牛召陽

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

我國高速鐵路的通車里程已達2萬km，預計到2025年，高速鐵路通車里程將達到3.8萬km。受各種條件限制，許多新建高鐵在局部范圍內必須與既有高鐵并行，從而帶來了一系列的工程技術難題。

以平原地區(qū)某新建客運專線(以下簡稱新建客專)連續(xù)梁并行既有高速鐵路(以下簡稱既有高鐵)簡支梁地段為背景，運用Plaxis 2D軟件建立數值模型，對新建客運專線橋梁施工階段、運營階段既有高速鐵路橋梁的沉降變形進行數值分析，以期得到一些有益的結論。

1 工程背景

1.1 工程概況

某新建客專禹齊特大橋于鐵路里程DK379+952處跨徒駭河，與既有高鐵32 m簡支梁橋并行。該新建客專設計速度為250 km/h，采用有砟軌道，梁跨為40 m+64 m+40 m連續(xù)梁，圓端形實體橋墩，墩全高17.5 m；基礎采用16根直徑為1.5 m的樁基，樁長65 m。既有高鐵設計速度為350 km/h，采用無砟軌道，梁跨為32 m簡支梁，圓端形實體橋墩，樁基礎。墩全高15.5 m，基礎采用12根1.0 m樁基，樁長42 m。兩工程最小線間距為25.41 m(見圖1)。

圖1 平面示意(單位：m)

1.2 工程地質條件

勘探深度范圍內地層為第四系全新統沖積層(Q4al)及第四系上更新統沖積層(Q3al)，局部表層覆蓋第四系全新統人工堆積層(Q4ml)，主要分布于即有河堤。本場地地震動峰值加速度為0.05g(地震基本烈度為Ⅵ度)，場地類別為Ⅲ類。土壤最大凍結深度為0.5 m。

樁身及樁尖范圍內土層由粉質黏土(130～260 kPa)、粉土(140～210 kPa)、粉砂(200 kPa)、細砂(300 kPa)等互層組成，無不良地質。既有高鐵樁基樁長42 m，采用摩擦樁。

1.3 水文地質條件

橋址區(qū)勘測期間，DK379+950溝渠內有水，水深0.6～3.0 m，多為灌溉水。地下水為第四系孔隙潛水,埋深1.5～2.4 m，高程為16.35～17.11 m。地下水主要由大氣降水及地表水補給，水位變幅2～3 m。

2 沉降及變形分析

新建客專40 m+60 m+40 m連續(xù)梁施工及運營對相鄰既有高鐵32 m簡支梁造成的沉降變形[1-5]主要包括以下兩個方面：

(1)新建客專橋梁樁基施工、承臺基坑開挖、承臺施工、基坑回填、橋墩施工、架梁、運營階段對既有高鐵橋梁附加沉降的影響。

(2)新建客專樁基施工、承臺基坑開挖、承臺施工、基坑回填、橋墩施工、架梁、運營階段對既有高鐵橋梁附加水平變形的影響。

3 建模分析

3.1 建模軟件簡介

PLAXIS 2D程序是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能強大的通用巖土有限元計算軟件，已廣泛應用于各種復雜巖土工程項目的有限元分析中。其專業(yè)、高效、強大、穩(wěn)定等特點得到工程專業(yè)人員的廣泛認可，日漸成為大家日常工作中不可或缺的分析工具。

3.2 土層參數

(1)壓縮模量的經驗公式

土層的壓縮模量取值以土工試驗報告中的壓縮模量及壓縮曲線為基礎，結合以下壓縮模量的經驗公式進行計算取值。計算得到地面10 m以下不同土層在不同深度處的壓縮模量(地面以下10 m范圍內的土層由于其有效壓應力較小，故未考慮其深度變化，取值來源于土工試驗報告)。

(1)

對于粗砂：Ve=250，We=0.70；對于細砂：Ve=150，We=0.75；對于硬塑黏土：Ve=50，We=0.90；對于可塑黏土：Ve=10，We=1；對于高黏性土：Ve=6，We=1。

正常固結的土層，σat取值為100 kN/m2。

σ為該深度處的自重應力，地下水位以上取天然重度，在地下水位以下取浮重度/(kN/m2)。

在有限元計算過程中，在考慮相關土工試驗報告給出值的基礎上，利用經驗公式計算壓縮模量隨深度的變化值。

(2)壓縮模量的取值原則

計算中土層壓縮模量的取值分為三部分：

①既有高鐵橋梁樁基樁尖以上土體，此部分土體壓縮模量根據公式(1)計算取值。

②既有高鐵橋梁樁基樁尖以下土體壓縮層，根據橋梁沉降理論的分層總和法確定樁尖以下土體的壓縮層厚度，其方法為：樁尖以下某一層土體的沉降量小于或等于樁尖以下總沉降量的0.025倍，此部分土體壓縮模量可查詢土工試驗報告e-p曲線中對應土層應力壓縮模量值的3倍取值。

③模型底部，理論上不發(fā)生壓縮變形(此部分土層為樁尖以下土體壓縮層與模型底部之間的土層)，壓縮模量可查詢土工試驗報告e-p曲線中對應土層應力壓縮模量值的10倍取值。

(3)本工點土層參數

根據地質資料，將施工場地的分層土進行簡化[6-7]，見表1。

表1 土層參數

3.3 計算模型

采用巖土有限元分析軟件Plaxis 2D[8-9]進行模擬。模型寬度為260 m，深度為100 m，采用土體硬化模型來模擬土的本構關系，橋梁承臺、樁基均采用板單元模擬，橋梁上部結構均以均布荷載形式加載在承臺上來模擬，樁土之間摩擦關系采用界面單元模擬，土體水平邊界采用水平約束，底邊界采用固定約束[10-13]。二維平面應變模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

建模的基本原則：首先將既有高鐵橋梁結構物按現狀作為基本初始狀態(tài)，計算土層的初始應力，建立新建客專橋梁結構物模型，分階段計算土層的應力及沉降變化情況，進而考查土層變形對既有高鐵橋梁基礎的影響。

3.4 階段劃分

計算分以下九個階段進行，分別為：

(1)土層自重和靜水壓力的初始階段；

(2)既有高鐵現狀階段；

(3)新建客專樁基施工階段；

(4)新建客專承臺基坑開挖階段；

(5)新建客專承臺施工階段；

(6)新建客專承臺基坑回填階段；

(7)新建客專橋墩施工階段；

(8)新建客專架梁階段；

(9)新建客專運營階段。

3.5 計算結果

計算新建客專施工及運營對既有高鐵的附加影響，見表2、圖3～圖7。

表2 各階段計算結果匯總

注：沉降值負值為沉降，正值為隆起。

圖3 運營階段有限元網格變形

圖4 運營階段整體變形矢量

圖5 運營階段整體變形等值線

圖6 運營階段整體變形云圖

圖7 各階段位移曲線

4 結論

(1)承臺基坑開挖、承臺施工階段，既有高速鐵路橋梁基礎略向上隆起；其余階段均為下沉，其中以橋墩施工階段影響最為顯著。臨近既有高鐵施工新建客專40 m+64 m+40 m連續(xù)梁的施工，引起既有高鐵的豎向沉降為1.76 mm，向新建客專方向的水平位移為2.61 mm，水平位移比豎向沉降值略大。

(2)在25.41 m線間距的條件下，新建客專的施工及運營引起既有高鐵橋梁基礎的沉降量滿足墩臺均勻沉降小于20 mm，差異沉降小于5 mm的要求；滿足墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角不大于1.0‰弧度的要求(按照32 m簡支梁計算水平限值最大為16 mm)；滿足高速鐵路無砟軌道經常保養(yǎng)條件下4 mm的豎向和水平要求[14-15]。

(3)小間距并行既有高鐵的新建客專橋梁施工，可采取以下措施減小對既有高鐵的沉降變形影響，保證既有高鐵的運營安全：

①既有高鐵兩側50 m范圍內不得堆土，防止堆土產生的附加荷載。

②既有高鐵兩側200 m范圍內不得抽取地下水，防止抽取地下水導致地面沉降，進而影響既有高鐵的安全運營。

③適當增加新建客專橋梁的樁長，使上部荷載有效傳遞到更深的土層。

④在靠近新建客專一側施工隔離樁，可有效隔離新建客專橋梁對既有高鐵橋梁基礎下部土體的擾動。

⑤施工過程中采用有擋開挖，避免放坡開挖。

⑥新建客專橋梁的樁基可采用套管施工樁基的新技術。

⑦新建客專橋梁樁基施工過程中，先施工靠近既有高鐵一側，按照順線路方向依次施工，這樣內側樁基能起到臨時隔離樁的效果。

⑧編制第三方監(jiān)測方案，對既有高鐵的沉降變形進行適時分析。

⑨對并行地段既有高鐵地段的軌道現狀及扣件運用情況進行全面調查，施工前將并行地段既有高鐵的軌道調整到最佳狀態(tài)，施工中根據第三方監(jiān)測情況適時進行調整。

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