新建铁路下穿京沪高铁设计及影响分析

徐京海

(中国铁路上海局集团有限公司,上海 200070)

1 概述

随着我国高速铁路不断发展,新建工程与高铁交叉的情况日益增多。结合穿越铁路营业线工程的相关经验,宜优先选择在高速铁路桥梁地段下穿,可采用路基、桥梁、桩板结构、U形槽等多种方案。

在下穿高铁过程中,填土或开挖会引发相邻已建成桥梁结构的附加沉降、土体水平位移、桩侧负摩阻力等一系列问题。已有学者开展相关研究,孙宗磊等针对下穿京沪高铁桥墩布置方案,采用有限元程序进行沉降影响分析[1];李耐振等对下穿高铁的U形槽和桩板结构进行比较分析[2]。另外,下穿高速铁路工程应按规定对设计方案进行专项咨询[3-4]。不难看出,下穿高铁工程必须进行合理的分析预判,以减小其对高速铁路的影响和确保高铁运营安全[5-9]。基于前人的研究,以新建连云港市-镇江铁路(以下简称连镇铁路)下穿京沪高铁为例,对设计情况、影响分析及后期施工监测情况进行介绍。

2 设计情况

2.1 铁路概况

连镇铁路左线、右线及京沪改线上行线、下行线共4处下穿京沪高铁镇江京杭运河特大桥引桥(见图1)。京沪高速铁路是我国高速铁路主通道,设计速度为350km/h,无砟轨道。下穿工点位于直线段,线路纵坡为-4‰,线间距为5m,除连镇铁路左线交叉处为(32+48+32)m连续梁(跨沪宁城际铁路及既有京沪铁路)外,其余均为32m简支箱梁,桥面宽13.4m,双柱式桥墩,钻孔桩基础。受接沪宁城际丹徒站平面条件限制,连镇铁路只能以45°左右下穿京沪高铁,采用桩板结构,相对位置关系见表1、表2。

表1 新建结构与京沪高铁桥梁基础平面距离关系

表2 新建结构与京沪高铁桥梁基础立面高差关系

图1 连镇铁路下穿京沪高铁平面

2.2 结构设计

桩板结构是一种地基处理形式,主要由钢筋混凝土桩基、托梁、托板组成。上部荷载通过托板传递到桩基,桩基把荷载扩散到桩周土体或桩底岩层,从而达到控制沉降与变形的目的[10-11]。

桩板结构平面布置:总长度为京沪高铁桥梁梁体水平投影边线外20m,新建桩基距离既有高铁桥梁桩基距离不小于6D(D为桩径)[12],结构距离京沪高铁承台最小距离为2.18m。

桩板结构立面布置:为满足新建铁路下穿京沪高铁限界要求,高铁桥梁下净高均大于8m,新建结构基本在既有桥承台底高程以上,基坑开挖深度为0～2.5m。

桩板结构板顶宽7.6m,长82m,分4联: (2-8+3-8+3-8+2-8)m;托板厚1.0m,托梁高1.5m,布置22根φ1.25m钻孔桩(桩长30m),纵向间距为8m,横向间距为4m。桥下地表水通过地表截水沟引出,京沪改线上、下行线下穿京沪高铁的平立面见图2、图3(连镇左线、连镇右线下穿京沪高铁桩板结构设计情况类似)。

图2 京沪改线上、下行线下穿京沪高铁平面(单位:cm)

图3 京沪改线上、下行线下穿京沪高铁立面(高程单位:m;其余:cm)

3 建模分析

有限元模型如图4～图6所示。计算模型中,土体、80号～82号高铁桥墩和桩基础、京沪改线桩基础均采用实体单元模拟。模型共计337684个单元、340186个节点。顺京沪铁路方向为170m,横桥向为140m,深度方向为90m。

图4 有限元整体模型

图6 土层分布

计算区域内,土层分布如图7所示,分别为①1层素填土、④21层粉质黏土(硬塑,180kPa)、④22层粉质黏土(硬塑,200kPa)、④23层粉质黏土(软塑,160 kPa)、④24层粉质黏土(硬塑,220kPa)、④11-1层黏土(硬塑,230kPa)、④25层粉质黏土(硬塑,240kPa)。土层及混凝土力学参数见表3。

图5 桩板结构与京沪高铁的相对位置

图7 81号墩沉降变形计算结果

表3 各个土层及混凝土力学参数

为分析新建结构对京沪高速铁路的影响,数值分析计算步骤如下。

步骤1:初始阶段;

步骤2:桩基施工;

步骤3:新建结构托梁及附属工程施工;

步骤4:通车运营。

桩板结构桩基础施工阶段,80号～82号墩变形如表4所示。80号、82号墩都是以顺桥向水平变形和沉降为主,最大值分别为0.29mm、0.27mm;81号墩以沉降变形为主,最大值为0.22mm。

表4 桩基施工阶段80号～82号桥墩变形值mm

新建结构托梁及附属工程施工阶段,80号～82号墩变形如表5所示。80号、82号墩都是以顺桥向水平变形和沉降为主,最大值分别为0.57mm、0.52mm;81号墩以沉降变形为主,最大值为0.48mm。

表5 上部结构施工阶段80号～82号桥墩变形值mm

通车运营阶段,80号～82号墩变形如表6所示。在新建铁路运营荷载作用下,既有桥墩变形进一步增大。80号、82号墩都是以顺桥向水平变形和沉降为主,最大值分别为0.91mm、0.84mm;81号墩以沉降变形为主,最大值0.79mm。

表6 运营阶段,京沪高铁80号～82号桥墩变形值mm

4 施工监测

新建工程下穿高速铁路施工及运营均会对既有高铁基础及上部结构产生影响,应加强对高速铁路结构的变形监测,以保障高铁运营安全[13-15]。施工期间,对京沪高铁80号、81号桥墩的墩身沉降和墩身水平位移进行监测,分析下穿桩板结构施工对京沪高铁的影响。施工前,先观测、收集所有监测点基准数据,原地面降土施工期间(约15d),监测频次为2次/d;钻孔桩、托梁、托板施工期间(约2个月),监测频次为4次/d;附属施工期间(约1个月),监测频次为1次/d;板桩结构完成后,延续监测1个月,直至沉降及平面位移变形趋于稳定,监测频次为2次/周。

以81号墩为例,从2016年6月9日至2017年5月16日,沉降最大变化量均未超过预警值1mm(横桥向和顺桥向平面位移也均小于1mm)。81-1号监测数据与理论分析对比见表7,由表7可知,理论分析结果与实测值较为接近。沉降监测点各期累计沉降曲线见图8,由图8可知,监测期间各监测点未发生异常情况,京沪高铁线路桥墩沉降变形量较小,桩板结构施工对京沪高铁线路桥墩影响较小,均在安全可控范围内。

表7 监测数据与理论分析对比

图8 沉降观测点81-1号曲线变化

5 结语

(1)新建工程与运营高铁交叉采用桩板结构下穿高铁,可有效减少新建结构对高铁的影响。设计时应注意控制新建桩基与既有高铁桥梁桩基距离,一般不宜小于6倍桩径(视地质情况决定),新建结构至既有高铁桥梁边线距离不小于20m,并尽量减少开挖深度。

(2)通过三维有限元数值计算分析和现场监测,连镇铁路下穿京沪高铁引起的高铁桥墩顶部最大位移和沉降均小于1mm,满足高铁安全运营变形控制要求。

(3)数值计算分析采用的计算参数与现场实际情况很难完全一致,导致计算结果与实测值有0.2mm左右的差异,施工时应加强对高铁结构的变形监测,以确保工程实施过程及完成后高速铁路运营的安全。