软土地区市政道路近距离下穿高速铁路变形分析

李少孟

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

0 引 言

随着我国高速铁路的快速建设，越来越多的高速铁路在建或投入运营，导致城市围绕高速铁路沿线进行扩建时新建市政道路下穿高速铁路桥梁的工程越来越多。高速铁路大部分采用无砟轨道，同时也有特殊路段采用有砟轨道，为了保证高速铁路的安全，对桥梁墩台变形要求非常严格，受下穿工程影响的有砟轨道高速铁路桥梁墩台横向水平位移、纵向水平位移、竖向位移限值均为3 mm[1]。

邻近既有铁路桥梁修建新的建筑物，由于建筑物的基础会对周围土层产生附加应力，从而引起既有铁路桥梁基础发生变形[2]。李俊和、於慧等[3-6]对公路与市政工程下穿施工引起铁路桥梁基础变形进行了分析和探讨，得出了许多有意义的结论指导工程施工。

本文以台州市新建中山西路下穿杭绍台铁路椒江特大桥工程为基础，分析软土地区新建工程下穿高速铁路施工、运营对高速铁路桥梁基础变形的影响，为今后类似工程提供参考。

1 工程概况及主要难点

1.1 工程概况

中山西路从杭绍台铁路椒江特大桥第71#～72#及72#～73#墩孔间穿越，中山西路左、右幅与杭绍台铁路交叉角度分别约为101°和100°。椒江特大桥为四线桥，设计行车速度为250 km/h，预留300 km/h条件，71#～73#墩间均采用32 m简支梁，有砟轨道，桥墩为圆端形桥墩，墩高分别为31.5 m、30.5 m、30 m。71#墩基础为24根直径1.0 m钻孔灌注桩，桩长56 m，承台尺寸为19.6 m×10.35 m×2 m；72#、73#墩基础均为21根直径1.0 m钻孔灌注桩，桩长59 m，承台尺寸分别为18.6 m×8.7 m×2.5 m和18.6 m×8.5 m×2.5 m。

中山西路左、右幅桩板结构均设置为三联，跨径具体布置为(3×10)m+(3×10)m+(3×10)m。上部结构采用钢筋混凝土，梁高0.7 m；桩基采用4根直径1 m钻孔灌注桩，桩间距3.6 m，桩长40～48 m。

中山西路与杭绍台铁路位置关系如图1所示。

图1 中山西路与杭绍台铁路位置关系图(单位：cm)

1.2 地质概况

目前市政道路下穿高铁桥梁的主要形式有路基、桥梁、桩板结构、U型槽结构等[7-10]，本文中铁路承台位于粉质黏土层，钻孔桩主要位于淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土，地基土承载力仅100 kPa，不宜采用路基、U型槽形式，从安全和投资角度比选确定采用桩板结构形式下穿。

1.3 主要难点

综合考虑地层条件、相对位置关系、铁路变形控制、施工难度、风险等因素，中山西路采用桩板结构形式下穿施工。其主要难点包括：

(1) 桩板结构边缘距铁路承台最小水平距离仅0.91 m，距离近，周边土体受力扩散对墩台变形影响大。

(2) 新建桩基距铁路既有桩基最小距离仅6.07 m，相当于6d(d为下穿工程桩径)，软层地层中铁路既有桩基受新桩基施工扰动大，进而导致墩台变形。

(3) 软土地层稳定性差，更易受到施工的影响发生变形。

(4) 若中山西路无法在杭绍台铁路运营前完成主体结构施工，可能影响铁路的正常运营。

2 计算与分析

2.1 有限元模型分析

本节采用岩土有限元软件MIDAS GTS NX，建立包括岩土、桥桩、承台、桥墩、桩板等结构的三维模型进行数值计算分析。根据新建桩板结构与既有桥梁的位置关系，并满足一定边界效应，模型整体尺寸为160 m(x)×140 m(y)×70 m(z)。

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、墩台、承载板等采用实体单元模拟，桩基础采用梁单元模拟。有限元模型如图2～图3所示。

图2 有限元整体模型

图3 实体墩、桩基、桩板空间布置图

2.2 土层参数

土体强度准则为Mohr-coulomb准则，土体工程地质层组划分为6层，具体参数取自工程地质勘查报告或参考区域其他工程，见表1。

表1 土层参数

2.3 施工阶段模拟

模拟计算分为四个主要阶段：初设应力场、高铁施工、新建桩板结构施工、道路运营，见表2。

表2 施工步骤

2.4 计算结构分析

通过计算，施工过程中杭绍台铁路71#～73#墩台最大竖向位移2.577 mm、最大顺桥向位移2.769 mm、最大横桥向位移0.565 mm，均小于控制限值3 mm，详细计算结果见表3～表4。从计算结果看，因受左、右幅施工的叠加影响，72#墩台竖向沉降最大；左幅与71#墩台的距离和右幅与73#墩台的距离相近，因此71#、73#墩台的顺桥向位移接近，72#墩两侧施工效应叠加后顺桥向位移反而偏小；中山西路与杭绍台铁路交角约100°，近似正交，因此71#～73#墩台的横桥向位移较小。

表3 71#～73#墩台施工阶段累计变形结果(单位：mm)

表4 72#墩台施工阶段累计变形结果(单位：mm)

注：x向代表横桥向，y向代表顺桥向，z向代表竖向，下同。

加载运营荷载后，杭绍台铁路71#～73#墩台最大沉降值为0.34 mm，最大顺桥向位移为0.555 mm，最大横桥向位移为0.124 mm，均小于控制限值3 mm，详细计算结果见表5。

表5 运营阶段各墩台变形结果(单位：mm)

通过计算结果分析，中山西路下穿杭绍台铁路施工及运营对铁路墩台的影响均在允许范围内，桩板结构近距离下穿方案具有可实施性。

3 结 论

根据实际工程地质条件和结构设计方案进行三维数值计算，分析新建桩板结构施工和运营对高速铁路墩台变形的影响，主要结论如下：

(1) 新建市政道路施工期间，由于地层扰动，周边土层会产生一定的变形，从而引起邻近杭绍台铁路桥梁墩台发生变形。

(2) 中山西路下穿杭绍台铁路工程方案，在道路的施工和运营中，引起的高铁桥梁墩台的最大竖向位移、最大顺桥向位移、最大横桥向位移均小于控制限值3 mm，工程设计方案可行。

(3) 为减小铁路墩台竖向沉降，可优化道路主体施工后周边回填土回填高度，减小附加荷载；为减小71#、73#墩在市政路主体结构施工中的靠近市政路内侧的顺桥向变形，其外侧回填土可同步施做进行反压。

(4) 中山西路左、右幅钻孔桩和承载板应对称施工。离高速铁路桥梁桩基较近的新建桩，可适当增加钢护筒长度。

(5) 为减小高铁桥梁墩台变形，应严格控制施工方法，严禁使用扰动大的施工工艺，期间做好高铁桥墩变形监测以指导施工。

(6) 中山西路主体结构施工完成后应调整杭绍台铁路轨道，避免道路运营产生的瞬时影响进行二次叠加。