用有限元方法分析某公路下穿既有铁路对铁路桥梁基础的影响研究

王新胜

（甘肃信达建设工程咨询有限公司，甘肃 兰州 730000）

随着公路下穿铁路桥梁的不断增多，《铁路桥涵设计规范》中规定“下穿的公路或铁路要综合考虑地形地质条件、运营安全等要求，做好对铁路桥的防撞、防洪、防排水设计和施工”[1]。《铁路桥涵地基和基础设计规范》只规定施工后沉降量的限制[2]，而铁路部门所关注的是公路下穿施工过程中对既有铁路桥梁的沉降影响，特别是公路运营后产生的附加荷载对铁路桥梁沉降的影响。由于现阶段并没有相关的规范定量地指出公路因临近既有铁路桥梁施工及运营而影响铁路桥梁沉降的相关指标，因此难以准确体现公路道路施工及运营期间是否对铁路正常运营带来安全隐患。下面以某公路下穿既有铁路桥梁为例，对公路施工、运营期间对铁路的影响进行安全分析，为公路施工提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概述

某公路分别以左幅、右幅及A匝道路基形式下穿既有陇海线沈家河特大桥1、2、3号桥墩。公路与铁路平面交叉关系如图1所示。

图1 公路与铁路平面交叉关系图

1.2 设计方案

陇海铁路等级为国铁Ⅰ级，双线电气化铁路，本项目段运行速度80km/h。陇海铁路沈家河特大桥桥墩尺寸直径3.48m，承台尺寸4.9m×4.9m×2m，梁长32m，两墩净距28.52m。新建公路左幅、右幅及A匝道下穿陇海铁路桥孔。下穿桥墩路面宽分别为13m和15.31m。

路基最外侧距陇海铁路1、2、3号桥墩承台距离分别为2.28m、1.28m、0.45m、0.29m，距1、2、3号桥墩距离分别为4.01m、2.97m、2.24 m、1.91 m。

1.3 土层参数取值

依照地质资料，将施工场地的土层分别简化为如下若干个土层，并依据地质资料中的土工试验报告确定土层相关地质参数，见表1。

表1 土层地质参数

2 有限元模型

采用大型通用有限元分析软件Midas GTS-NX建立整体三维有限元模型进行计算分析，土体模型认为各土层均呈匀质水平层状分布，且同一土层为各向同性采用岩土有限元分析软件Midas GTS进行模拟。模型长度为200m，宽度160m，深度30m，土体采用修正摩尔-库伦模型来模拟土的本构关系，桥梁的桩基采用1D梁单元模拟，其他结构均采用3D实体单元模拟，桥梁的上部结构均以荷载形式加载在桥墩上来模拟[3]，土体水平四周边界采用水平约束，底边界采用竖向约束[4]。

2.1 现状、施工及运营过程模拟

按公路建设完成进行建模分析，分为：现状阶段、道路施工阶段及道路运营阶段，分别对各阶段进行模拟，结果如图2～6所示。

图2 现状阶段模型

图3 道路施工阶段模型

图4 道路运营阶段模型

图5 道路施工阶段土体沉降变形图

图6 道路施工阶段陇海铁路沈家河特大桥桥墩顶沉降变形图

根据有限元分析软件Midas GTS-NX建立整体三维有限元模型进行计算分析，道路施工对陇海铁路沈家河特大桥的沉降变形结果见表2。

表2 道路施工阶段桩基沉降计算结果

根据表2计算结果可知：由于道路施工引起陇海铁路桥梁基础阶段附加沉降最大值为-0.494mm，本阶段附加累计沉降量0.047mm。

2.2 道路运营对铁路桥梁变形影响模拟分析

在道路施工阶段的基础上，激活运营荷载来模拟本阶段，结果如图7和图8所示。

图7 道路运营阶段土体沉降变形图

图8 道路运营阶段陇海铁路沈家河特大桥桥墩顶沉降变形云图

根据有限元分析软件Midas GTS-NX建立整体三维有限元模型进行计算分析，道路运营对陇海铁路沈家河特大桥的沉降变形结果见表3。

表3 道路运营阶段桩基沉降计算结果

根据表3计算结果可知：由于道路运营引起陇海铁路桥梁基单阶段附加最大沉降值为-0.287mm，本阶段附加累计沉降量-0.239mm。

3 结论

经有限元定量计算分析表明，施工过程中引起的陇海铁路阶段附加沉降量为-0.494mm～0.541mm，阶段累计附加最大沉降量为0.541mm，满足《公路与市政工程下穿铁路技术规程》规定的附加最大沉降量2mm的限值要求；叠加设计值后的累计沉降量最大值为-2.045mm，满足《铁路桥涵设计规范》规定的工后沉降量20mm的限值要求。