新建道路施工对临近高铁桥梁的影响分析

刘华琛

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 工程概况

1.1 U型槽设计

新建道路下穿高铁处，高速铁路为四线并行，线间距为5.30+5.00+5.30 m。道路分幅从桥下通过，左幅道路从109#～110#墩间穿过，右幅道路从110#～111#墩间穿过，其中高铁108#～110#之间为32 m简支箱梁，110#～116#墩之间为6x32 m道岔连续梁。下穿处道路采用U型槽形式分幅穿过，左幅和右幅断面分别为15 m和16 m宽。地下水埋深0.1～3.25 m，且U型槽基底置于σ0=50 KPa的淤泥质软土层上，综合考虑抗浮和地基处理后，在U型槽底部设置0.8 m嵌岩钻孔桩。

1.2 框构设计

新建道路下穿市域铁路处，路基段设置2座4.25 m(非机动车道)+11.25 m(机动车道)+7.1～7.59 m(绿化带)框构。框架主体均采用C40钢筋混凝土。框构所处位置，基岩起很大，左幅框构表层淤泥较厚，基岩较深，地基采用0.8 m钻孔灌注桩嵌岩进行处理；右幅框构表层淤泥较薄，基岩较浅，地基采用淤泥换填C40混凝土进行处理。

1.3 地质条件

依据地质资料将施工场地的土为4层，各土层的具体参数取值如表1所示。

表1 土层参数

1.4 基坑防护设计

本工程下穿高速铁路U型槽范围内，基坑开挖采用φ1.25 m混凝土钻孔灌注桩防护，桩间距1.5 m，桩长7～18 m。桩顶设1 m高的钢筋混凝土冠梁，冠梁宽1.45 m。防护桩及冠梁采用C25混凝土。防护桩内侧挂网锚喷混凝土，外侧采用桩径为0.6 m，间距为0.4 m的双排水泥搅拌桩止水帷幕，

本工程市域铁路框构范围内，采用直径为1.5 m钻孔灌注桩，桩间距1.7 m，桩长8～20 m。基坑外侧分别设置单排直径为0.8 m，间距为0.6 m的高压旋喷桩止水帷幕。钻孔灌注桩采用C30混凝土材料。基坑深度为4.9～6.4 m。

2 三维有限元模拟

2.1 模型建立

本文采用MidasGTS有限元分析软件，以平行高铁方向为X轴；垂直高铁方向为Y轴；竖直方向为Z轴。为消除计算边界效应的影响，考虑施工过程中的空间效应，计算模型沿X方向取160 m，沿Y方向取160 m，土层总深度为40 m。

图1 三维有限元模型

计算模型中土体、U型槽、框构采用三维四面体网格模拟，铁路桥墩、桩基础、防护桩、抗浮桩等采用梁单元模拟，铁路桥承台采用板单元模拟，梁部荷载换算为等效均布荷载施加在桥墩上，以此作为初始阶段，然后根据施工阶段激活或钝化相应单元及荷载，计算道路U型槽及框构施工对在建铁路桥梁基础的影响。土体采用修正摩尔-库伦模型来模拟土的本构关系，模型顶面取为自由边界，底面采用竖向约束，其它面均采用法向约束。

2.2 施工步骤

根据本工程的施工方案，模拟为9个施工阶段：

(1)阶段一：施工防护桩和横撑；(2)阶段二：基坑开挖第一层；(3)阶段三：基坑开挖第二层；(4)阶段四：框构地基处理及施工抗浮桩；(5)阶段五：施工U型槽抗浮桩；(6)阶段六：拆除横撑；(7)阶段七：施工左幅U型槽；(8)阶段八：施工右幅U型槽；(9)阶段九：施工框构。

3 计算结果分析

通过有限元计算并分析，施工过程引起的高铁桥梁墩顶附加竖向位移、附加顺桥向水平位移和附加横桥向水平位移最大值分别发生在施工框构阶段、施工右幅U型槽阶段和框构地基处理及施工抗浮桩阶段。阶段四的位移云图如图2所示。

图2 阶段四：高铁桥墩墩顶横桥向变形云图/mm

(1)墩顶竖向位移

本工程施工各阶段引起高铁桥梁墩顶累计附加竖向变形计算结果见图3。施工引起的墩顶竖向位移经过先增加，后随着基坑开挖逐渐减小，又随着U型槽和框构的施工逐渐增加的过程，在施工框构阶段达到最大值-0.012 mm。这是由于施工影响范围内的高铁桩基全部为嵌入硬质岩层中的柱桩，所以本次施工过程引起的高铁桥梁墩顶竖向附加位移很小，满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》不超过2 mm的要求。累计附加竖向差异变形最大值发生108～109号墩之间的框构施工阶段，最大值为-0.01 mm，满足《高速铁路设计规范》中相邻墩沉降差不大于5 mm的要求。

图3 高铁桥梁墩顶累计附加竖向变形(mm)

(2)墩顶顺桥向水平位移

本工程各施工阶段引起高铁桥梁墩顶附加顺桥向变形计算结果如下：开挖基坑和拆除横撑阶段引起高铁桥梁墩顶的顺桥向水平位移大幅增加，其中最大累计附加顺桥向变形发生在109#墩的U型槽右幅施工阶段，值为2.777 mm，向大里程方向变形。

叠加设计值后累计顺桥向位移值见图4所示，累计顺桥向变形最大值仍发生在109#墩U型槽右幅施工阶段，最大变形值为9.797 mm，向大里程方向变形，满足《铁路桥涵设计规范》(TB10002-2017)铁路桥梁墩台顶纵向水平变形量≤5√L=28.3 mm的要求。可见，道路施工须与高铁桥梁同期实施，如果等高铁桥梁施工完成后，再施工道路产生的附加顺桥向变形将不满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》中规定的墩顶纵向水平位移限值2 mm的要求。

图4 高铁桥梁墩顶累计顺桥向水平变形

(3)墩顶横桥向水平位移

本工程施工阶段引起高铁桥梁墩顶附加横桥向变形计算结果如下：本工程施工过程中开挖基坑和拆除横撑两个阶段对高铁桥墩墩顶横桥向水平位移影响较大。墩顶累计附加横桥向变形最大值发生在110号墩框构地基处理及抗浮桩施工阶段，最大变形值为0.447 mm，面向大里程向左侧方向变形，满足《公路与市政工程桥梁下穿高速铁路技术规程》中无砟轨道墩顶横桥向位移不超过2 mm的限值要求。

叠加设计值后累计横桥向位移值见图5。叠加设计位移后，横桥向变形最大值仍发发生在110号墩框构地基处理及抗浮桩施工阶段，最大变形值为3.497 mm，面向大里程向左侧方向变形，满足《高速铁路设计规范(TB110621-2014)》铁路桥梁墩台顶横向水平变形量≤0.000 5 L=16 mm的要求。

图5 高铁桥梁墩顶累计横桥向水平变形

4 结 论

本文运用Midas GTS有限元软件，对复杂地基条件下，临近高铁道路施工的全过程进行数值模拟，分析防护桩施工、基坑开挖、U型槽和框构施工等阶段对高铁桥梁基础产生的影响，得到的主要结论如下：

基坑开挖和拆除横撑阶段对高铁桥梁墩顶各方向引起的附加位移幅度较大，道路施工过程中高铁墩顶最大累计附加竖向位移为-0.012 mm，发生在110#墩施工框构阶段，累计附加竖向差异变形最大值为-0.01 mm，发生108～109号墩之间的框构施工阶段，均满足规范要求。

道路施工过程中高铁墩顶最大累计附加顺桥向变形为2.777 mm，叠加设计位移后最大累计顺桥向变形为9.797 mm，均发生在109#墩的U型槽右幅施工阶段，满足《铁路桥涵设计规范》(TB10002-2017)铁路桥梁墩台顶纵向水平变形量≤5√L=28.3 mm的要求，可见，本工程道路须与高铁桥梁同期实施才能满足规范中的顺桥向变形要求。

道路施工过程中高铁墩顶最大累计附加横桥向变形为0.447 m，叠加设计位移后最大累计横桥向变形为3.497 mm，均发生在110号墩框构地基处理及抗浮桩施工阶段，均满足规范要求。

目前，本工程的道路、高铁桥梁和市域铁路，均已安全施工完毕，验证了该下穿防护方案和有限元模拟施工阶段的方法是可行的，为类似场地条件下道路下穿高铁桥梁的施工和防护提供了借鉴经验。