封闭式路堑下穿既有高铁桥梁安全影响分析

赵大勇

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

新建市政道路与高铁桥梁交叉时多采用下穿方案[1-2]，施工过程中可能会引起既有高铁桥梁的附加沉降和水平变形[3-5]。 王军对基坑开挖施工对城际铁路高架桥墩的影响因素及沉降机理进行了分析，通过模拟值与实测值的对比分析，提出控制桥墩沉降的建议;禚一[3]等对邻近高铁不同距离、不同挖深封闭式路堑节段的施工过程进行数值分析，研究基坑开挖对既有邻近高铁的影响;王景春[5]等运用FLAC3D 有限差分软件，对既有高铁桥下新建立交匝道桥桩基施工引起的高铁基础变形进行研究，并分析了不同距离与施工顺序对基础变形的影响，可为设计方案确定及施工工艺的选择提供依据。 目前，研究主要集中在邻近高铁基坑或构筑物施工对既有高铁桥墩基础的变形影响上，对市政道路以大挖深封闭式路堑形式下穿既有高铁涉及较少，对桥墩基础变形限值的研究也缺少系统的梳理。 因此，有必要对道路建设引起的高铁桥梁形变进行进一步的分析和评价。

以徐州市新元大道北延工程下穿徐州联络下行线(铁路联络线)为工程背景，运用ABAQUS 有限元程序，建立场地-结构三维模型，按照施工步骤划分不同的计算工况，模拟道路施工和后期使用过程中的对既有高铁桥墩附加变形的影响，并以现行规范变形限值为评价依据，对高铁桥梁的安全性和工程方案的可行性进行评价。

1 工程背景

1.1 工程概述

徐州市新元大道北延工程南起彭祖大道，跨故黄河，连续下穿陇海铁路下行线(徐州联络下行线)、发东线、东到线、陇海铁路上行线及徐州联络下行线，北至和平路，全长约2.6 km，规划红线宽度为50 m。 道路按“双向六车道”城市主干道实施建设，设计速度为60 km/h，设计荷载为城市-A 级，机动车道净空≥5 m，非机动车道净空≥3.0 m，人行道净空≥2.5 m。

道路下穿徐州联络下行线处为桥梁区段，对应铁路里程为K213+033，道路与铁路正交，分两幅自徐州联络下行线徐州至大湖三号特大桥18 号～20 号桥孔间穿过，桥梁标准跨径32.7 m，下穿结构为2-17.9 mU形槽封闭式路堑。 下穿徐州联络上行线处为路基区段，对应铁路里程为K697+398，道路与铁路交叉角度为82.8°，下穿结构为(6+12+12+6) m 框架桥。

徐州联络下行线为单线电气化铁路，平面位于直线上，设计荷载为中-活载，设计速度为160 km/h;铁路桥为32.7 m 简支梁，有砟轨道。 桥墩为圆端形实体墩，墩高10.0 ～10.5 m，承台为矩形承台，承台高2.0 m，基础为钻孔桩，桩长22.0～31.0 m，设计为嵌岩柱桩;该区域溶洞较为发育。 徐州联络下行线参照高铁技术标准进行管理。 道路与铁路平面位置关系如图1 所示。

图1 线路平面位置关系(单位：m)

1.2 下穿铁路桥梁节点设计

根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB10182—2017)第3.0.11 条，下穿工程采用钻孔桩时，其与高铁桥梁基桩的中心距应符合:软黏土及饱和粉土、细砂土层，不宜小于6 倍桩径，其他土层不宜小于4 倍桩径[6]。

18 号～20 号桥墩桩径为1 m，U 形槽围护桩桩径为0.8 m，桥墩桩基间有效距离为29.2 m，桥墩间可利用空间为:29.2 m-6×0.8 m×2(两侧安全距离)-0.8 m(钻孔桩)= 18.8 m。 可布置断面为:0.45 m(壁厚)+5.5 m(2 m 人行道+3.5 m 非机动车道)+0.4 m 护栏+12 m(机动车道)+0.45 m(壁厚)= 18.8 m，下穿结构为2-17.9 m U 形槽封闭式路堑，平面布置见图2，立面布置见图3。

图2 下穿节点平面(单位：cm)

图3 下穿节点立面(单位：cm)

1.3 基坑支护方案

下穿徐州联络下行线处U 形槽现浇基坑开挖最大深度为8.0 m，坑底距既有桥墩承台约5.7 m，基坑为φ80 cm 钻孔灌注围护桩和一道80 cm×80 cm 钢筋混凝土永久支撑、两道φ609 mm 钢管内支撑支护结构，U 形槽现浇基坑钻孔围护桩与既有高铁桥墩桩基中心最小距离为4.8 m。 基坑支护立面布置见图4。

图4 U 形槽现浇基坑支护(单位：cm)

现浇U 形槽采用盖挖半逆作法施工[7]:(1)施工钻孔围护桩及桩顶冠梁;(2)局部拉槽施工桩顶钢筋混凝土支撑;(3)分段分层、对称均匀开挖基坑土体至第一道钢支撑下0.5 m 处;(4)施作钢围檩及钢支撑;(5)分段分层、对称均匀开挖基坑土体至第二道钢支撑下0.5 m 处;(6)施作钢围檩及钢支撑;(7)分段分层、对称均匀开挖基坑土体至坑底设计高程处;(8)浇筑坑底20 cm 厚C20 混凝土垫层;(9)分段浇筑U 形槽底板混凝土;(10)拆除钢支撑、钢围檩，浇筑侧墙混凝土。

2 变形控制限值

基坑开挖施工卸载引起邻近桩基周围土体松动变形，造成桩基沉降和挠曲变形，对桩基及上部结构产生一定的影响，若变形过大就会影响桥梁的正常使用。因此，需要制定邻近桩基沉降控制标准，采取相应的保护、加固方法，将其影响控制在允许范围之内。 对于临近桥墩的沉降值控制标准，通常用允许位移值进行控制，但其涉及的因素很多，既要满足承载力要求，又要满足桩基上部结构的允许沉降值。

2.1 工后沉降变形

《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)[8]中第7.3.10 条给出桥梁墩台基础的沉降限值(按恒载计算)，如表1 所示。

表1 静定结构墩台基础工后沉降限值

2.2 横桥向水平变形限值

《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014) 中第7.3.9 条指出:墩台横向水平线刚度应满足高速行车条件下列车安全性和旅客乘车舒适度的要求，墩顶横向水平位移引起的桥面处梁端水平折角应不大于1‰弧度[8]，即Δ≤32.7×1‰/2=16.35 mm。

2.3 纵桥向水平变形限值

《铁路桥涵设计规范》(TB 10002—2017)[9]第5.4.4 条给出简支梁桥墩台顶面顺桥方向的弹性水平位移限值为

式中:L—桥梁跨度/m，当L＜24 m，L 按24 m 计算;Δ—墩台顶帽处的水平位移/mm。

即Δ≤5×32.70.5mm=28.28 mm。

2.4 轨道平顺性限值

以《高速铁路有砟轨道线路维修规则》(铁运〔2013〕29 号) 要求的线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值作为控制标准(如表2)。

2.5 受下穿工程影响的墩台顶附加位移限值

《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB 10182—2017)[6]第3.0.3 条给出受下穿工程影响的高速铁路墩台顶位移限值(如表3)。

表2 200～250 km/h 线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值

表3 墩台顶位移限值 mm

综合考虑《高速铁路设计规范》 (TB 10621—2014)、《铁路桥涵设计规范》(TB 10002—2017)、《高速铁路有砟轨道线路维修规则》(铁运〔2013〕29 号)、《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》 (TB 10182—2017)的相关要求，确定高铁桥梁变形控制限值如表4。

表4 高铁桥墩基础位移限值 mm

3 三维数值模拟

3.1 模型建立

采用大型有限元程序ABAQUS 建立场地三维模型，考虑到空间效应[10]，取模型尺寸为180 m×80 m×60 m(长×宽×高)，其中沿U 形槽方向的长度为180 m。 计算模型包括地基土、桥墩、承台、桩基、铁路路基、基坑以及支护结构和U 形槽。

地基土、承台、桩基均采用三维实体单元C3D8R进行模拟，并采用结构化网格划分技术对模型进行网格划分。 模型的边界条件:顶面为自由面，两侧水平约束，底面取竖向和水平向约束。 土体采用Drucker-Prager[11]本构模型，高铁桥墩、U 形槽和防护桩采用线弹性本构模型，计算模型见图5。

3.2 计算参数

(1) 主要材料参数

桥梁主要建筑材料参数按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB 10092—2017)取值，如表5 所示。

图5 三维数值模型

表5 钢筋混凝土材料参数

(2)岩土参数

根据地勘资料，场地主要土层力学参数见表6。

表6 钢筋混凝土材料参数

(3)计算工况

根据施工过程，划分以下计算工况(见表7)。

表7 计算工况步序

4 计算结果分析

不同计算工况步序下铁路桥墩墩顶变形如表8 所示。

表8 铁路桥墩墩顶变形 mm

由表8 可知，整个施工过程及道路后期运营对铁路桩基均有一定影响。 分别以顺桥向附加水平变形、横桥向附加水平变形、竖向附加沉降变形为纵坐标，以计算工况步序号为横坐标，给出附加变形时程曲线(如图6 所示)。

由图6(a)可知，顺桥向附加水平变形最大值出现在步序4，即开挖U 形槽基坑、现浇U 形槽后，18 号、19 号和20 号墩的顺桥向水平位移分别为0.827 mm，0.032 mm 和-0.831 mm。

图6 高铁桥墩附加变形时程曲线

由图6(b)可知，横桥向附加水平变形最大值出现在步序3，即现浇框架、顶进框架后，18 号、19 号和20 号墩的横桥向水平位移分别为0.103 mm，0.129 mm 和0.152 mm。

由图6(c)可知，竖向附加沉降变形最大值出现在步序4，即开挖U 形槽基坑，现浇U 形槽后，18 号、19 号和20 号墩的垂直向变形分别为-1.332 mm，-1.535 mm 和-1.340 mm。

5 结论

运用ABAQUS 有限元程序，考虑空间效应，建立场地-结构三维模型，按照施工步骤划分不同计算工况步序，模拟道路施工和后期使用过程对高铁桥墩附加变形的影响，得到以下结论:

(1)徐州市新元大道北延道路工程施工方案对铁路高架桥有一定的影响，但影响程度有限，总体方案基本可行。

(2)通过三维有限元数值分析，徐州市新元大道北延工程施工及运营荷载引起高铁桥墩顶部顺桥向附加水平变形最大值为0.831 mm，横桥向附加水平变形最大值为0.152 mm，竖向附加沉降最大变形值为1.535 mm，满足规范对高铁桥墩基础位移限值的要求。

(3)本工程区域存在粉土层，且高铁桥下基坑深度为8.0 m，施工期间应加强基坑防护措施，增加横撑，控制基坑变形，可有效降低桥墩变形位移。

(4)钻孔桩应适当加长钢护筒，防止塌孔;施工时宜采取跳桩法施工。

(5)应严格按照《上海铁路局高速铁路运营期变形监测管理实施细则》(上铁工[2016]205 号)进行变形观测，确保铁路运营安全。