某新建排洪站对临近既有高铁桥梁的影响分析

李闻秋

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

为了确保高速铁路列车运营的安全性，轨道对铁路桥墩墩顶的各方向位移、沉降有着严格的要求[1]。同时，考虑到临近铁路基坑施工对铁路桥梁桩基础的承载力也有不利影响，因此有必要定量分析临近铁路各类工程施工对铁路桥梁的影响。

文章以某临近高铁的新建排洪站工程为背景，讨论了排洪站工程施工、运营过程对既有高速铁路桥梁的影响。

1 工程概况

新建排洪站工程位于峨溪河中，主要工程包括新建泵站、节制闸、河道护底及河岸处挡墙等。宁安高铁桥梁位于峨溪河北岸，靠近新建排洪站处，为2×（48+80+48）m连续梁。文章重点研究新建排洪站施工、运营对319#～322#墩的影响，桥墩结构参数如表1所示。

工程平面图如图1所示。为了减小基坑内开挖、降水、结构施工对临近高铁的影响，新建排洪站工程在河岸侧设置两排钻孔灌注桩挡墙。钻孔桩桩长为33m，桩径为1.5m，桩间距为1.7m，前后排桩间距为5.5m，桩间及桩前土体采用水泥土搅拌桩加固。新建灌注桩挡墙距321#墩最小距离为10.7m，新建灌注桩挡墙与321#墩基础最小桩间距为12.8m。

排洪站与铁路立面关系图如图2所示。图2表示了排洪站与321#墩的立面关系，图中防护桩挡墙前土体标高为6.95m，节制闸底板底标高3.4m，分别低于321#墩承台底2.739m、6.289m。

根据《铁路安全管理条例》，新建排洪站灌注桩挡墙位于铁路线路安全保护区之内，且基坑开挖深度低于铁路承台底，施工时铁路桩侧土势必发生扰动，有必要分析新建排洪站施工、运营对高速铁路桥墩的影响[2]。

表1 桥墩参数表

图1 工程平面图（单位：m）

图2 排洪站与铁路立面关系图（单位：m）

2 数值模拟分析

采用岩土工程有限元软件PLAXIS 3D建立三维有限元模型，进行数值计算与分析，分析排洪站工程施工对既有铁路的影响。土体采用小应变土体硬化（HSS）本构模型，其基本特征是考虑了土体刚度的应力相关性，显著优于其他土体本构模型，如常用的摩尔-库伦模型、邓肯-张模型等，计算获得的土体变形结果与工程实际吻合性较好[3-4]。计算采用的土体参数如表2所示。

表2 土体材料参数表

铁路桥墩、承台采用实体模拟，泵房、闸站施工及运营荷载采用面荷载模拟。铁路桩基础、双排钻孔灌注桩采用Embedded桩单元模拟，河道内双排钢板桩采用板单元模拟。施工时节制闸基础施工水位为3m，泵房基础施工水位为-0.5m。河岸侧铁路桥桥墩处水位为6.72m。

为了消除模型边界效应，沿X、Y、Z三个方向的边界尺寸分别为300m、200m、100m，其中X为铁路顺桥向，Y为铁路横桥向，Z为竖向，有限元模型如图3所示。

3 结果分析

有限元模型结合排洪站的施工步骤，分析了施工围堰及防护结构、基坑降水、基坑开挖、施工泵房与节制闸、基坑回填、恢复运营6个工况对铁路319#～322#墩顶各方向位移及桩底反力的影响。各施工步骤下桥墩墩顶的变形如图4～图6所示，桩底反力最大增幅如表3所示。

综合图4～图6以及表3的数据可以看出，新建排洪站对320#、321#墩影响较为明显，最大位移均出现在基坑开挖工况；319#、322#墩远离基坑，影响其变形、桩底反力的主要为施工围堰及防护结构工况。桥墩墩顶纵桥向最大位移为-1.32mm，发生在320#墩；最大横桥向位移为1.87mm，最大竖向位移为-0.394mm，均出现在321#墩墩顶。

4 结论

通过对某临近宁安高铁的新建排洪站进行土体-结构三维有限元数值模拟，分析了施工围堰、基坑降水、基坑开挖、施工排洪站、基坑回填、恢复运营6个工况下铁路桥墩横桥向、顺桥向、竖向变形值以及桩底反力的变化情况，得到了以下结论：

图3 有限元模型

图4 墩顶纵桥向位移变化图

图5 墩顶横桥向位移变化图

图6 墩顶竖向位移变化图

表3 桥墩桩底反力变化情况 单位：kN

（1）在充分考虑基坑防护措施后，新建排洪站施工对高铁桥墩影响是可控的。墩顶顺桥向、横桥向、竖向变形的最大值均发生在工况3基坑开挖中，分别为1.32mm、1.87mm、-0.394mm，均小于《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB 10182—2017）中墩顶各方向变形限值2mm的要求，可以满足列车平稳运营要求[5]。

（2）施工排洪站引起铁路桥梁桩底反力最大增幅为195kN，施工过程中桩基的最大承载力小于原设计提供的容许承载力，新建排洪站施工对铁路桥梁桩基础的安全性影响较小[6]。

5 施工建议

根据国内临近高铁桥梁施工经验，结合工程当地地质资料，分析该工程施工过程对桥梁墩台基础相关影响，提出以下建议：

（1）铁路安全保护区内，由于②层淤泥质粉质黏土为中等灵敏性～高灵敏性土，极易受扰动而失去原有强度，从而造成滑坡、垮塌等地质灾害[7]。因此，建议施工时应采取有效措施应对，如采用功率和自重较小的施工设备、降低施工车辆的行进速度，以及控制开挖速率、临时堆载的速度和体量。

（2）施工过程应避免采用重型机械振动碾压，避免过大施工荷载传递至铁路桥梁基础，影响铁路安全。

（3）在排洪站施工的各阶段需有计划地开展铁路桥梁变形监测，根据监测成果，验证、校核理论分析结论，分析、判断铁路桥梁的安全状态。