劉　龍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

?

開(kāi)挖基坑對(duì)高鐵橋梁基礎(chǔ)沉降影響的有限元分析

劉龍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

【摘要】文章介紹了高鐵結(jié)構(gòu)沉降、變形的評(píng)估準(zhǔn)則；采用有限元方法分析該問(wèn)題的研究思路以及有限元模型的建立方法；以實(shí)際項(xiàng)目為背景，通過(guò)有限元分析，計(jì)算得基坑施工中及竣工后對(duì)既有高鐵橋梁基礎(chǔ)沉降的影響，驗(yàn)證施工方案的可行性。

【關(guān)鍵詞】有限元；高鐵橋梁；基礎(chǔ)沉降；評(píng)估準(zhǔn)則

1項(xiàng)目背景及施工方案介紹

大龍河發(fā)源于大興黃村新城南部，向南、向東穿越京開(kāi)高速路、六環(huán)路，沿京九鐵路線(xiàn)北側(cè)下行，經(jīng)吳莊、魏善莊、河南辛莊、安定鎮(zhèn)后，于白塔村東與小龍河匯合，于佟營(yíng)村東出大興區(qū)境入河北省，最終匯入永定河。大龍河現(xiàn)狀存在防洪排水能力不足、河道構(gòu)筑物需改建等問(wèn)題。為了提高大興新城及沿線(xiàn)鎮(zhèn)區(qū)的防洪排水能力，改善河道周邊的環(huán)境狀況，需對(duì)大龍河下穿京滬普速鐵路和京滬高鐵段河道進(jìn)行拓寬改造。

大龍河拓寬工程先后經(jīng)過(guò)京滬普速鐵路及京滬高鐵，下穿京滬普速鐵路時(shí)采用頂進(jìn)框構(gòu)方式施工。大龍河下穿京滬高鐵北京特大橋，交叉處附近五孔梁均采用32 m簡(jiǎn)支箱梁，橋梁高度約8.5 m，橋墩為流線(xiàn)型圓端實(shí)體墩，承臺(tái)尺寸為7.1 m×10.4 m，采用鋼筋混凝土摩擦樁基礎(chǔ)，樁徑1.0 m，樁長(zhǎng)44～46 m。位于京滬高鐵北京特大橋F23#橋墩下的改造河道施工過(guò)程中開(kāi)挖的基坑面積為48.33 m×39.0 m，深約2.7 m。基坑防護(hù)樁距離F22#橋墩最近為6.93 m，距離F24#橋墩最近為5.34 m?；蛹爸ёo(hù)平面如圖1所示。

圖1　大龍河河道改造工程基坑及支護(hù)平面

由于既有京滬鐵路與京滬高鐵距離較近，因此將既有京滬鐵路下的頂進(jìn)框構(gòu)工程一并考慮進(jìn)來(lái)，先施工既有京滬鐵路下的框構(gòu)，再拓寬高鐵下河道并完成鋪砌。大龍河拓寬工程擬采用的施工方案為：準(zhǔn)備頂進(jìn)工作坑；框構(gòu)澆筑并頂進(jìn)；施工高鐵下河道基坑的防護(hù)樁；由于基坑正位于高鐵橋下，考慮在高鐵橋梁附近的基坑分五段開(kāi)挖、鋪砌河槽，以盡量減少開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)土體的擾動(dòng)，減小對(duì)高鐵橋梁的影響。

2高速鐵路構(gòu)筑物(路基和橋梁)沉降評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》明確給出了工后沉降的定義、橋梁工后沉降量及差異沉降量限值要求，其內(nèi)容如下：

(1)第2.1.9條給出工后沉降的定義：以鋪軌工程完成以后，基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生的沉降量為工后沉降。

(2)第7.3.10條給出橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)的沉降應(yīng)按恒載計(jì)算，其工后沉降量不應(yīng)超過(guò)表7.3.10限值，表7.3.10如表1所示。

表1　靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值　mm

(3)第7.3.9 條給出墩臺(tái)橫向水平線(xiàn)剛度需要滿(mǎn)足高速行車(chē)條件下列車(chē)安全性和旅客乘車(chē)舒適度的要求，并應(yīng)對(duì)最不利荷載作用下墩臺(tái)頂橫向彈性水平位移進(jìn)行計(jì)算。

在ZK活載、橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度的作用下，墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應(yīng)不大于1.0‰ 弧度。

3拓寬河道對(duì)高鐵橋梁基礎(chǔ)沉降的有限元分析

3.1模型的建立

采用巖土有限元程序MIDAS-GTS進(jìn)行分析計(jì)算拓寬河道引起的鐵路橋梁基礎(chǔ)的沉降及水平變形。

模型建模思路為首先建立各土層及既有京滬高鐵承臺(tái)、樁基，將上部結(jié)構(gòu)及橋墩的荷載加在承臺(tái)上，以此作為初始階段；然后建立基坑防護(hù)樁、框構(gòu)工作基坑、框構(gòu)橋及河道改造基坑的模型，根據(jù)施工階段激活或鈍化相應(yīng)單元及荷載，計(jì)算河道改造施工過(guò)程中及竣工后對(duì)既有京滬高鐵橋梁基礎(chǔ)的影響。因此，模型計(jì)算中考慮如下施工步驟，分別為：

(1)施加土層自重計(jì)算初始地應(yīng)力。

(2)添加京滬高鐵結(jié)構(gòu)單元，施加荷載并計(jì)算京滬高鐵工后沉降，作為計(jì)算初始階段。

(3)建立頂進(jìn)框構(gòu)工作坑周?chē)幕臃雷o(hù)樁單元(1.25 m樁徑)。

(4)開(kāi)挖頂進(jìn)框構(gòu)工作坑。

(5)頂進(jìn)框構(gòu)。

(6)建立高鐵橋下改造河道工作坑周?chē)幕臃雷o(hù)樁單元(1.0 m樁徑)。

(7)為減小施工對(duì)京滬高鐵橋墩的影響，將工作坑細(xì)分為U-1～U-5五部分按順序施工，在每一部分開(kāi)挖完成后施工河槽鋪砌、導(dǎo)流堤及河道擋墻。該范圍內(nèi)的河道擋墻施工方法為在基坑防護(hù)樁上掛網(wǎng)噴厚20 cm的C 25混凝土而成。

各節(jié)段基坑分步開(kāi)挖尺寸見(jiàn)表2所示。

表2　京滬高鐵橋下基坑開(kāi)挖各節(jié)段尺寸　m

(8)全部河槽施工完成后施加水壓力荷載。

為消除計(jì)算邊界效應(yīng)的影響，考慮施工過(guò)程中的空間效應(yīng)，計(jì)算模型取其有效影響范圍，即模型沿X方向取250 m，沿Y方向取200 m，土層總深度65 m。計(jì)算模型中土體采用三維四面體單元模擬，橋墩承臺(tái)及框構(gòu)橋采用板單元模擬，橋墩樁基礎(chǔ)及基坑防護(hù)樁采用梁?jiǎn)卧M，河道鋪砌及水壓力換算為等效均布荷載施加于模型中。土體采用修正摩爾-庫(kù)倫模型模擬土的本構(gòu)關(guān)系，模型頂面取為自由邊界，底面采用豎向約束，其它面均采用法向約束(圖2、圖3)。

圖2　京滬高鐵承臺(tái)及樁基位置

圖3　各工作坑位置

3.2材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料，各個(gè)土層的具體參數(shù)取值如表3所示。

京滬高鐵橋墩承臺(tái)、框構(gòu)結(jié)構(gòu)、樁基及基坑防護(hù)樁的混凝土視為彈性材料，材料參數(shù)如表4所示。

3.3有限元計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，京滬高鐵橋墩基礎(chǔ)各控制階段沉降結(jié)果匯總詳見(jiàn)表5、表6，各階段沉降曲線(xiàn)詳見(jiàn)圖4、圖5。圖、表中數(shù)值正值代表隆起，負(fù)值代表沉降。

表3　土層參數(shù)

表4　結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表5　京滬高鐵橋墩基礎(chǔ)各控制階段累計(jì)沉降　mm

表6　京滬高鐵橋墩基礎(chǔ)各控制階段差異沉降　mm

圖4　京滬高鐵橋墩基礎(chǔ)各階段累計(jì)沉降曲線(xiàn)

圖5　京滬高鐵橋墩基礎(chǔ)各施工階段差異沉降曲線(xiàn)

京滬高鐵橋墩基礎(chǔ)各階段水平變形結(jié)果匯總詳見(jiàn)圖6、圖7。圖中順橋向變形正值代表向小里程方向變形，負(fù)值代表向大里程方向變形。橫橋向正值代表向大里程左側(cè)方向變形，負(fù)值代表向大里程右側(cè)方向變形。

圖6　京滬高鐵橋墩基礎(chǔ)各階段順橋向附加水平變形曲線(xiàn)

圖7　京滬高鐵橋墩基礎(chǔ)各階段橫橋向附加水平變形曲線(xiàn)

3.4計(jì)算結(jié)果分析

(1)按照前文給出的高鐵構(gòu)筑物沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，即墩臺(tái)均勻沉降為20 mm，相鄰墩臺(tái)的沉降差為5 mm。通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果可知，京滬高鐵橋墩單墩累計(jì)沉降最大為2.231 mm(F23#墩，竣工后)，單墩累計(jì)隆起最大為2.51 mm(F23#墩，U-4開(kāi)挖階段)，均滿(mǎn)足規(guī)范要求的20 mm限值；各個(gè)階段相鄰橋墩的差異沉降最大為2.231 mm(F23#與F24#墩、U-4開(kāi)挖階段)，滿(mǎn)足規(guī)范要求的5 mm限值。

(3)河道改造施工及竣工后引起的橫橋向水平變形增量最大為1.02 mm，即引起梁體的最大水平折角0.03‰，滿(mǎn)足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的梁端水平折角不大于1‰的要求。

綜上所述，本工程制定的施工方案在施工過(guò)程中及竣工后對(duì)既有京滬高速鐵路的橋梁、軌道及線(xiàn)上設(shè)備等基本無(wú)影響，能夠保證鐵路的運(yùn)營(yíng)安全以及平順性，該方案是可行的。

4總結(jié)

本文介紹了高鐵構(gòu)筑物沉降的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)相關(guān)工程進(jìn)行沉降評(píng)估具有一定的借鑒意義。鑒于高鐵結(jié)構(gòu)的重要性及其對(duì)結(jié)構(gòu)沉降的嚴(yán)格要求，在既有高鐵橋梁下的基坑開(kāi)挖建議采用基坑防護(hù)樁支擋并在保證經(jīng)濟(jì)性、工期的基礎(chǔ)上適當(dāng)細(xì)分基坑開(kāi)挖節(jié)段，以減少對(duì)既有高鐵橋梁的擾動(dòng)。通過(guò)實(shí)例分析，提供了開(kāi)挖基坑對(duì)高鐵橋梁沉降分析的有限元建模分析思路。在實(shí)例分析中詳述了工程的施工方案并驗(yàn)證了施工方案的可行性，對(duì)今后類(lèi)似工程有一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵三院. 橋梁地基和基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2002.

[2]朱彥鵬. 支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2008.

[3]劉興旺, 施祖元, 益德清,等. 軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖變形性狀研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 1999, 21(4):456-460.

[4]楊敏, 周洪波, 楊樺. 基坑開(kāi)挖與臨近樁基相互作用分析[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2005, 38(4):91-96.

[5]孫宗磊, 李悄. 石濟(jì)客專(zhuān)橋梁下穿京滬高鐵沉降影響分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2013(2):53-57.

[6]周超. 寧蕪貨線(xiàn)隧道下穿京滬高鐵方案設(shè)計(jì)[J]. 鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì), 2012(1):8-12.

[7]杜平安. 有限元網(wǎng)格劃分的基本原則[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2004(1):34-36.

[8]張浪. 淺析橋梁基坑防護(hù)樁施工設(shè)計(jì)[J]. 建材與裝飾, 2015(4).

[9]TB 10621-2014 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[10]TB 10002.3-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[作者簡(jiǎn)介]劉龍(1989～)，男，碩士研究生，助理工程師。

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU434

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2016-01-22