馬海濤

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450000)

1 概述

近年來，隨著城市路網(wǎng)的擴(kuò)展完善和高速鐵路交通系統(tǒng)建設(shè)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出大量市政道路與高速鐵路交叉的工程類型，高速鐵路運(yùn)行對(duì)鐵路線路豎向、橫向變形要求極為嚴(yán)格，道路下穿高鐵工程的設(shè)計(jì)方案應(yīng)確保高鐵運(yùn)營的安全。在道路下穿高鐵橋梁工程中，如何減少新建道路工程對(duì)既有高鐵橋梁結(jié)構(gòu)的影響為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，結(jié)合鄭州107輔道快速化工程下穿高鐵橋梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)市政道路下穿高鐵防護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

2 工程概況

107輔道快速化工程位于鄭州市中心城區(qū)東部，為城市三環(huán)快速路東段，全長約20 km。快速路主線規(guī)劃為雙向八車道，在隴海立交南側(cè)自北向南依次與鄭萬高鐵、鄭州至機(jī)場城際鐵路、鄭西貫通線、西南下行聯(lián)絡(luò)線、京廣客專正線、西北聯(lián)絡(luò)線、西南上行聯(lián)絡(luò)7條高鐵交叉。穿越高鐵處道路主線設(shè)計(jì)為利用既有地面道路拓寬。由于其線位與高鐵斜交角度較大，橋墩密集，道路需在眾多橋墩間選擇合適位置一次完成穿越，道路平面占?jí)撼信_(tái)不可避免，本工程穿越鐵路群范圍內(nèi)共占?jí)焊哞F承臺(tái)19個(gè)(需進(jìn)行27處承臺(tái)防護(hù)設(shè)計(jì))，工程平面示意如圖1。

圖1 線位下穿高鐵平面示意

3 控制性因素分析

對(duì)占?jí)焊哞F承臺(tái)的防護(hù)，一般可采用梁橋形式[8]或板樁結(jié)構(gòu)形式[7]使道路與高鐵承臺(tái)隔離，實(shí)現(xiàn)下穿。結(jié)構(gòu)類型的選擇需結(jié)合道路平縱橫設(shè)計(jì)、既有鐵路設(shè)備、橋下凈空、地質(zhì)及施工條件等因素綜合考慮。

3.1 凈空

本工程交叉位置位于高鐵線路集中區(qū)域，各條高鐵橋下凈空不一，京廣高鐵位置處，既有橋梁底至承臺(tái)頂凈距為6.8 m，在保證5.5 m道路通行凈空條件下，防護(hù)結(jié)構(gòu)可利用空間為1.3 m，如采用梁式橋結(jié)構(gòu)，需采用小跨徑板橋，且需設(shè)置橋梁支座，因橋下空間狹窄，影響后期支座的維修養(yǎng)護(hù)及更換。

3.2 道路與高鐵承臺(tái)平面重疊范圍大

道路與多條高鐵線路均斜交，斜交角度大，與西南上行聯(lián)絡(luò)線斜交達(dá)70.8°，行車道平面投影占?jí)焊哞F承臺(tái)范圍長10.4 m、寬4.67 m。應(yīng)考慮橋梁結(jié)構(gòu)或板樁結(jié)構(gòu)的樁基施工對(duì)高鐵橋梁變形的影響。參考相關(guān)文獻(xiàn)，新建樁基與高鐵樁基間凈距至少為4倍樁徑，新建樁基直徑為1 m時(shí)，板下樁間最小距離為16 m，樁間距離過大，無法滿足常規(guī)板樁結(jié)構(gòu)的受力要求。

3.3 地質(zhì)條件

地勘資料顯示，場區(qū)內(nèi)自上而下主要地層為：填筑土，中密-密實(shí)，稍濕，主要成分為細(xì)砂，厚1.60～8.50 m；素填土，松散或稍密，稍濕，主要成分為細(xì)砂及粉土，厚0.50～8.00 m；雜填土，松散，稍濕，主要為粉土，厚0.00～3.50 m；第四系全新統(tǒng)粉土、粉砂及細(xì)砂。場區(qū)地下水為第四系孔隙潛水，穩(wěn)定水位為10.0～12.5 m。

3.4 施工條件

(1)樁基施工條件

交叉處京廣高鐵橋下既有凈空6.8 m，無法滿足長大樁基施工設(shè)備所需的施工空間及安全距離要求，且需考慮施工對(duì)高鐵橋梁沉降影響。因此，應(yīng)避免采用大型振動(dòng)機(jī)械設(shè)備。

(2)板梁施工條件

路面設(shè)計(jì)高程與高鐵承臺(tái)間凈距最小為1.3 m，扣除結(jié)構(gòu)厚度，結(jié)構(gòu)下方與承臺(tái)間距離狹小，如采用常規(guī)現(xiàn)澆法施工，支架需架設(shè)在高鐵承臺(tái)上。施工過程中，結(jié)構(gòu)、支架、模板重量及混凝土澆筑產(chǎn)生的附加荷載皆傳遞到高鐵承臺(tái)上，可能對(duì)高鐵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及運(yùn)行安全造成較大影響。

4 高鐵承臺(tái)防護(hù)方案

根據(jù)現(xiàn)場條件，提出型鋼骨架異形板樁固結(jié)防護(hù)的結(jié)構(gòu)方案。上部結(jié)構(gòu)：采用型鋼骨架混凝土板作為行車道直接受力結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)：針對(duì)不同位置采取不同措施，高鐵承臺(tái)處，在滿足與既有高鐵基樁4倍樁徑前提下，圍繞承臺(tái)設(shè)置10 m長小型人工挖孔樁基礎(chǔ)，板樁固結(jié)；在承臺(tái)上方，板與承臺(tái)分離，形成空間異形懸臂板結(jié)構(gòu)；既有G107老路基下方設(shè)置褥墊層，板設(shè)置于褥墊層上方。加寬側(cè)新路基為回填土，在靜態(tài)壓實(shí)的基礎(chǔ)上，采用樹根樁法進(jìn)行地基加固處理，板樁固結(jié)，同時(shí)設(shè)置碎石墊層。防護(hù)方案平面示意見圖2。

圖2 防護(hù)方案平面示意(單位cm)

5 防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

型鋼骨架異形板樁固結(jié)防護(hù)結(jié)構(gòu)方案中，板樁固結(jié)，避免了設(shè)置梁橋支座，解決了因空間受限支座無法更換及養(yǎng)護(hù)的問題。小型人工挖孔樁解決了橋下凈空無法滿足長大樁基施工的難題。樁長控制在10 m以內(nèi)，解決了高鐵范圍內(nèi)水位埋藏較淺等問題。

5.1 異形懸臂板設(shè)計(jì)

在臨近承臺(tái)側(cè)，板與承臺(tái)分離，板固結(jié)支撐在聯(lián)排樁基上，形成異形懸臂板空間受力體系。

混凝土板設(shè)計(jì)厚度為70 cm，C40混凝土，抗?jié)B等級(jí)≥P8，主筋采用HRB400螺紋鋼筋，內(nèi)設(shè)置HN500x200 mm工字鋼，間距為50 cm。為增加其整體性，型鋼間設(shè)置橫隔板，表層設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)。為控制溫度、不均勻沉降等產(chǎn)生的次內(nèi)力影響，板梁分段長度按20 m設(shè)置，并在節(jié)間設(shè)置沉降縫。

對(duì)異形板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，采用MIDAS civl軟件進(jìn)行空間分析。

計(jì)算模型：樁板固結(jié)的三邊支撐異形板結(jié)構(gòu)；

荷載等級(jí)：城-A級(jí)；

計(jì)算參數(shù)：混凝土自重26 kN/m3，瀝青混凝土鋪裝23 kN/m3，防撞墻10 kN/m，升溫25 ℃、降溫-20 ℃，收縮徐變3 650 d。

根據(jù)MIDAS civl計(jì)算分析，板單元位移計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示，板單元彎矩計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖3 板單元計(jì)算位移云圖(自重)

圖4 板單元計(jì)算位移云圖(荷載短期效應(yīng)組合)

圖5 板單元計(jì)算彎矩云圖

根據(jù)計(jì)算，異形懸臂板結(jié)構(gòu)在自重作用下豎向位移為-3.6 mm；考慮荷載短期效應(yīng)及長期效應(yīng)的影響，板單元的最大豎向位移為-7.2 mm，滿足城市快速路路基容許工后沉降≤0.3 m的要求。

極限狀態(tài)下，每延米板單元結(jié)構(gòu)最大彎矩為1 850 kN·m；最小為-1 679 kN·m。

變形及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

5.2 支撐樁設(shè)計(jì)

常規(guī)的板樁結(jié)構(gòu)為混凝土板下均布基樁，本工程行車道平面投影占?jí)撼信_(tái)面積較大，在保證與高鐵基樁4倍樁徑凈距的前提下，無法實(shí)現(xiàn)基樁均布。因此，采用圍繞高鐵承臺(tái)設(shè)置聯(lián)排支撐樁的方案，通過聯(lián)排支撐樁的整體受力滿足基底承載力要求。

樁基直徑為70 cm，間距為100 cm，樁頂設(shè)置高70 cm頂圈梁，樁板固結(jié)。由于樁周大部分位于既有高鐵承臺(tái)的回填土內(nèi)，其物理力學(xué)條件較差。為提高樁基承載力，減少差異沉降，設(shè)計(jì)采用后注漿技術(shù)。每根樁基均進(jìn)行樁端注漿[6]，聲測(cè)管兼作注漿管，注漿的漿液由水、水泥、膨潤土、緩凝劑(試配)等組成，級(jí)配材料的選擇、比例等通過級(jí)配試驗(yàn)確定。φ70 cm樁基后注漿水泥漿用量設(shè)計(jì)參考值為1.0 t，注漿壓力為2～4 MPa。

為盡量減少支撐樁施工對(duì)既有高鐵橋梁的影響，采用挖孔樁并隔孔跳挖施工。防護(hù)結(jié)構(gòu)立面示意如圖6所示。

圖6 防護(hù)結(jié)構(gòu)立面示意(單位：cm)

5.3 基底加固設(shè)計(jì)

為滿足加寬路基處基底承載力要求及減少新老路基間的不均勻沉降，對(duì)新建路基采用靜力壓實(shí)及樹根樁法加固[4-5](樁徑0.3 m，間距1 m，長5 m)，復(fù)合地基承載力為150 kPa。同時(shí)，樁頂設(shè)置30 cm碎石褥墊層。樹根樁成孔采用天然泥漿護(hù)壁，遇粉細(xì)砂層易塌孔時(shí)加設(shè)套管，灌注時(shí)，采用間隔施工、間歇施工或添加速凝劑等措施，以防止相鄰樁孔移位和竄孔。

5.4 施工難點(diǎn)應(yīng)對(duì)措施

工程位置處高鐵橋梁墩柱密集，根據(jù)現(xiàn)場條件及異形板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，需采用現(xiàn)澆法施工，而板的平面投影大面積占?jí)焊哞F承臺(tái)。常規(guī)支架現(xiàn)澆法需在承臺(tái)上搭設(shè)支架、立模、澆筑，板恒載及施工荷載皆傳遞到承臺(tái)上，對(duì)既有高鐵橋梁的安全造成較大影響。如何避免施工荷載及機(jī)具影響既有高鐵橋梁結(jié)構(gòu)，成為本方案的關(guān)鍵。

為避免在承臺(tái)上搭設(shè)支架，將板設(shè)計(jì)為型鋼骨架板梁，即先在支撐樁頂圈梁上架設(shè)型鋼骨架，作為板梁的永久受力結(jié)構(gòu)，同時(shí)，將板的現(xiàn)澆模板吊在型鋼骨架上并進(jìn)行吊模澆筑施工，有效地避免了恒載及施工荷載對(duì)既有高鐵橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

6 對(duì)高鐵影響分析

樁板防護(hù)結(jié)構(gòu)與高鐵承臺(tái)間最小凈距為20 cm，市政道路路基結(jié)構(gòu)與既有高鐵橋梁結(jié)構(gòu)分離，可確保新建項(xiàng)目的恒載、活載及施工荷載[12]皆不直接作用于既有高鐵橋梁結(jié)構(gòu)。但新建支撐樁與既有高鐵橋梁樁基距離較近，且支撐樁基本位于填筑土、細(xì)砂層，地質(zhì)條件較差，支撐樁施工將改變既有高鐵樁基應(yīng)力環(huán)境，對(duì)高鐵墩臺(tái)變形及承載力皆有一定影響[9]。采用MIDAS GTS軟件，對(duì)板樁結(jié)構(gòu)施工各階段及道路運(yùn)營狀態(tài)下，高鐵橋梁的變形及承載力影響進(jìn)行計(jì)算分析[10]。

計(jì)算模型：四節(jié)點(diǎn)的四面實(shí)體單元。

高鐵計(jì)算參數(shù)：荷載標(biāo)準(zhǔn)為ZK-活載[2]；設(shè)計(jì)速度為350 km/h；軌道類型為無砟軌道；橋梁為(60+80+80+60) m連續(xù)梁。

市政道路：荷載標(biāo)準(zhǔn)為城-A級(jí)[3]；設(shè)計(jì)速度為80 km/h。

6.1 高鐵墩臺(tái)變形分析

(1)初始應(yīng)力場的模擬

考慮不同的土體分層條件和重度，計(jì)算初始應(yīng)力場分布；考慮既有橋墩對(duì)初始應(yīng)力場的影響。

(2)連續(xù)介質(zhì)的模擬

采用“摩爾-庫倫(M-C)”土體彈塑性模型，樁基礎(chǔ)采用線彈性樁單元模型，同時(shí)建立摩擦界面單元，考慮土體和樁結(jié)構(gòu)之間的相互作用[11]。

(3)邊界條件的模擬

對(duì)計(jì)算土體的底面約束豎向z位移，側(cè)面分別約束橫向x、縱向y位移，地表為自由面，樁基礎(chǔ)約束z方向轉(zhuǎn)角。

(4)施工階段的模擬

采用MIDAS GTS軟件進(jìn)行模擬分析，高鐵橋墩基樁沉降計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 高鐵橋墩基樁沉降云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各階段墩臺(tái)豎向位移值匯總見表1。

表1 高鐵墩臺(tái)豎向位移匯總

支撐樁施工引起高鐵墩臺(tái)豎向沉降值為0.42 mm、道路運(yùn)營階段引起高鐵墩臺(tái)沉降值為-1.6 mm，各階段對(duì)高鐵橋梁墩臺(tái)沉降影響均小于墩臺(tái)均勻沉降限值(20 mm)的要求。

相鄰墩臺(tái)沉降差，施工階段最大為0.06 mm、運(yùn)營階段為0.08 mm。滿足高鐵無砟軌道相鄰墩臺(tái)沉降差限值(5 mm)及高鐵線路平順性要求。

相鄰墩臺(tái)沉降量之差引起超靜定連續(xù)梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力亦滿足高鐵橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

單側(cè)支撐樁施工引起高鐵墩臺(tái)頂橫向位移為0.31 mm，橫向位移引起橋梁梁端水平折角，經(jīng)計(jì)算滿足不大于1.0‰弧度的要求。

6.2 高鐵墩臺(tái)樁基承載力分析

采用MIDAS GTS軟件對(duì)各施工階段的高鐵橋墩基樁軸力進(jìn)行分析計(jì)算，各施工階段樁基軸力結(jié)果如圖8所示。

圖8 高鐵樁基軸力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各階段樁基軸力值匯總見表2。

表2 高鐵樁基軸力計(jì)算匯總

支撐樁施工階段及道路運(yùn)營引起高鐵基樁承載力變化，但影響較小，均滿足原橋結(jié)構(gòu)單樁容許承載力要求。

6.3 高鐵變形監(jiān)測(cè)

通過各施工階段對(duì)鐵路橋墩變形監(jiān)測(cè)、驗(yàn)證和校核理論計(jì)算結(jié)果，判斷鐵路橋梁的變形情況，對(duì)鐵路運(yùn)營安全進(jìn)行預(yù)警。目前，工程已實(shí)施完畢，施工各階段高鐵橋梁變形值均未大于沉降控制值(2 mm)及預(yù)警值(1 mm)。

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