市政工程下穿高铁沉降超预警值应对措施

王博妮

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南郑州 450001)

随着城市的快速发展，越来越多的市政道路与高速铁路产生交叉。 通常情况下，市政道路会采用下穿形式穿越高速铁路。 为了保证高铁的运行安全，《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB10182—2017)中规定:下穿工程施工过程中，应对高速铁路桥梁进行变形监测。 当实测值超过报警值时应分析原因，并采取相应的安全措施[1]。

以郑州市某市政路下穿高铁工程为例，针对施工过程中出现的高铁桥墩上浮的情况，提出了局部堆载结合容重置换的处理措施，并进行了理论计算和实践验证。

1 工程概况

1.1 市政道路概况

项目起点为郑州市西四环，终点为南水北调干渠桥，全长976 m，道路为南北走向，红线宽53～55 m。 道路等级为城市主干路，设计速度为50 km/h，主线为双向六车道，两侧设置人行道和非机动车道(见图1)。

图1 下穿高铁处道路标准横断面(单位：m)

道路下穿高铁处南侧60 m 为设计西四环辅道，现场正在施工。 与高铁交叉位置道路设计高程为145.654 m，高铁梁底高程为153.45 m。

1.2 高铁概况

高铁桥梁上部结构为32 m 简支箱梁，下部为双线圆端形空心桥墩，采用钻孔桩基础。 道路分左右两幅下穿高铁桥梁，左幅从桥下562 ～563 号桥墩之间穿过;右幅从桥下561 ～562 号桥墩之间穿过，两线交叉角度为86.8°。 规划管线从桥下560 ～561 号桥墩、563～564 号桥墩之间穿过。

高铁运营初期，562 ～563 号墩之间地面高程为141.85 m，564 号墩处原状地面高程132.52 m，现562～564 号墩之间地面高程约为148.62 m，为非法填土所致。 根据地勘钻探资料，地表往下3.9 ～19 m 为杂填土，以砖块、水泥块、碎石、混凝土块等建筑垃圾为主(见图2)。

图2 561～563 号高铁桥下现状

1.3 地质资料

依据钻探和土工试验成果，勘探深度范围内地层共分为12 层，其中第①层为人工堆积的杂填土和素填土，第②～⑦层为第四系晚更新统冲积形成的黄土状粉土、粉土和粉质黏土。 土体主要物理力学参数见表1。

根据勘探揭露，勘察期间未见地下水。 场地地下水主要受大气降水补给，排泄方式主要为蒸发和人工开采，其动态变化主要受季节性降水的影响。 地下水位年变幅为1.00～2.00 m。 本工程施工可不考虑地下水的影响。

表1 土体主要物理力学参数

2 设计方案

2.1 方案介绍

高铁563 号、564 号桥墩设计墩高为21 m，现状外露高度仅6 m，其余部分被杂填土覆盖。 线位东侧为刘庄小学，经分析研究，道路线位维持既有规划线位。

道路设计高程距高铁桥下原状地面约为4 m，若采用U 形槽、混凝土板式结构或路基等形式穿越，则需清除桥下全部堆填土，然后施作道路填料及结构层。 经初步计算，路基填料及路面结构侵占铁路桥承台，墩身基础附加沉降的累计沉降值超过《高速铁路设计规范》规定。 故采用1-30 m 桥梁方案下穿高铁桥梁(见图3)。

图3 方案概略

工程主体施工前，应先清理高铁桥下现状填土，清理厚度最大为5.7 m。 可采用小型机械配合人工进行开挖，弃土应及时清运至铁路安全保护区范围外。 清理过程中应设置有效的临时排水系统。

2.2 参数选取

因缺乏高铁的沉降观测资料及铺轨后桥墩沉降观测数据，故以理论计算值为基准，进行高铁桥梁工后沉降评估。

另外，经与工务段对接得到以下信息:①施工完成后，高铁没有进行过精调;②WJ-8 型扣件的钢轨高低位置调整量为-4/+26 mm。

3 施工期间高铁上浮

根据现场测量资料，当高铁桥下土方清理厚度为3.7 m 时，562 号、563 号桥墩上浮值超过预警值(2 mm)。 此时距原设计清表位置还有2 m(见图4)。

图4 施工期间现场土方清理情况

为了控制高铁桥墩沉降变形，决定变更剩余土方的清理方案。

4 应对措施研究

结合以往同类工程项目及施工单位相关工程经验，研究了以下几个清理方案。

4.1 防护桩隔离

防护桩能起到物理隔离作用，减小土方开挖对高铁桥墩沉降的影响。 根据相关文献及其他实际项目经验，在高铁桥墩周边施工防护桩的隔离效果较好。

存在问题:①市政桥梁边缘距高铁桥墩较近，操作空间不足;②高铁桥下杂填土较深，且以混凝土块、砖块等建筑垃圾为主，防护桩成孔困难。

4.2 注浆加固土体

注浆加固可挤密土体，提高原土体的强度。

存在问题:①造价较高，对于杂填土施工效果难以保证;②若注浆压力、浆液比例不合适，可能会造成土体隆起。

4.3 容重置换

在高铁桥墩周边局部堆载，同步对高铁桥下土体进行素混凝土置换。

5 实施方案

经综合比选，最终决定采用局部堆载结合容重置换的方案。

5.1 减少土方开挖

原设计清表高程为142.756 m，距成桥后梁底80 cm(考虑市政桥梁施工完成后梁底的检修)。 为尽量减少土方开挖量，梁底预留空间由原设计80 cm 调整为10 cm，调整之后的清表高程为143.456 m(剩余土方清理深度1.3 m)，仅在两侧桥台内侧设置75 cm宽，80 cm 高的检修通道。

5.2 土体置换

根据现场情况，杂填土的容重取18 kN/m3，置换用的混凝土容重取24 kN/m3，故置换总深度为3.3 m。

土方清理前，在561 ～563 号桥墩承台外2 m 范围内，采用袋装土进行堆载压重，561 号桥墩堆载总重约200 t(16.3 kN/m2)，562 号、563 号桥墩堆载总重约600 t(48.8 kN/m2)。 堆载应对称均衡进行，堆载袋可采用钢丝网捆绑，以保证安全。 堆载压重后，在不清理土方的情况下，可先行施工桥台桩基、盖梁及耳背墙结构。

采用C15 素混凝土置换土体(C15 素混凝土容重为24 kN/m3)，以容重差来平衡剩余待清理土方引起的高铁桥墩变形，混凝土置换深度为3.3 m。 土体置换应由外而内对称施工，参照《土方置换指导性施工流程》逐步开槽置换(见图5)。

图5 土方置换指导性施工流程

土方开槽置换顺序为①→⑦，承台周边1 m 范围内土体不作置换，清理土方至清表位置即可。 区域①、②一次开挖置换，区域③分两步置换，区域④分三步置换，区域⑤分八步置换，区域⑥分五步置换，区域⑦分五步置换。 区域⑤→⑦每次开挖置换土方量不超过100 m3，区域⑤土体置换前，先将承台周边2 m 堆载土方(保留承台范围内堆载土方)移至区域①～区域③(该区域堆载重量6 N/m2)。 区域⑥土体置换前，在区域①～区域⑤进行堆载(该区域堆载重量6 kN/m2)。区域⑦应采用人工支撑开挖，土体置换前，先将承台范围内土方移至已完成置换的区域①～区域⑥(该区域堆载重量20 kN/m2)。

6 施工过程理论模拟分析

采用Midas GTS NX 岩土工程软件，建立三维实体有限元模型进行数值模拟计算。 鉴于高铁桥下后期杂填土土层的不均匀性，重点对岩土相关参数进行修正，使得模型更符合现场的实际情况。

6.1 模型建立

采用自动划分实体网格的方法，划分单元为四节点的四面体单元，土体尺寸为160 m×60 m×90 m(分别为郑西高铁桥的顺桥向、横桥向和土层厚度)。

施工须严格按照计算步骤进行优化，各施工阶段划分如下:①初始应力场→②既有高铁成桥→③位移清零→④清表开挖3.7 m 至施工现状→⑤施工市政工程下部结构→⑥高铁承台周边临时局部压重→⑦开槽、置换混凝土→⑧施工市政桥上部结构→⑨开挖防护涵基坑→⑩施工防护涵并回填→○1承台顶临时局部压重卸载。

对立交工程各个施工阶段进行分析，建立三维实体有限元模型并进行数值模拟计算，主要进行以下简化:

(1)初始应力场的模拟

根据勘察报告提供的不同土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度，计算桥涵施工前土体初始应力场分布。

(2)连续介质的模拟

采用“莫尔—库伦(M-C)”土体弹塑性模型，土体卸载回弹阶段考虑土的硬化效应;郑西高铁桥墩桩基础、新建道路桥梁桩基础均采用线弹性桩单元模型，同时建立摩擦界面单元(考虑了土体和桩结构之间的相互作用);Midas GTS 中3D 桩单元能与土体自动耦合，且能较好地模拟土体和桩之间的相互作用。

(3)边界条件的模拟

对计算土体的底面约束竖向(z)的位移，侧面分别约束横向(x)、纵向(y)的位移，地表为自由面;桩基础约束(z)方向的转角。

有限元模型见图6，新建桥梁桩基采用钻孔桩，直径为1.5 m，上部结构的荷载通过节点集中力的形式加载到桩顶。

图6 三维有限元模型

6.2 沉降结果分析汇总

通过建模分析，桩基累计附加沉降情况如图7、图8。

根据Midas GTS 计算结果，将各施工阶段桥墩累计沉降值进行汇总(如表2)。

图7 560～564 号桥墩第4 阶段累计附加沉降

图8 560～564 号桥墩成桥阶段累计附加沉降

表2 高铁桥墩累计沉降汇总 mm

由表2 可以看出:后续施工高铁桥墩的累计上浮值最大为3.622 mm。

7 施工现场变形监测分析

为实时跟踪监测后续施工过程中高铁桥墩变形情况，2016 年5 月～2016 年11 月对高铁位移进行了加密监测，表3 为关键阶段桥墩沉降观测数据。

表3 高铁桥墩关键阶段沉降观测

图9 道路施工现状

由表3 可知，高铁桥墩累计沉降最大值为3.64 mm，表明采取的应对措施能够满足既定的控制目标，可保障工程建设期间高铁的安全运营。