用，旋喷桩桩径0.6 m，间距0.4 m，咬合布置，桩长8 m。

应尽早施工隔离桩，形成隔离帷幕，以有效减小前期工程施工对既有高铁桥造成的影响，施工时应严格控制喷浆压力。另外，施工期间应严密监测高铁桥梁桥墩基础变形情况，确保高铁运营安全。

3 数值模拟

采用FLAC3D软件建立场地土体的三维数值模型，以分析基坑开挖对桥梁墩台及基础的影响。

3.1 模型建立

U形槽基坑开挖深度为2.41～2.8 m，基坑隔离桩外缘距离桥梁承台外缘3.39～7.35 m。

既有高铁桥梁承台厚度为2 m，承台埋深3.08～3.17 m，桥梁桩基长39 m，桩径为1.0 m。综合考虑桥梁和桩基的尺寸、基坑施工的空间效应及有效影响范围，模型的三维尺寸选为68 m(沿线路纵向)×59 m(横断面方向)×53 m(深度方向)，共划分为451 476个单元，182 137个节点。实体采用4节点四面体单元、5节点金字塔单元、6节点三棱柱单元和8节点六面体单元模拟，本构模型采用基于弹塑性理论的Mohr-Coulomb模型(见图4)。

图4 三维数值模型

3.2 计算参数及边界条件

根据相关规范及地质资料，岩土体的物理力学参数如表1所示。

表1 物理力学参数

初始地应力计算过程中，计算模型左、右边界两个垂直面仅约束边界面法向位移，平面内无约束；前、后边界两个垂直面仅约束边界面法向位移，平面内无约束；模型底部水平面采用固定约束；地表面为自由面。初始地应力计算平衡之后，分4个施工步对U形槽进行开挖模拟。

3.3 模拟结果分析

(1) 基坑周围土体变形情况

基坑开挖完成后，周围岩土体的竖向变形和水平变形云图分别如图5和图6所示。土体开挖是一个卸载过程，使得基坑底部应力状态发生变化，导致覆土压力减小，基坑底部产生垂直向上的变形。另外，在不平衡力的作用下会导致支护结构向基坑内产生位移，使基坑底部土体受到挤压，进而发生隆起，底部土体最大隆起值为4.4 mm。在开挖过程中，不平衡土压力的作用会导致支护结构的变形，从而导致基坑支护结构后侧土体沉降及水平位移，基坑两侧土体表现为沉降和向槽内临空方向的收敛变形，最大沉降值为10.1 mm，最大水平变形值为10.3 mm。

图5 岩土体竖向变形云图

图6 岩土体水平变形云图

(2)桥墩及基础变形情况

《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)对桥梁墩台基础的工后沉降给出了要求，如表2所示。

表2 无砟轨道墩台基础工后沉降限值[13]

另外，考虑到高速铁路轨道高平顺性的特点，为便于维修与日常保养，基础变形值亦应满足高速铁路无砟轨道线路维修的要求。《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》中规定了250(不含)～350 km/h线路轨道动态质量容许偏差管理值，即高铁轨道竖向变形小于4 mm，横向变形不超过5 mm。

综合考虑上述规范、规则的相关要求，确定本工程桥墩基础变形限值如表3所示。

表3 本工程桥墩基础工后沉降限值 mm

经模拟，基坑开挖施工完成后，桥墩基础的竖向沉降及水平变形分别如图7和图8所示。83号墩基础最大沉降值为1.9 mm，水平变形为0.4 mm；84号墩基础最大沉降值为2.7 mm，水平变形为0.6 mm。两墩台沉降差为0.8 mm。桥墩基础变形均在允许范围内。

图7 桥墩及基础竖向沉降云图

图8 桥墩及基础水平变形云图

4 结束语

(1)在空间条件受限的情况下，可按照隧道有、无救援通道等方案与路基标准下的路基面宽度进行比选和调整，将其不利影响降到最低。

(2)当U形槽边墙顶设置雨棚柱基础时，内力计算中应根据荷载间距和边墙高度的大小关系确定边墙的有效计算宽度，将雨棚柱柱底传递的内力合理施加到计算模型中。

(3)建立三维数值模型分析基坑开挖施工对桥墩基础的变形影响时，单纯以《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)规定的工后沉降限值作为桥墩基础的变位控制值，得到的结果往往偏于安全，应结合维修养护等规则综合确定。

该工程主体部分U形槽结构已运营2年， 经历了汛期，没有发现结构裂缝、结构整体沉降和不均匀沉降，结构自身防水 、伸缩缝处防水构造及排水设施均处于良好状态。本工程对类似临近既有高铁地段的工程具有借鉴意义。