王淑敏

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

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臨近既有高鐵橋梁工程對(duì)運(yùn)營(yíng)安全性影響分析

王淑敏

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

對(duì)臨近某高鐵立交工程的基坑開(kāi)挖、頂進(jìn)施工、U形槽開(kāi)挖過(guò)程對(duì)高鐵橋梁的影響進(jìn)行分析研究。以封閉式路塹下穿高鐵橋梁段為背景，采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，模擬由基坑開(kāi)挖、下穿框架橋結(jié)構(gòu)頂進(jìn)至U形槽開(kāi)挖的完整開(kāi)挖過(guò)程，對(duì)比分析常規(guī)防護(hù)方案和加強(qiáng)防護(hù)方案對(duì)高鐵橋梁的影響。分析結(jié)果表明：常規(guī)支護(hù)加固開(kāi)挖時(shí)，橋墩基礎(chǔ)處土層最大橫向位移影響值為0.5 mm，橋墩基礎(chǔ)處土層最大豎向位移影響值為0.8 mm；加強(qiáng)型支護(hù)加固開(kāi)挖時(shí)，橋墩基礎(chǔ)土層最大橫向位移影響值為0.15 mm；橋墩基礎(chǔ)處土層最大豎向位移影響值為0.34 mm，加強(qiáng)防護(hù)措施可有效控制高鐵橋梁的附加沉降量，確保高鐵的安全運(yùn)營(yíng)。

高速鐵路橋梁基坑開(kāi)挖ABAQUS有限元三維影響分析

近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，國(guó)家加大了道路、軌道交通，關(guān)系民生的水、電、煤、氣等地下管道的建設(shè)。由于前期市政規(guī)劃沒(méi)有及時(shí)與已建成或在建的高速鐵路配套，造成越來(lái)越多的地鐵、道路及市政管線需要穿越已建成或在建的高速鐵路橋梁[1]。

為確保高速鐵路軌道的平順性、旅客乘車的舒適度以及高速列車行駛的安全性，高速鐵路軌道對(duì)橋梁沉降和基礎(chǔ)承載力有著嚴(yán)格的要求和限值。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)地下工程(地鐵、隧道等)采用不同施工方法(淺埋暗挖、超前小管棚支護(hù)、盾構(gòu)等)下穿既有高速公路、既有建筑、高架橋等通道工程引起既有相關(guān)建筑物的變形和承載力影響都有一定的研究，對(duì)于基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物的影響這方面也有相關(guān)的研究，但涉及下穿高速鐵路通道工程的研究較少，尚未形成較統(tǒng)一的研究理論和技術(shù)控制措施[2]。

以臨近某高鐵的立交工程為背景，對(duì)臨近某高鐵立交工程的基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)高鐵橋梁的影響進(jìn)行分析研究。

1　概述

1.1工程概況

該下穿高鐵和普速鐵路立交工程，起點(diǎn)與既有前進(jìn)路平面交叉，沿規(guī)劃線位，相繼下穿一條水渠、既有高鐵和既有普速鐵路，終止于鐵路南側(cè)。既有高鐵在與下穿道路交叉處，線路由2條正線及2條到發(fā)線組成，2條正線為無(wú)砟軌道線，線間距5.0 m，到發(fā)線為有砟軌道線，高鐵設(shè)計(jì)之初為下穿道路的通過(guò)提供了預(yù)留條件，預(yù)留了(16+20+16) m剛構(gòu)連續(xù)梁中橋，橋長(zhǎng)56.8 m。

整個(gè)工程由既有普速鐵路線下頂進(jìn)框構(gòu)橋、水渠箱涵以及既有高鐵剛構(gòu)中橋橋下封閉路塹式U形槽三部分組成，平面布置如圖1所示。

圖1　平面

既有普速鐵路頂進(jìn)框構(gòu)采用(8.5+17+8.5) m穿越，頂板厚100 cm，底板厚110 cm，邊墻厚100 cm，平面角度89°29′，凈高5.8 m，軸向長(zhǎng)度38.88 m，結(jié)構(gòu)總高度7.9 m。預(yù)制框構(gòu)的工作坑(止水帷幕內(nèi)側(cè))沿框構(gòu)軸向方向長(zhǎng)54.53 m，寬43.44 m，基坑邊緣(止水帷幕內(nèi)側(cè))距離既有高鐵路基坡腳距離為42.7 m，距離普速鐵路上行中心線距離為10.06 m。

施工過(guò)程中，基坑的開(kāi)挖、下穿框架橋結(jié)構(gòu)頂進(jìn)、U形槽開(kāi)挖都可能引起高鐵基礎(chǔ)的沉降變化。因此，對(duì)基坑開(kāi)挖的施工過(guò)程進(jìn)行模擬和分析是確保施工安全的基礎(chǔ)。

1.2地質(zhì)條件

工程區(qū)域內(nèi)地層勘探深度范圍內(nèi)，巖性為黏性土、粉土、粉砂并夾有淤泥質(zhì)土。地下水為第四系孔隙潛水，地下水位埋深1.65～2.6 m(高程3.15～4.36 m)，地下水對(duì)混凝土具有腐蝕性。表層粉土：褐黃色，軟塑，含少量姜石，厚2.0 m，σ0=90 kPa；粉質(zhì)黏土：褐黃色，軟塑，含少量姜石，厚2.8 m左右，σ0=110 kPa；黏土：褐灰色，硬塑，6.0 m以下軟塑，含粉砂夾層，厚3.9 m左右，σ0=85 kPa；粉質(zhì)黏土：灰褐色，軟塑，局部含粉土薄層，厚3.1 m左右，σ0=110 kPa；黏土：灰白色，軟塑，局部含粉土薄層，厚2.7 m，σ0=85 kPa；粉質(zhì)黏土：褐黃色，軟塑，含銹斑，厚5.9 m左右，σ0=140 kPa。

2　三維數(shù)值模型

2.1計(jì)算模型概述

采用ABAQUS建立場(chǎng)地土體的三維數(shù)值模型[3，4]。為消除計(jì)算邊界效應(yīng)的影響，考慮到施工過(guò)程中的空間效應(yīng)，計(jì)算模型取其有效影響范圍，評(píng)估中取長(zhǎng)170 m，寬94 m，自地表起16 m厚土體作為計(jì)算范圍。計(jì)算模型中包括基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、下穿框架橋結(jié)構(gòu)，模型頂面取為自由邊界，底面采用三向約束，其它面均采用法向約束。綜合各種因素，最終選定的計(jì)算模型如圖2所示。

計(jì)算模型土體采用ABAQUS提供的C3D4實(shí)體單元模擬，下穿框架橋結(jié)構(gòu)采用C3D8R單元模擬，圖3所示為計(jì)算模型網(wǎng)格。

圖2　三維數(shù)值模型

圖3　計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

2.2土體材料參數(shù)

計(jì)算時(shí)將土體視作彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，下穿框架橋結(jié)構(gòu)視作彈性材料。根據(jù)地勘資料，把自地表起16 m厚土體分為三類不同土體，材料參數(shù)如表1所示。

表1　土體參數(shù)

2.3施工過(guò)程模擬

根據(jù)工程施工步驟，施工模擬工序有三步：基坑開(kāi)挖、下穿框架橋頂進(jìn)和U形槽開(kāi)挖。施工模擬工序如圖4～圖6所示。

圖4　模擬施工工序一：工作基坑開(kāi)挖

圖5　模擬施工工序二：下穿框構(gòu)橋的頂進(jìn)

圖6　模擬施工工序三：U形槽開(kāi)挖

3　常規(guī)支護(hù)加固開(kāi)挖方案分析計(jì)算

常規(guī)支護(hù)加固開(kāi)挖方案是指框構(gòu)頂進(jìn)施工工作基坑和U形槽開(kāi)挖僅布置支護(hù)樁，而沒(méi)有布置咬合封底旋噴樁的方案。

工程的施工會(huì)對(duì)既有高鐵連續(xù)剛構(gòu)橋基礎(chǔ)產(chǎn)生一定程度上的豎向變形和橫向變形。其中，橫向變形最大值為0.487 mm，發(fā)生在工序二施工后U形槽內(nèi)基礎(chǔ)上；豎向變形最大值為0.926 mm，發(fā)生在工序三施工后U形槽內(nèi)基礎(chǔ)上。模型計(jì)算區(qū)域內(nèi)變形結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2　常規(guī)支護(hù)方案土體變形結(jié)果匯總

在每個(gè)墩臺(tái)基礎(chǔ)處(土層)選取7個(gè)沉降考察點(diǎn)，分別給出施工過(guò)程中各沉降考察點(diǎn)的橫向和豎向位移變化情況。橋墩、橋臺(tái)基礎(chǔ)及基礎(chǔ)處沉降考察點(diǎn)位置情況如圖7所示。圖8～圖11給出了常規(guī)支護(hù)方案的橋臺(tái)基礎(chǔ)土體橫向和豎向變形結(jié)果。

圖7　橋梁墩臺(tái)及土體沉降考察點(diǎn)位置

圖8　截面一(橋臺(tái)基礎(chǔ)1)土體橫向位移分布

圖9　截面二(橋墩基礎(chǔ)2)土體橫向位移分布

圖10　截面一(橋臺(tái)基礎(chǔ)1)土體豎向位移分布

圖11　截面二(橋墩基礎(chǔ)2)土體豎向位移分布

4　加強(qiáng)型支護(hù)加固開(kāi)挖方案分析計(jì)算

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，加強(qiáng)型支護(hù)加固開(kāi)挖方案所產(chǎn)生的橫向變形最大值為0.151 mm，發(fā)生在工序三施工后U形槽內(nèi)基礎(chǔ)上；豎向變形最大值為0.338 mm，發(fā)生在工序三施工后U形槽內(nèi)基礎(chǔ)上。施工中引起的既有高鐵連續(xù)剛構(gòu)橋基礎(chǔ)變形結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

在每個(gè)墩臺(tái)基礎(chǔ)處(土層)同樣選取7個(gè)沉降考察點(diǎn)，分別給出施工過(guò)程中各沉降考察點(diǎn)的橫向和豎向位移變化情況。橋墩、橋臺(tái)基礎(chǔ)及基礎(chǔ)處沉降考察點(diǎn)位置情況如圖7所示。圖12～圖15給出了常規(guī)支護(hù)方案的橋臺(tái)基礎(chǔ)土體橫向和豎向變形結(jié)果。

表3　加強(qiáng)型支護(hù)方案土體變形結(jié)果匯總

圖12　截面一(橋臺(tái)基礎(chǔ)1)土體橫向位移分布(加強(qiáng)型)

圖13　截面二(橋墩基礎(chǔ)2)土體橫向位移分布(加強(qiáng)型)

圖14　截面一(橋臺(tái)基礎(chǔ)1)土體豎向位移分布(加強(qiáng)型)

圖15　截面二(橋墩基礎(chǔ)2)土體豎向位移分布(加強(qiáng)型)

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)臨近某高鐵立交工程建立三維地層-結(jié)構(gòu)有限元分析模型，模擬完整的施工過(guò)程，從而對(duì)基坑開(kāi)挖、框構(gòu)頂進(jìn)施工、U形槽開(kāi)挖全過(guò)程對(duì)高鐵橋梁的影響進(jìn)行分析，得出以下一些結(jié)論：

(1)下穿框架基坑開(kāi)挖及框架頂進(jìn)施工會(huì)對(duì)既有高鐵連續(xù)剛構(gòu)橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生變形影響，但影響程度有限。常規(guī)支護(hù)加固開(kāi)挖時(shí)，橋墩基礎(chǔ)處土層最大橫向位移影響值為0.5 mm，橋墩基礎(chǔ)處土層最大豎向位移影響值為0.8 mm；加強(qiáng)型支護(hù)加固開(kāi)挖(即增加咬合封底措施)時(shí)，橋墩基礎(chǔ)土層最大橫向位移影響值為0.15 mm；橋墩基礎(chǔ)處土層最大豎向位移影響值為0.34 mm，對(duì)橋臺(tái)及路基豎向和橫向影響量接近于零。加強(qiáng)防護(hù)措施可有效控制高鐵橋梁的附加沉降量，可確保高鐵的安全運(yùn)營(yíng)。

(2)由于既有高鐵連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)計(jì)算中已經(jīng)考慮了下穿通道建設(shè)時(shí)的工程荷載預(yù)留，上述施工引起的橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻變形對(duì)既有高鐵剛構(gòu)橋受力安全不會(huì)產(chǎn)生影響。

(3)在下穿道路正常施工狀態(tài)下(施工處于自身安全狀態(tài)、降水和止水措施有效)，加強(qiáng)防護(hù)措施后的基坑開(kāi)挖施工及框架橋頂進(jìn)等工程不會(huì)對(duì)高鐵的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)實(shí)質(zhì)影響。

(4)建議開(kāi)展第三方自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并在施工期間嚴(yán)密監(jiān)測(cè)高鐵橋梁及路基變形情況，確保高鐵的運(yùn)營(yíng)安全。

[1]王軍.深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近高鐵橋墩的影響分析[J].鐵道勘察，2010，36(4):77-79

[2]王夢(mèng)恕.隧道與地下工程技術(shù)及其發(fā)展[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2006

[3]王菲，禚一.盾構(gòu)法施工對(duì)既有橋基礎(chǔ)變位的影響分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2011，153(6):14-20

[4]禚一，王菲.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合梁斜拉橋智能診斷方法研究. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2011，159(12):57-63

[5]TB 10621—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S]

[6]鐵運(yùn)[2012]83號(hào)高速鐵路無(wú)砟軌道線路修理規(guī)則(試行)[S]

[7]畢繼紅，王暉.工程彈塑性力學(xué)[M].天津:天津大學(xué)出版社，2003

[8]費(fèi)康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2010

[9]禚一，張軍，宋順忱.軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖對(duì)臨近高鐵影響數(shù)值仿真分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014，30(2):41-47

[10]龔曉南.土塑性力學(xué)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社，1999

[11]李寧，王柱，韓煊，等.地鐵開(kāi)挖對(duì)上部樁基變形的影響研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2006(10)：112-116

[12]廖振宇.下穿既有高速鐵路地鐵隧道對(duì)橋墩的影響分析[J].鐵道勘察，2014(3):101-104

The Impact Analysis of Engineeringnear by High-speed Railway Bridge for the Operation Safety

WANG Shumin

2016-01-20

鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

王淑敏(1972—)，女，1997年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院交通土建專業(yè)，高級(jí)工程師。

1672-7479(2016)02-0060-04

U442.5

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