市政桥梁下穿高铁全过程数值模拟分析

喻院平

随着我国经济高速发展，交通规划日益完善。在复杂的交通规划网络图中难免出现线路交叉、公路与铁路交叉。为了保证后实施的路线结构能顺利施工，且不影响运营线路结构安全，为此在后续设计时应该对实施结构及现运营的线路结构安全做全过程数值模拟，确保在后期实施的结构的影响范围在规范规定的安全范围之内。本文借助市政桥梁下穿高铁设计为例，为保证后续施工市政桥梁对高铁桥梁的影响可控，本次设计采用全过程数值模拟分析。

一、前言

某市政道路桥梁下穿高铁，根据铁路局相关要求减小对高铁桥结构的影响需采用桥梁结构形式下穿，铁路桥布孔采用标准32m 跨，市政道路下穿时考虑分幅分孔下穿。市政桥梁采用现浇箱梁，设计时考虑全过程施工便道、施工桩基、开挖承台、满堂支架现浇及运营各阶段对铁路桥梁的影响，设计采用全过程精细化数值模拟，以较精确的模拟全过程市政桥梁对铁路桥梁影响，为设计及施工提供指导性意见。

二、模型建立

本项目即将实施的市政桥梁位（20+30+20）连续梁，桥梁全长80m，桥面宽度合计约40m，为了减小对高铁桥墩的影响，考虑在两边跨内设置施工便道。与本项目相交的高铁桥墩有4 个，最远距离80 余米，故本次模型所取计算模型尺寸为长宽高分别为200m×150m×50m，长度与宽度超出核心计算区域结构体范围2 倍以上，深度取到基岩层，边界效应的影响满足圣维南原理，模型模拟采用程序自动边界约束，即底部约束全部平动位移，长宽面分别约束水平方向位移，网格划分按照关键分析部位网格密，非关键部位逐渐稀疏的网格划分原则，建立好的数值计算模型如图1 所示。

设计时考虑全过程分析，考虑各个不同的施工阶段的最不利影响，在数值模拟时考虑采用分阶段惊醒模拟施工进程，根据桥梁一般施工习惯考虑如下施工阶段划分进行分析。施工阶段划分为：阶段一，初始应力场计算；阶段二，自平衡（本阶段主要桥梁高铁桥墩下部结构已运营多年，在初始阶段已考虑该部分，本阶段位移清零以不考虑残余变形的影响）；阶段三，便道施工，并考虑便道车道荷载（采用10KPa）；阶段四，模拟市政桥梁桩基施工；阶段五，模拟桥梁承台开挖并施工承台及桥墩；阶段六，模拟市政桥梁上部结构施工及成桥运营。

图1 三维数值分析模型

三、模拟计算结果及分析

便道施工过程，利用均布荷载模拟加载施工过程，便道影响结构的位移如图2～图4 所示：

图2 便道施工完成后高铁桩基、承台桥墩竖向位移云图

表1 高铁结构位移汇总表

表2 墩台顶位移限值（mm）

图3 便道施工完成后高铁桩基、承台桥墩纵向位移云图

图4 便道施工完成后高铁桩基、承台桥墩横向位移云图

通过数值模拟分析得到以上的位移云图可知，便道施工及通车后，主要引起整体沉降变形，土体变形传递到邻近高铁桩基及承台，导致高铁下部分整体最大沉降0.377mm，最大沉降位置发生在土体较弱的桩基部分。墩顶最大竖向位移为0.294mm。高铁下部结构整体水平纵向和水平横向最大变形为0.414mm 与0.585mm，最大位移都发生在桩基与承台连接部，墩顶水平纵向和水平横向最大变形0.23,mm 与0.18mm。

由于篇幅所限，本文仅列主施工阶段一荷载工况作用下的结构位移云图，其余施工阶段以汇总表的形式惊醒列主，在不同阶段下荷载位移入表1 所示。

根据数值模拟分析结构变形可知，公路桥梁全程施工过程下穿高铁桥墩的过程中，公路桥梁前期便道、桩基与承台桥墩的施工以及桥梁浇筑对高铁桥墩的影响都在可控范围。

根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》TB 10182-2017 中相关规定要求，下穿工程影响高速铁路桥梁墩台顶位移限制应符合上表规定。

根据以上计算结果均能满足规范限值，故通过数值计算分析结果表明市政桥梁全过程对高铁桥墩的影响是可控的。

四、结语及建议

通过上述数值结果模拟全过程计算，市政桥梁施工及运营对高铁桥的影响满足相关规范要求。在施工过程中施工过程中，应严格按“动态设计、信息法施工”的要求实施，对受影响的铁路桥墩在下穿桥施工过程中实施全过程监测，如有异常及时停止施工并采取相应的措施。此外桩基的分析为静力学分析，载施工桥梁桩基时建议采取减少机械钻孔过程中震动的措施，以免较大震动荷载对铁路桥梁结构安全产生影响。