葉　鵬

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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某鐵路U形結(jié)構(gòu)下鉆既有橋梁方案研究

葉鵬

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

某鐵路樞紐內(nèi)新建鐵路以小角度下鉆既有客專鐵路橋梁，為最大限度地減小對(duì)既有客專橋梁的沉降影響，保證運(yùn)營(yíng)安全，需對(duì)U形結(jié)構(gòu)下鉆形式進(jìn)行技術(shù)論證。運(yùn)用三維通用有限元軟件Midas-GTS進(jìn)行三維建模，對(duì)新建鐵路U形結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程以及列車(chē)荷載的影響進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析。研究結(jié)論：新建鐵路U形結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁附加沉降量過(guò)大，如以路基U形結(jié)構(gòu)下鉆方式通過(guò)，對(duì)既有客專橋梁影響較大，建議進(jìn)一步優(yōu)化方案。

U形結(jié)構(gòu)即有橋梁有限元數(shù)值模擬

近年來(lái)，鐵路樞紐建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常遇到新建鐵路下鉆既有高速鐵路橋梁的情況[1]，而鐵路樞紐本身的規(guī)模、規(guī)劃及既有建筑物對(duì)線位走向影響較大，既有橋梁本身的凈空、孔跨間距、地基處理措施對(duì)于選擇以何種結(jié)構(gòu)形式通過(guò)起決定性作用。

介紹某動(dòng)車(chē)走行線以路基U形結(jié)構(gòu)[2-5]形式小角度下鉆既有客專聯(lián)絡(luò)線設(shè)計(jì)方案，采用三維通用有限元軟件Midas-GTS進(jìn)行三維建模[6]，對(duì)新建鐵路路基U形結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程，以及列車(chē)荷載作用下對(duì)既有橋梁的影響進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析(如圖1所示)。

圖1　動(dòng)車(chē)線以24°角下鉆既有橋梁

圖2　U形槽樁基布置

圖3　正常樁位橫向布置(單位：m)

圖4　特殊位置樁位橫向布置(單位：m)

1　工程概況

本工點(diǎn)位于某動(dòng)車(chē)運(yùn)用所動(dòng)車(chē)線下鉆既有客專聯(lián)絡(luò)線，工程里程范圍為DK287+532.0～DK287+589.0，路基面寬度7.8 m，線路以填方通過(guò)，路堤填高4.5 m。動(dòng)車(chē)線與既有客專聯(lián)絡(luò)線以24°的小角度交叉下鉆，路肩線緊貼既有橋墩通過(guò)，路面占?jí)簶蛄撼信_(tái)面積較大，路基施工將會(huì)引起既有鐵路橋梁沉降。既有客專每天有20多趟動(dòng)車(chē)組通過(guò)，運(yùn)營(yíng)繁忙，對(duì)沉降控制嚴(yán)格，不能中斷行車(chē)。

DK287+532.0～DK287+589.0采用“鉆孔灌注樁+U形槽”結(jié)構(gòu)通過(guò)，鉆孔灌注樁與U形槽采用固結(jié)連接，U形槽底板下設(shè)0.3 m厚碎石+0.15 m厚素混凝土墊層做為鋼筋綁扎作業(yè)平臺(tái)。如圖2～圖4所示，鉆孔樁樁徑1.0 m，DK287+543、DK287+577處樁因躲避橋梁承臺(tái)橫向間距調(diào)為3.2 m，其余橫向間距均為4 m，縱向間距4 m、5 m、6 m、7.0 m不等，樁長(zhǎng)30 m。鉆孔樁主筋插入板中，并與板頂主筋建立有效綁扎。U形槽采用C40鋼筋混凝土澆筑，底板厚1.0 m，板寬與路面寬度相同。邊墻為直立式，厚0.6 m，于墻頂設(shè)置角鋼立柱欄桿。U形槽底板距橋梁承臺(tái)頂只有0.48 m，U形槽底板占?jí)簶蛄撼信_(tái)面積8.9 m2，占整個(gè)橋墩承臺(tái)面積的15.5%。

路基修建會(huì)形成新的附加荷載，影響既有橋梁沉降，而動(dòng)車(chē)線與既有橋梁小角度交叉，且既有橋梁墩臺(tái)和U形槽地基均采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁深基礎(chǔ)，不能簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題的理論公式解法，只能通過(guò)考慮三維空間的大型有限元建模方法分析其沉降影響。采用三維通用有限元軟件Midas-GTS進(jìn)行三維建模計(jì)算，模型總寬度50 m，總長(zhǎng)度57 m，土層總深度65 m，共劃分225 531個(gè)實(shí)體網(wǎng)格。

2　場(chǎng)地地質(zhì)情況

地層：雜填土，雜色，稍密，稍濕，以建筑垃圾為主，混有大量磚塊和混凝土塊，充填粉質(zhì)黏土，厚5～6 m。新黃土：褐黃色和黃褐色，硬塑—軟塑，約含10%的姜石，一般粒徑5～8 mm，最大粒徑10 mm，表層局部分布種植土，含植物根系，層厚4.9～6.5 m。粉土：褐黃色、黃褐色，密實(shí)，稍濕，含有約10%姜石，層厚3 m。以下為細(xì)砂，黃褐色、灰褐色，中密，稍濕，成分以石英、長(zhǎng)石為主，含有云母夾薄層。

土壤最大凍結(jié)深度為0.54 m。

地震動(dòng)峰值加速度為0.05g(Ⅵ度)。

3　工程難點(diǎn)

3.1交叉角度小

受外部邊界條件限制，動(dòng)車(chē)線與既有客專聯(lián)絡(luò)線以24°的小角度交叉下鉆通過(guò)。

3.2占?jí)杭扔袠蛄撼信_(tái)

在僅考慮U形槽結(jié)構(gòu)滿足區(qū)間直線地段路基面寬度的前提下， U形槽底板占?jí)簶蛄撼信_(tái)面積8.9 m2，占整個(gè)橋墩承臺(tái)面積的15.5%。

3.3底板距承臺(tái)頂距離近

U形槽底板底距橋梁承臺(tái)頂只有0.48 m，扣除素混凝土墊層后距離只有0.33 m。

3.4U形槽灌注樁與既有橋梁樁基距離近

U形槽按照正常樁位布置，將會(huì)與既有橋梁樁基產(chǎn)生沖突或距離太小，不能滿足規(guī)范要求，只能在特定段落調(diào)整樁位布置，以滿足建筑樁基規(guī)范[7]中3倍樁徑最小中心距要求。

3.5地質(zhì)條件復(fù)雜

工點(diǎn)地處于沖洪積平原，地基以下分布深厚層的粉質(zhì)黏土和粉、細(xì)砂層，地表堆積雜填土層厚達(dá)6 m，壓縮變形量大[8]。

4　計(jì)算模型

根據(jù)動(dòng)車(chē)線與既有客專的相互關(guān)系建立三維幾何模型，如圖5所示。計(jì)算模型采用局部坐標(biāo)系(X、Y、Z)，Y軸為動(dòng)車(chē)線，以大里程方向?yàn)檎?，Z軸平行于重力方向，以鉛直向上為正方向，X軸為垂直于動(dòng)車(chē)線方向，以垂直隧道向右為正方向，整個(gè)局部坐標(biāo)系(X、Y、Z)滿足右手螺旋法則。局部坐標(biāo)系原點(diǎn)(0，0，0)確定如下：X軸以動(dòng)車(chē)線線路中線為X軸坐標(biāo)原點(diǎn)，Y軸以DK287+532.0為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸以U形槽底板底為坐標(biāo)原點(diǎn)。

采用三維通用有限元軟件Midas-GTS進(jìn)行三維建模計(jì)算[9-12]，模型建立范圍為：X方向長(zhǎng)50 m，Y方向長(zhǎng)57 m，Z方向?yàn)榈乇硪韵?5 m。三維幾何模型真實(shí)再現(xiàn)了U形槽與橋梁墩臺(tái)之間的復(fù)雜關(guān)系，如圖5、圖6所示。根據(jù)建立的三維實(shí)體模型，共劃分225 531個(gè)實(shí)體網(wǎng)格。

圖5　三維實(shí)體

圖6　U形槽與橋梁樁基布置

5　計(jì)算參數(shù)及步驟

根據(jù)地質(zhì)資料，劃分為9個(gè)土層，具體參數(shù)如表1所示。將計(jì)算過(guò)程分為6個(gè)施工階段，如表2所示。

表1　土層參數(shù)

表2　施工階段說(shuō)明

6　計(jì)算分析結(jié)果

圖7　三維沉降變形

圖8　沉降變形俯視

本部分研究從土體初始應(yīng)力狀態(tài)、既有橋梁施工下、U形槽施工、U形槽列車(chē)荷載作用下對(duì)臨近既有客專橋梁的影響，圖7～圖10給出了共同作用下U形槽和既有橋梁的三維沉降變形云圖，既有橋梁墩臺(tái)處于U形槽沉降影響核心區(qū)域，最大位移量為38.6 mm。圖11～圖12給出了U形槽施工下橋墩變形云圖及沉降云圖，橋梁墩頂最大位移量為32.3 mm，最大豎向沉降為27.2 mm，圖13～圖14給出了列車(chē)荷載作用在U形槽下橋墩變形云圖及沉降云圖， 橋梁墩頂最大位移量為39.4 mm，最大豎向沉降為33.2 mm。墩頂各階段位移如表3所示。

圖11　U形槽施工下橋墩變形

圖12　U形槽施工下橋墩沉降

表3　墩頂各階段位移數(shù)值　m

圖13　列車(chē)荷載作用下橋墩變形

圖14　列車(chē)荷載作用下橋墩沉降

7　結(jié)論

介紹某動(dòng)車(chē)走行線以路基U形結(jié)構(gòu)形式小角度下鉆既有客專聯(lián)絡(luò)線設(shè)計(jì)方案，采用三維通用有限元軟件Midas-GTS進(jìn)行三維建模，對(duì)新建鐵路路基U形結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程以及列車(chē)荷載作用下對(duì)既有橋梁的影響進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，得出以下研究結(jié)論：

(1)根據(jù)沉降計(jì)算形態(tài)可以看出，因U形槽占?jí)簶蛄撼信_(tái)太多，樁基距離既有橋梁樁基距離太近，橋墩基礎(chǔ)處于U形槽沉降影響核心區(qū)域，路基U形槽對(duì)既有橋梁墩臺(tái)影響較大，最大豎直向沉降達(dá)33 mm，最大位移38.6 mm，相對(duì)橫向位移量最大達(dá)到41.4 mm。

(2)因U形槽對(duì)橋梁附加沉降量過(guò)大，如以路基U形槽下鉆方式通過(guò)，對(duì)既有客專橋梁影響較大，建議優(yōu)化線位，增大與既有線交角，減少占?jí)杭扔袠蛄好娣e或以新建橋梁下鉆方式通過(guò)。

[1]張磊.新建鐵路下穿既有公路橋梁的樁基U形結(jié)構(gòu)路堤設(shè)計(jì)研究[J].路基工程，2015(1)

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[3]李曙光，隋孝民.新型支擋結(jié)構(gòu)適用性探討[J].鐵道勘察,2014(5)

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Research of new Railway’s U-type Structure under the existing bridges

YE Peng

2016-01-27

葉鵬(1984—)，男，2009年畢業(yè)于西南交通大學(xué)巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2016)02-0033-04

U231.3

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