公路路基下穿公铁合建桥梁影响分析及处置措施

王子挺

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

近年来,随着我国城市的发展,越来越多的城市道路下穿既有铁路,由此引发了一系列工程问题,已有学者开展相关研究。 孟繁增分析新建公路下穿既有高速铁路桥时地面隆起变形[1];陈刚采用有限元法研究道路设计方案在实施过程中对城际铁路桥梁的影响,并提出3 种不同的处理方案[2];刘长伟分析CFG 桩复合地基施工及运营对既有桥墩和桩基的影响[3];李永奎分析路基填筑施工和安全运营2 个阶段下垫层厚度对CFG 桩和既有桥梁桩基的力学特性影响[4];杨学林对某高速公路桩板结构下穿运营高铁桥梁进行可行性研究,分别采用仿真分析和施工阶段现场监测来证明方案的可行性[5];湛敏研究不同公路下穿方案对高铁桥梁的影响,提出桥梁结构、桩板结构和“路基+U 形槽”复合结构3 种方案,并进行经济技术比选[6];姜海君采用MIDAS-GTS 有限元软件建立三维空间模型,模拟下穿工程施工过程对既有铁路桥梁变形的影响[7];边俊良分析新建公路下穿高速铁路对其桥墩的影响[8];STEWART 研究路基堆载对附近桥墩的作用[9];MIAO研究横向荷载作用下桩身的变形以及内力变化[10];常瑞祥分析下穿桩板结构对铁路桥梁的影响[11];辛建分析下穿铁路路基对公路桥梁的影响[12];杨申分析新建高速铁路下穿既有公路桥梁防护方案研究[13]。 另外,还有一些研究集中于隧道盾构及明挖对铁路桥梁的防护措施及影响分析[14-17]。

由于邻近公路和铁路施工的标准不同,新建公路路基对城际铁路的影响按照TB10182—2017《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》的要求,即墩台顶位移横向不超过2 mm,纵向不超过2 mm,竖向不超过2 mm[18];路基对公路桥的影响需满足JTGT H21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》的要求,即均匀总沉降值不超过cm,墩顶水平位移不超过cm(L为计算跨度)[19]。 以某公路路基下穿既有公铁合建桥梁为工程背景,采用弹塑性三维有限元法对新建路基下穿既有公铁合建桥梁进行分析,并根据分析结果做出处置措施比选,确定最优处置措施。

1 工程背景

某新建公路涉铁段为环山路,设计荷载为城-A 级,下穿公铁合建桥梁。 铁路桥为双线城际铁路,设计速度为160 km/h,无砟轨道;公路桥设计速度为100 km/h,公路-Ⅰ级荷载。 共有2 处下穿点,下穿点①附近为铁路桥17 号墩~18 号墩,桥梁为连续刚构桥;公路桥左幅52 号墩~53 号墩、48 号墩~49 号墩桥梁为简支箱梁桥。 下穿点②附近为铁路22 号墩~23 号墩,桥梁为连续刚构桥;公路桥左幅58 号墩~59 号墩、54 号墩~55 号墩为连续刚构桥,其中,18 号墩为明挖基础,其余为桩基础。下穿点地下岩层主要为第四系人工填土、第四系海陆交互堆积层淤泥、粗砂和燕山期侵入花岗岩。 新建公路下穿公铁合建桥梁平面示意见图1,新建公路下穿公铁合建桥梁立面示意见图2。

图2 新建公路下穿公铁合建桥梁立面示意(单位:mm)

2 公路路基方案

2.1 计算原理

由于城际铁路铺设无砟轨道,且高速行驶的列车对轨道平顺性要求较高,所以对桥梁结构变形要求较高。 桥梁结构的变形及受力需满足铁路规范要求。 公路路基对铁路桥梁影响为较弱土层在路堤堆载以及运营道路荷载作用下产生沉降和侧向挤压,路基堆载对桩基础作用示意见图3。

图3 路基堆载对桩基础作用示意(单位:mm)

2.2 设计方案

环山路标准宽度为8 m,断面布置为2 m 人行道+6 m 机动车道。 路基结构从下到上分别为0.5 m 石屑垫层、1.5 m 泡沫轻质土和路面结构层3 部分,坡度为1 ∶1.5。 下穿点①距离铁路17 号墩为37.3 m,距离18 号墩为7.1 m,下穿点②距离铁路22 号墩为5.4 m,距离23 号墩11.3 m。

3 路基下穿影响分析

3.1 模型建立

由于2 处下穿点的地质条件差异较大,且相距较远,所以2 处下穿点应分别分析。 采用有限元软件MIDAS GTS/NX 进行分析,下穿点①和下穿点②的土层、路基和墩梁均采用实体单元,桩基采用梁单元;土层采用Molar-coulomb 模型,墩梁以及桩基采用弹性模型,土层底面为三向约束,侧面为单向约束,顶面自由,新建公路下穿公铁合建桥梁下穿点①有限元模型见图4,新建公路下穿公铁合建桥梁下穿点②有限元模型见图5。

图4 新建公路下穿公铁合建桥梁下穿点①有限元模型

图5 新建公路下穿公铁合建桥梁下穿点②有限元模型

下穿点①和②处土层参数取值见表1。

表1 下穿点①和点②处土层参数取值

计算运营期下穿道路对既有桥梁的影响,荷载包括路基自重,运营期道路活载。 车道荷载为:均布荷载集中荷载施加在距离铁路18 号墩最近处。

3.2 结果分析

下穿点①的铁路墩17 号墩和18 号墩顶最大水平位移分别为2.27 mm 和2.39 mm。 公路墩48 号墩、49 号墩、52 号墩和53 号墩的最大墩顶水平位移分别为17.11,16.69,0.55,17.68 cm,见图6、图7。 公路墩为简支梁桥墩,位移由墩底至墩顶呈现出线性增加趋势。 在实际施工时,需增加对刚构桥整个墩身的监测。

图6 铁路17 号~18 号墩、公路48 号~49 号&52 号~53 号墩水平位移

图7 铁路22 号~23 号墩、公路54 号~55 号&58 号~59 号墩水平位移

下穿点②的铁路墩22 号墩和23 号墩顶最大水平位移分别为0.018 mm 和0.033 mm,公路墩54 号墩、55 号墩、58 号墩和59 号墩的最大墩顶水平位移分别为0.24,0.22,0.043,0.027 mm,见图8。

图8 淤泥就地固化示意(措施一)

4 处置措施比选

4.1 措施方案

对下穿点①给出2 种处置措施,第一种处置措施:在路基下方将淤泥就地固化,并在靠近桥墩基础侧设置ϕ800 mm 间距200 mm 的水泥搅拌桩。 第二种处置措施:将路基改换桩板结构下穿铁路桥,桩板结构的桩径为1 m,间距2.5 m,桩端进入弱风化岩层2 m,见图8 和图9。

图9 桩板结构示意(措施二)(单位:mm)

4.2 有限元实现

措施一:在路基下方就地固化淤泥,固化剂掺量影响固化土的强度,固化淤泥的压缩模量为100 MPa[20]。

措施二:将路基填土施工改为桩板结构,桩横向间距4.9 m,纵向间距2.5 m,ϕ1 m,入岩2 m,板结构高2 m,采用C40 混凝土。

4.3 结果比较

计算道路施工过程中对公铁合建桥梁的影响,主要计算结果见表2 和表3。

表2 淤泥就地固化后的墩顶位移 mm

表3 改用桩板结构后的墩顶位移 mm

由表2、表3 可知,2 种措施均能有效控制墩顶位移。 其中,措施一最大墩顶水平位移为0.35 mm,位移减少85.02%;措施二最大墩顶水平位移为0.98 mm,位移减少58.15%。 但在最终施工阶段下,措施一的墩顶水平位移为0.27 mm,措施二为0.25 mm,二者相差不大,但措施一中将淤泥就地固化可以改善土层,比桩板结构对铁路墩位移控制更有利。

分析处置后的下穿工程对既有铁路桥的内力影响。 就地固化:考虑附加力后,铁路17 号墩单桩力为6 449.8 kN,单桩允许承载力为7 215 kN,满足要求;18 号墩明挖基础的基底应力为1 045 kPa,允许应力为1 200 kPa,满足要求。 桩板结构:考虑附加力后,铁路17 号墩单桩力为7 090 kN,单桩允许承载力为7 215 kN,满足要求;18 号墩明挖基础的基底应力为1 170 kPa,允许应力为1 200 kPa,满足要求。 两者虽然都能满足要求,但桩板结构施工时18 号墩基底应力接近允许值,就地固化更加有优势。 对两者的经济性进行比较(见表4),就地固化具有更加优势的经济性,且就地固化施工更加方便,还可避免淤泥外运。

表4 经济性比较 万元

5 结语

(1)在未处理土层的情况下,路基下穿对铁路桥和公路桥均有影响,会使公铁合建桥产生较大的墩顶位移。 对于刚构桥墩来说,墩身位移为非线性,除需要关注墩顶外,墩身位移也需要进行重点监测。

(2)2 种处置措施均可以使得既有铁路桥位移满足规范要求,其中,措施一最大墩顶水平位移为0.35 mm;措施二最大墩顶水平位移为0.98 mm。 但采用就地固化淤泥具有更优的经济性。

(3)由于理论计算往往与实际施工有部分出入,施工期间应进行铁路工程施工监测,并将监测结果与计算结果对比。