某高铁下新开航道开挖施工安全性分析

胡君颖 楼伟中

摘 要：为确保沪昆高铁桥墩结构稳定及运营安全，结合路上开挖段的航运需求，对下穿段桥墩的保护措施进行设计，使得设计成果安全可靠、经济合理。通过对下穿段进行有限元建模计算分析，该加固系统采用围护+地基处理+河底加固的形式，能有效控制航道和桥墩变形，从而保证了高铁的安全运营。

关键词：高铁桥墩;开挖;下穿;加固;安全分析

1 土体开挖对既有高铁桥梁的影响

我国东部地区由于存在软土层较厚，土体含水量较大，土层强度较低等不利因素，导致天然地基承载力较弱，而高速铁路由于其运行速度极快，对其结构的位移和沉降界限有着严格的要求，轻微的工程扰动都有可能产生较为严重的后果[1]。下穿航道开挖最终可能导致高速铁路桥梁桩基，乃至线上轨道结构产生附加竖向位移和水平变形，加之高速铁路轨道变形限制严格，亟需深入研究新航道建设与高速铁路桥梁的相互影响及关键的控制措施[2-3]。

2 航道下穿沪昆高铁加固段设计

为保护京杭运河二通道博陆-八堡段下穿沪昆高铁的桥墩，通过实地测量、研究讨论、可行性分析，从基础防侧向位移、防冲刷和防撞三方面进行设计，设计一套下穿段加固保护体系。具体的加固结构如图1所示。包括：

2.1 围护结构设计

单个桥墩的围护桩共设置三排，位于边跨侧的为外侧桩，位于主跨侧的靠近桥墩的为中间桩，位于主跨侧远离桥墩的为内侧桩。232#桥墩处外侧桩的数量为69根，中间桩的数量为69根，内侧桩的数量为72根。233#桥墩处外侧桩的数量为60根，中间桩的数量为67根内侧桩的数量为65根。排桩桩基直径为1.2 m，外侧桩桩长30 m，中间桩、内侧桩桩长28 m，桩间距1.4 m，桩顶设置冠梁，冠梁的横截面尺寸为1.0×1.0 m（横向×竖向）。

内侧桩和中间桩之间设置钢筋混凝土板，外侧桩和中间桩采用斜撑连接，斜撑的横截面尺寸为1.0×1.0 m（横向×竖向），使围护桩、斜撑和钢筋混凝土板连成整体。施工期间在围护桩之间设置两层横向支撑，横撑的横截面尺寸为1.0×1.0 m（横向×竖向），加固横撑和桩基连成整体。航道开挖完成后拆除横撑和多余的围护桩。

2.2 基底加固设计

基坑底采用水泥搅拌桩加固土体，搅拌桩的布置形式采用格钩式。外侧桩和中间桩间水泥搅拌桩有效桩长为10 m。

2.3 河底加固设计

在围护桩加固范围内，河床底采用“米”字形锚梁进行加固，锚梁的横截面尺寸为1.0×1.1 m（横向×竖向），横锚梁的中心间距为15 m，锚梁底部采用水泥搅拌桩加固土体，搅拌桩的布置形式也采用格钩式，有效桩长为5 m。

2.4 航道防撞墙设计

在航道净宽要求范围外设置防撞挡墙，防撞挡墙独立设置，墙底设置15 m长、直径1.0 m的钻孔灌注桩。

3 下穿段两侧高铁桥墩安全性保证

采用PLAXIS 3D有限元软件对本项目的施工过程进行模拟。模型尺寸为300 m×150 m×100 m（航道中心线方向×航道断面方向×深度）。连续梁、轨道板及列车运行产生的动荷载转化为均布荷载作用于桥墩墩顶[4]。选用便于数值计算收敛的摩尔库伦模型（M-C模型）。对航道外部结构和加固措施进行合理简化，通过“生死单元”的激活与杀死模拟施工过程中土体和结构的增减[5]。有限元模型及网格划分如图2至图3所示。航道开挖数值模拟工况共设32个分析步，经过合并后共有12种工况，如表1所示。

经数值模型的前期计算发现，在模型的容许误差范围内，该加固方案能有效控制高铁桥墩的各方向位移，保证了新开航道施工过程中高桥桥墩的安全;同时，航道基坑本身也处于一个安全的状态，各结构物的位移满足一级基坑的变形要求。但是，该加固方案是否富余还需进一步验证，力求做到经济性与安全性的统一。

参考文献：

[1]田玉军，朱吉双.水运管理[J].水运管理，2010，32（12）： 10-13.

[2]林迪斯.富水软土地层地铁车站深基坑降水开挖支护稳定性研究[D].北京： 北京交通大学，2019.

[3]TB10182-2017，公路与市政工程下穿高速铁路技術规程[S].北京： 中国铁道出版社，2018.

[4]魏洋洋.盾构近接穿越对桥梁桩基及土体的影响分析[D].福州： 福州大学，2016.

[5]伍程杰，俞峰，龚晓南，等.开挖卸荷对既有群桩竖向承载性状的影响分析[J].岩土力学，2014，35（9）：2602-2608.