新建城际轨道交通桥梁下穿既有高铁桥梁的影响分析

魏士杰

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600)

近年来，我国高速铁路和城市轨道交通的发展建设越来越快，路网交叉的情况也随之越来越多，在路网交叉过程中，会出现新建桥梁下穿既有高铁桥梁的情况，在其施工过程和后续的运营过程中，会对周边的高铁桥梁基础产生扰动，使之产生水平位移和沉降。为此，在新建桥梁下穿高铁桥梁的情况下，需要对下穿方案做出安全评估，保证高铁桥梁的位移和沉降能够在合理的控制标准之内。

针对此种情况，国内一些学者对新建桥梁下穿既有桥梁的影响进行了分析。王景春[1]等采用有限差分软件对新建工程对高铁基础变位的影响进行了安全评估。王加明[2]对既有线桥墩进行沉降观测及数据分析,得出高铁桥梁下方施工各桥墩沉降均满足规范要求的结论。孙宗磊[3]等开展了石济客专与京沪高铁的并行线间距选择与下穿高铁影响分析的研究。林峰[4]分析了新建桥施工、运营过程中对高铁桥梁基础的影响。

结合新建无锡至江阴城际轨道交通桥梁下穿京沪高铁丹昆特大桥工程,采用Midas GTS/NX数值模拟软件对新建桥梁施工过程中引起既有高铁桥墩及承台的位移情况和桥桩承载力方面进行了计算分析,对新建桥梁施工过程安全性进行预测。

1 工程概况

无锡至江阴城际轨道交通工程S1线于里程XYCK28+183.43处下穿京沪高铁丹昆特大桥，城际轨道S1线中线与京沪高速铁路中线交角约为55°，高铁桥下净空约为14.8m。城际轨道S1线从京沪高铁丹昆特大桥2153#(K1192+533)桥墩和2154#(K1192+558)桥墩中间穿行而过，桥梁采用桩接承台接Y型墩形式，桩基采用Φ1.2m钻孔灌注桩，摩擦桩设计。下穿段桥梁采用膺架法施工，在轻轨桥下设置两辅助施工的桩基承台，梁体荷载由XY17#和XY18#承台及辅助承台承担，辅助承台下采用0.8m桩基，平面关系如图1所示。

图1 城际轨道与京沪高速铁路平面关系

2 控制标准

2.1 铁路线路沉降变形经验控制指标

通常情况下铁路桥墩沉降变形是导致上方线路不平顺的主要原因，根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》及以往临近铁路工程的经验，受下穿工程影响的高速铁路桥梁墩台顶位移限值应符合表1规定：

表1 墩台顶位移限值(单位：mm)

京沪高铁轨道结构为无砟，因此设定高铁桥梁桥墩和承台的竖向位移、横桥向水平位移和顺桥向水平位移的变形控制值为2mm。

2.2 桥梁结构安全标准

工程施工本身及施工期间的外力可能对既有铁路桥梁桩基产生附加影响，检算其单桩设计承载力不得大于原设计单桩容许承载力。

3 数值模拟

3.1 模型建立及施工模拟

(1)模型建立

利用Midas GTS/NX软件建立三维有限元数值分析模型，在三维建模中，计算区域主要根据新建桥梁与既有桥梁的位置关系，并满足一定边界效应的要求来确定。在本模型中，为满足桥梁施工的边界效应，三维数值模型整体尺寸为80m(x)×80m(y)×100m(z)。

本模型采用位移边界条件：侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取为自由边界。土体强度准则为Mohr-coulomb准则，采用实体单元模拟，土层计算参数结合本工程地质勘察报告和相关的工程经验进行取值如表2所示，得到计算模型如图2所示。

表2 土层参数

图2 三维数值模型图

(2)施工过程模拟

整个施工过程模拟按照实际施工顺序进行分步施工，总共15个施工工况如表3所示。

表3 施工步序

3.2 计算结果分析

(1)高铁桥墩及承台的变形

通过数值模拟，得到新建桥梁施工对京沪高铁2153#～2154#桥墩及承台的影响(工况9～工况15)，主要包括横桥向位移(模型x方向)、顺桥向位移(模型y方向)以及竖向的沉降(模型z方向)，计算结果如表4、表5所示。

表4 各工况下桥墩顶累计位移(单位：mm)

表5 各工况下承台顶累计位移(单位：mm)

由表4知，新建桥梁施工过程中引起的高铁墩顶最大顺桥向位移发生在工况14(施加新建桥梁施工荷载)，位于2154#墩，最大位移-1.457mm；高铁墩顶最大横桥向位移发生在工况15(施加新建桥梁运营荷载)，位于2154#墩，最大位移-1.226mm；高铁墩顶最大竖向位移发生在工况14(施加新建桥梁施工荷载)，位于2154#墩，最大位移-1.272mm。

由表5知，新建桥梁施工过程中引起的高铁承台最大顺桥向位移发生在工况15(施加新建桥梁运营荷载)，位于2153#墩，最大位移0.279mm；高铁承台最大横桥向位移发生在工况15(施加新建桥梁运营荷载)，位于2153#墩，最大位移0.303mm；高铁承台最大竖向位移发生在工况14(施加新建桥梁施工荷载)，位于2154#墩，最大位移-1.635mm。

桥墩和承台的最大竖向位移、最大横桥向水平位移和最大顺桥向水平位移均小于变形控制值2mm，满足安全施工和运营的要求。

(2)高铁桥桩的变形

为研究新建桥梁施工引起的高铁桩基的变形，提取施加新建桥梁运营荷载后引起的水平变形。新建桥梁施工对靠近的高铁桩基变形的影响较大，因此提取靠近新建桥梁的桩变形，分别为2153#桥墩下靠近新建桥梁的1号桩，及2154#靠近新建桥梁的2号桩，提取变形的桩的位置如图3所示。

图3 提取变形的桩的位置示意图

由图4，施加新建桥梁运营荷载后，1号桩基最大的x向偏移出现在桩顶位置，1号桩基最大的y向偏移出现在距离桩顶15m的桩身位置；2号桩基最大的x向偏移出现在桩顶位置，2号桩基最大的y向偏移出现在桩顶位置。施加新建桥梁运营荷载后引起高铁桥桩桩身变形为：1号桩桩身的最大x向位移为0.135mm，1号桩桩身的最大y向位移为-0.181mm，2号桩身的最大x向位移为-0.163mm，2号桩身的最大y向位移为-0.209mm。

图4 施加新建桥梁运营荷载后桩身水平变形

施加新建桥梁运营荷载后引起高铁桥桩桩顶变形为：1号桩桩顶的x向位移为0.135mm,1号桩桩顶的y向位移为0.129mm，2号桩桩顶的x向位移为-0.163mm，2号桩桩顶的y向位移为-0.209mm。桩底的水平位移接近为零。

(3)桥桩承载力

施加新建桥梁运营荷载后，高铁桥梁桩基单桩承载力变化情况如表6所示。

表6 单桩承载力对照(单位：kN)

由表6可知，2153#高铁桥梁桩基单桩承载力原设计为5025.43kN，施加新建桥梁运营荷载后2153#高铁桥梁桩基单桩最大承载力为5067.41kN，2153#高铁桥梁桩基单桩容许承载力为5380.14kN。2154#高铁桥梁桩基单桩承载力原设计为3237.07kN，施加新建桥梁运营荷载后2154#高铁桥梁桩基单桩最大承载力为3284kN，2154#高铁桥梁桩基单桩容许承载力为3403.22kN。由此可知，施加新建桥梁运营荷载后，2153#和2154#高铁桥梁桩基单桩承载力与容许承载力之间仍然有一定的安全储备，高铁桥桩安全。

4 结论

(1)新建桥梁施工和运营过程中引起的高铁墩顶最大x向(顺桥向)位移为-1.457mm；高铁墩顶最大y向(横桥向)位移为-1.226mm；高铁墩顶最大竖向位移为-1.272mm。

新建桥梁施工和运营过程中引起的高铁承台最大x向(顺桥向)位移为0.279mm；高铁承台最大y向(横桥向)位移为0.303mm；高铁承台最大竖向位移为-1.635mm。

桥墩和承台的最大竖向位移、最大横桥向水平位移和最大顺桥向水平位移均小于变形控制值2mm，满足安全施工和运营的要求。

(2)施加新建桥梁运营荷载后引起高铁桥桩桩顶变形为：桥桩桩顶的最大x向位移为-0.163mm，桥桩桩顶的最大y向位移为-0.209mm。桩底的水平位移接近为零。

(3)施加新建桥梁运营荷载后，单桩承载力与容许承载力之间仍然有一定的安全储备，高铁桥桩安全。

(4)通过计算分析可知，新建桥梁施工和运营过程中，桥梁桥墩和承台的各向位移均小于变形控制标准，桩身变形很小，单桩最大承载力也小于原本设计的单桩容许承载力。故新建无锡至江阴城际轨道交通桥梁下穿京沪高铁丹昆特大桥方案可行，施工风险可控。