邻近高铁新建构筑物对商合杭高铁桥梁的变形影响分析

王 睿

（中国铁路设计集团有限公司，天津市 300451）

0 引 言

目前，中国基本已建成“四纵四横”高速铁路网，高铁累计运营里程达2.9万km，占世界总运营里程三分之二以上。高速铁路的大规模建成通车方便了乘客快捷出行，但由于高速铁路对沉降变形等要求较高，临近高速铁路的新建工程是否满足高铁运营安全的要求就成了一个必需解决的问题[1-2]。

1 工程概况

毫州市涡北污水处理厂位于毫州谯城区涡北片区，东侧为在建商合杭高铁，设计日处理规模为4×104m3/d，污水处理厂重点收集涡北片区生活污水。涡北污水处理厂一期于2013年投入运行，日处理能力为2万m3，采用曝气生物滤池工艺。该工程拟对污水处理厂按远期规模扩建至4万m3/d，扩建位置在既有厂房与在建商合杭高铁之间，平面位置如图1所示。

2 商合杭高铁概况

商丘至合肥至杭州铁路线位于河南、安徽和浙江三省境内，线路起于河南省省商丘市，向南途径安徽省亳州、阜阳、淮南、六安、合肥、马鞍山、芜湖、宣城，而后进入浙江省湖州至杭州。新建线路长608.024 km，沿线共新建及改扩建车站22座，是沟通中原地区、安徽省与长江三角区的快速客运专线。本工程影响范围为新建商丘至合肥至杭州铁路商丘至阜阳段的亳州特大桥。

图1 污水处理厂与商合杭高铁平面位置图

2.1 主要技术标准

线路等级：高速铁路；

此段设计速度目标值：350 km/h；轨道标准：无缝线路、无砟轨道；设计荷载：ZK活载。

2.2 桥梁设计概况

亳州特大桥位于商合杭高铁商丘至阜阳段，亳州特大桥中心里程DK62+585.57，全长5.189 7 km。该次施工影响范围为亳州特大桥542#～550#号桥墩，采用32 m简支箱梁，双线流线形圆端实体桥墩，桩基础，详细设计参数见表1。

3 污水厂扩建设计概况

污水处理厂新增单体建筑根据工程需要设置，主要有A2O及斜板沉淀组合池、反硝化深床滤池、鼓风机房及污泥浓缩池等。新建构筑物详见表2。

4 高速铁路桥梁变形限值

4.1 沉降限值要求[3]

《高速铁路设计规范》（TB 10177—2014）明确给出了工后沉降的定义、桥梁工后沉降量及差异沉降量限值要求，其内容如下：

（1）第2.1.9条给出工后沉降的定义：铺轨工程完成以后，基础设施产生的沉降量为工后沉降。

（2）第7.3.10条给出桥梁墩台基础的沉降应按恒载计算，其工后沉降量不应超过表7.3.10限值，见表3。

表3 静定结构墩台基础工后沉降限值

4.2 横向水平变形限值要求[3]

《高速铁路设计规范》（TB 10177—2014）第7.3.9条给出墩台横向水平线刚度需要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，并应对最不利荷载作用下墩台顶横向弹性水平位移进行计算。

在ZK活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，墩顶横向水平位移引起的桥面处梁端水平折角应不大于1.0‰弧度，如图2所示。

4.3 纵向水平变形限值要求[4]

《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）第5.4.4条规定对铁路桥梁的墩顶的顺桥向水平变形量给出了明确要求：

墩台顶帽面顺桥方向的弹性水平位移应符合下列规定，

表1 亳州特大桥542号～550号墩基础设计参数表

表2 扩建工程新建构筑物一览表

图2 水平折角示意图

式中：L为桥梁跨度，m：当L＜24 m时，L按24 m计算；当为不等跨时，L采用相邻中较小跨的跨度，m；Δ为墩台顶帽面处的水平位移，mm；包括由于墩台身和基础的弹性变形，以及基底土弹性变形的影响。

5 扩建工程对商合杭高铁的变形分析

5.1 有限元模型

采用大型通用有限元分析软件Plaxis 3d建立整体三维有限元模型进行计算分析，污水处理厂扩建工程施工及运营对商合杭亳州特大桥影响范围为542#～550#号桥墩，由于范围较大，该次分542#～546#、547#～550#两个模型进行分析评估，模型三维透视图分别如图3和图4所示。

图3 542#～546#三维透视模型

图4 547#～550#三维透视模型

5.2 变形分析结果

5.2.1 沉降影响分析

各墩沉降计算结果见表4，542#～546#及547#～550#墩土体沉降变形分别如图5和图6所示。

表4 沉降计算结果汇总

图5 542#～546#墩土体沉降变形图

图6 547#～550#墩土体沉降变形图

由上表可知，污水厂扩建工程引起商合杭高铁桥梁542#～550#号墩最大附加沉降为2.342 mm，叠加原设计工后沉降后最大总沉降为18.805 mm，引起的最大附加差异沉降为2.442 mm，最大累计总差异沉降3.395 mm。因此该施工阶段引起的商合杭高铁桥梁基础总沉降及差异沉降均满足《高速铁路设计规范》（TB 10621—2014）中沉降的限值要求。

5.2.2 墩顶横向水平变形分析

商合杭高铁墩顶横向水平变形计算结果见表5，542#～546# 及 547#～550# 墩土体横向水平变形如图7和图8所示。

表5 商合杭高铁墩顶横向水平变形值

图7 542#～546#墩土体横向水平变形图

图8 547#～550#墩土体横向水平变形图

由表5可知，污水厂扩建工程引起的墩顶最大附加横向水平变形值最大为6.185 mm，叠加设计初始值累计横向水平变形值最大为17.3 mm。根据上述数据，544#、546#、547#、548# 和 549# 墩的墩顶横向位移超出允许横向水平位移限值。

5.2.3 墩顶纵向水平变形分析

商合杭高铁墩台顶纵向水平变形计算结果见表6。

由表6可知，污水厂扩建工程引起的墩顶纵向水平变形，最大纵向水平变形值为2.064 mm，叠加初始设计累计纵向水平变形值最大为14.074 mm，在纵向水平位移限值以内。

表6 商合杭高铁墩台顶纵向水平变形值

5.3 污水处理厂施工对商合杭高铁桥梁变形评估结论

（1）污水厂扩建工程引起的商合杭高铁附加沉降量为-2.205～1.258 mm，叠加设计值后的累计沉降量最大值为-18.805 mm，满足《高速铁路设计规范》（TB 10621—2014）规定的工后沉降量20 mm的限值要求。

（2）污水厂扩建工程引起的商合杭高铁附加差异沉降量为1.368～2.442 mm，叠加设计值后的累计差异沉降量最大值为3.395 mm，满足《高速铁路设计规范》（TB 10621—2014）规定的工后差异沉降量5 mm的限值要求。

（3）污水厂扩建工程引起的商合杭高铁附加横向水平变形为0.181～6.185 mm，叠加设计值后的累计横向水平位移最大值为17.3 mm，其中544#、546#、547#、548#和549#墩的墩顶横向位移不满足《高速铁路设计规范》（TB 10621—2014）规定的横向水平变形的限值要求。

（4）污水厂扩建工程引起的商合杭高铁附加纵向水平变形为-1.523 mm～2.064 mm，叠加设计值后的累计纵向水平位移最大值为14.074 mm，满足《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1—2005）规定的纵向水平变形的限值要求。

6 结 语

通过对污水处理厂扩建工程对邻近商合杭高铁桥梁结构的变形分析，可以得到如下结论和建议。

（1）为减小亳州污水处理厂改扩建工程施工对商合杭高铁桥梁的影响，建议该工程先于商合杭高铁桥梁施工。

（2）为保证本工程的可行性，应在商合杭高铁亳州特大桥543#～550#墩范围与本工程之间设置安全防护（隔离）措施，同时对亳州特大桥544#～549#墩的桩基础进行加强。

（3）该次变形评估分析可作为邻近高铁的新建工程或货物堆载场等对高铁桥梁结构变形影响的参考。