桥梁建设及运营过程对既有桥梁与路基的影响评估

孙艳鹏，王孝勇，胥雅韧，孙 远

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430014； 2.华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

近年来，为满足国民经济和社会发展需要，铁路路网不断加密，大量新建线路将与既有线交叉、并行，从而引发大量的邻近既有线施工。

邻近既有铁路桥梁施工时，周围土层将产生附加应力，从而引起既有结构发生沉降变形。王升[1]研究了深基坑施工对既有高铁桥梁的影响；张燕[2]分析了堆填工程对既有铁路路基的预变形影响；左坤[3]研究了新建高铁对紧邻运营铁路路基服役状态影响；高立刚、李阳龙、邓翔等[4-6]分析探讨了基坑开挖对既有线路基的影响；M.F. Bransby等分析和探讨了地面堆载引起的既有桥梁桩基础的沉降和变形。但是，目前就新建铁路桥梁施工对既有高速铁路桥梁影响的研究还很少[7-8]。

客运专线对轨道平顺度等指标有着极高要求[9-10]。若新建桥梁施工不当，引起结构接缝处差异沉降过大，将影响既有桥上列车正常行驶，甚至引发安全事故。

因此，新建桥梁施工前需进行安全风险预测评估，并采取控制措施，保证既有桥上列车运营安全。为了评估桥梁建设与运营过程对既有桥梁与路基的影响，本文以新建郑万铁路河南段联络线特大桥与既有郑机城际铁路交叉及并行段为背景，以受影响最大的郑机城际铁路路基及路基段的轨道和74#～71#桥墩基础及上部结构为主要检算对象，借助有限差分软件，分别对其路基变形、轨道变形以及桩基及结构的沉降量、桩基承载力进行分析，进而评估新建桥对既有铁路桥的影响程度，为类似工程提供参考。

1 工程概况

新建郑万铁路与既有郑机城际铁路经开站特大桥并行、交叉。郑万铁路河南段联络线特大桥临近郑机城际铁路，临近路基段郑万铁路里程为ZWSLDK0+279.260～ZWSLDK0+844.485，郑机城际铁路里程为K11+380～K10+770下行，相距最短距离为17.9 m，上跨郑机城际铁路里程为DK1+376～DK1+736，郑机城际铁路营业线里程为K10+130～K9+730上下行。交叉处郑机城际铁路经开站特大桥处主梁采用32 m跨的简支箱梁，桥墩为双线圆端形桥墩，钻孔桩基础。两线交叉处郑机城际铁路里程为K10+032.35，两线夹角为15°，且其中上跨部分41#～45#桥墩已提前实施完毕。

郑万联络线特大桥与郑机城际铁路路基段相对位置如图1所示。

图1 郑万联络线特大桥与郑机城际铁路路基相对位置

郑万联络线特大桥与郑机城际铁路特大桥相对位置如图2所示。

2 有限差分元分析

本文选取大型非线性通用有限差分软件FLAC3D作为计算平台。

该软件利用三维网格的变形和移动模拟材料的屈服流动，能够准确地模拟材料的塑性破坏和流动，可以满足本文对土体受力特性模拟的要求。

2.1 路基

2.1.1 模拟过程

建立既有路基与新建铁路桥三维实体有限元模型进行数值模拟计算，其中计算模型土体尺寸为200 m×100 m×80 m，建模的主要步骤如下。

(1)建立初始应力场。结合已有的不同土层剖面资料，按不同条件考虑土体的分层和重度；并考虑既有铁路路基对初始应力场的影响。

(2)建立连续介质。使用线弹性桩单元模拟新建铁路桥桩基础，在桩土接触面建立摩擦界面单元，以考虑桩土效应；使用弹性实体单元模拟新建铁路桥上部结构及桥墩。

(3)定义边界条件。约束土体模型的底面竖向平动自由度，侧面横向平动、纵向平动自由度，地表设为自由面；约束新建铁路桥桩基础绕z轴方向转动自由度。

(4)定义施工阶段。通过模拟新建铁路桥施工阶段，分析联络线特大桥靠近郑机城际铁路路基施工、运营阶段对既有郑机城际铁路路基的影响。施工模拟工序见表1。

新建铁路桥梁与郑机城际铁路路基空间位置和建模如图3、4所示。

图3 空间位置

图4 计算模型

列车荷载参照ZK荷载取值，静力荷载综合取64 kN·m-1。ZK活载的计算如图5所示。

图5 ZK活载图示

根据该工程的地质勘察报告取值，并参照河南郑州地区相关工程的地层参数取值，建模过程中所涉及的地质土层、混凝土与钢筋的主要物理力学参数见表2。

表2 物理力学参数

2.1.2 路基沉降量

既有铁路路基在桩基、墩柱等下部结构施工阶段的竖向位移云图如图6所示。

图6 既有铁路路基沉降云图

由图6可知，新建铁路桥梁施工过程及运营阶段将使既有铁路路基向内侧发生一定倾斜，选取路基轨道处各点，可以得到各阶段路基轨道沉降曲线，见图7。

图7 既有铁路路基轨道随施工步沉降曲线

图7沉降曲线表明：新桥下部结构施工与架设上部箱梁、施工桥面附属设施阶段，路基轨道沉降变化量最大，而新桥运营阶段对既有路基轨道影响较小；且在远离施工位置处，轨道沉降变化量趋于定值；随着里程接近施工点，沉降变化量逐渐增大，于ZWSLDK0+280附近达到最大值。

各工序下轨道的最大沉降及最大10 m弦如表3所示。

表3 新建桥梁引起的铁路路基沉降统计

注：正值表示下沉，负值表示上浮，表中沉降值为累计沉降值。

2.1.3 路基水平位移

既有铁路路基在桩基、墩柱等下部结构施工阶段的水平位移云图如图8所示。

图8 既有铁路路基水平位移云图

从图8可知，新建铁路桥梁施工过程及运营阶段将使既有铁路路基向新建桥一侧偏移，选取路基轨道处各点，可以得到各阶段路基轨道水平位移曲线，如图9所示。

图9 既有铁路路基轨道随施工步沉降曲线

图9沉降曲线表明：基础开挖与新桥下部结构施工阶段，对周围土体扰动最大，此时路基轨道沉降变化量最大；在远离施工位置处，轨道沉降变化量趋于定值；随着里程接近施工点，沉降变化量逐渐增大，于ZWSLDK0+380附近达到最大值。

各工序下轨道的最大水平位移见表4。

表4 新建桥梁引起的铁路路基水平位移

2.2 桥梁

2.2.1 模拟过程

与路基分析过程类似，建立既有铁路桥与新建桥梁三维实体有限元模型进行数值模拟计算，其中计算模型土体尺寸为150 m×100 m×80 m，模拟新建铁路桥施工阶段，分析联络线特大桥46#、47#桥墩临近郑机城际铁路桥梁工程施工(选取最不利断面，承台边缘距离营业线桥下栅栏8.4 m)、运营阶段对既有郑机城际铁路桥71～74号墩桩基础及上部结构的影响。

施工模拟工序见表5。

表5 桥梁施工工序

新建铁路桥梁与既有郑机城际铁路桥空间位置和建模分别见图10、11。

图10 空间位置

图11 计算模型

列车荷载参照ZK荷载取值，静力荷载综合取值为64 kN·m-1，ZK活载的计算见图5。

2.2.2 墩台及上部结构沉降量

桥梁基础工后沉降为从桥上铺轨完成时桥梁基础底面以下土体压缩层(持力层)产生的固结沉降。此时铁路恒载已全部作用到了地基上，京沪线昆山试验段进行的桩基动载试验研究证实，列车不会引起桩的累积沉降变形。因此，桥梁基础工后沉降可按恒载作用下从铺轨完成时基础产生的固结沉降来计算。

通过相关地勘资料以及施工竣工图纸，可以求得施工期2年、运营2年的郑机城际铁路相关既有桥梁的工后沉降，如表6所示。

表6 既有郑机城际铁路桥墩基础工后沉降

既有桥梁桥墩及上部结构的竖向位移云图和沉降云图如图12、13所示。其中从左至右依次为既有铁路桥76#～71#号桥墩。

图12 既有铁路桥76#～71#桥墩及上部结构的竖向位移云图

图13 既有铁路桥76#～71#号桥墩及上部结构沉降云图

由图12、13可知，新建铁路桥梁施工过程及运营阶段对既有桥桥墩影响较小。统计以上各桩基在各工序的变形结果，如表6、7所示。

表6 新建桥引起的桥墩桩基累计沉降值 mm

表7 铁路桥墩桩基单阶段沉降值 mm

选取桥面轨道处各点，得到各阶段桥面轨道沉降曲线，如图14所示。

图14 既有铁路桥71#～74#上部轨道随施工步沉降曲线

图14沉降曲线表明，新桥下部结构施工与架设上部箱梁、施工桥面附属设施阶段，桥面轨道沉降变化量最大，而新桥运营阶段对既有桥轨道影响较小，各施工阶段的沉降量均在DK20+715附近达到最大值。各工序下桥墩的差异沉降及轨道的最大10 m弦见表8。

表8 新建桥梁引起的铁路桥沉降统计

2.2.3 桩基承载力

新建铁路桥梁及运营后的列车荷载对结构下的土体产生向下的摩擦力，即负摩擦力。负摩擦力会对桩基的极限承载力产生不利影响，并引起沉降量增加。本文将既有桥桩基础轴力(图15)与其新建桥通车运营阶段自身桩基轴力(图16)进行比较，考察铁路修建及运行对桩基础的影响。因为新建桥修建对于场地土是一个持续加载的过程，故将最后一个施工阶段(即通车运营阶段)与城际铁路桥梁自身桩基轴力进行比较。通过FLAC3D计算，可得到74#～71#桩基础在新建桥梁施工前和运营阶段轴力的变化。

图15 既有郑机城际铁路桥74#～71#墩桩基轴力

图16 铁路运营后既有郑机城际铁路桥74#～71#墩桩基轴力

将桩基承载力汇总于表9，可知各墩桩基轴力变化幅度较小且相近，最终轴力也均小于设计承载力。

表9 铁路桥墩桩基承载力 kN

3 结 语

(1)联络线特大桥并行郑机城际铁路路基的施工对既有郑机铁路路基有一定影响，但是路基及上部结构沉降量及水平位移均满足规范要求。

(2)联络线特大桥临近郑机城际铁路的施工对既有郑机城际铁路桥梁有较小影响，桥墩及上部结构沉降量、桩基承载力满足规范要求。

(3)施工期间对铁路路基及列车轨道进行变形监测，一旦出现异常，应立即停止施工，启动事故应急预案处理；对观测变形超标的路基段，提出整改措施后再进行施工，以保证铁路运营的安全。

(4)对铁路桥梁进行实时监测，并与数值分析结果相互校核，预测铁路桥梁变形，指导联络线特大桥临近郑机城际铁路的施工。