周樂平， 陳俊波， 姚 進(jìn)， 孫 遠(yuǎn)

(1. 中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司， 湖北 武漢 430014； 2. 鄭萬鐵路客運(yùn)專線河南有限責(zé)任公司， 河南 鄭州 450016；3. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

隨著我國鐵路網(wǎng)的不斷完善，將會(huì)出現(xiàn)越來越多的新建鐵路橋梁與既有高速鐵路橋梁交叉或并行的情況。新建鐵路橋梁的施工會(huì)不可避免地對(duì)既有高速鐵路產(chǎn)生影響，從而給高速鐵路的運(yùn)營帶來安全隱患[1]。

鄰近既有高速鐵路修建的工程會(huì)干擾附近地層原有的平衡狀態(tài)，引起附近地層應(yīng)力重分布和變形，構(gòu)成對(duì)周邊既有結(jié)構(gòu)和設(shè)施的附加荷載，使其發(fā)生附加變形。劉東等[2,3]對(duì)跨越既有高速鐵路橋梁的施工技術(shù)進(jìn)行了探究；李龍劍等[4～6]研究了基坑開挖對(duì)鄰近橋梁樁基的影響；Pan等[7,8]分析和探討了地面堆載引起的既有橋梁樁基礎(chǔ)的沉降和變形；左亞飛等[9,10]分析了新建工程下穿高速鐵路的影響。從以上分析可以看出，目前的研究大多集中在新建公路工程、基坑開挖等對(duì)既有高速鐵路橋梁、鄰近樁基的影響，而新建鐵路橋梁施工對(duì)既有高速鐵路橋梁的影響研究還很少，但是這種新建鐵路橋梁工程量大、施工要求高，按照TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中的規(guī)定：靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)的工后均勻總沉降不應(yīng)大于20 mm，相鄰墩臺(tái)最終沉降差不應(yīng)大于5 mm。根據(jù)鐵運(yùn)[2012]83號(hào)《高速鐵路無砟鐵道線路維修規(guī)則》(試行)[12]的規(guī)定：250(不含)～350 km/h線路軌道靜態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值要求軌向偏差及軌道高低(10 m弦測(cè)量的最大矢度值)應(yīng)小于2 mm；250(不含)～350 km/h線路軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值要求高鐵軌道縱向變形應(yīng)小于4 mm，橫向變形不超過5 mm。因此，新建鐵路橋梁的施工對(duì)既有高速鐵路橋梁的影響更為復(fù)雜，從而對(duì)這種影響的研究是很有必要的。

本文依托新建鄭萬鐵路河南段聯(lián)絡(luò)線特大橋與既有鄭西貫通線交叉及并行段工程背景，利用有限差分法，模擬聯(lián)絡(luò)線特大橋與鄭西貫通線交叉及并行段施工對(duì)既有鄭西高鐵橋梁樁基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的影響，從而為類似工程的施工提供參考。

1 工程概況

新建鄭萬鐵路是西南地區(qū)與中原、華北地區(qū)之間的干線鐵路，是國家快速鐵路網(wǎng)的組成部分，同時(shí)也是聯(lián)系中原地區(qū)和西南地區(qū)的主要高速客運(yùn)通道，兼顧沿線城際及旅游客流運(yùn)輸。鄭萬鐵路是重慶地區(qū)通往華北華中地區(qū)的快速客運(yùn)主骨架；對(duì)補(bǔ)充完善我國鐵路“四縱四橫”客運(yùn)專線網(wǎng)，構(gòu)建沿長江經(jīng)濟(jì)帶現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系具有重要戰(zhàn)略意義。新建鄭州至萬州的鐵路河南段站前工程聯(lián)絡(luò)線特大橋位于鄭州市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，橋梁中心里程ZWSLDK3+331.47，橋全長6117.77 m。橋址內(nèi)地勢(shì)平坦，所經(jīng)之處大部分為農(nóng)用地、房屋。鄭西貫通線正線起于鄭州東站，向南跨越隴海鐵路，轉(zhuǎn)向西跨越京廣鐵路，南水北調(diào)中線工程、西南環(huán)城高速，接入滎陽站。鄭西貫通線采用無砟軌道，設(shè)計(jì)最高速度為350 km/h，運(yùn)行速度小于300 km/h。新建鄭萬鐵路與鄭西貫通線鄭西跨南水北調(diào)總干渠特大橋交叉。

鄭萬鐵路河南段聯(lián)絡(luò)線特大橋140#—144#墩(DK5+073.040—DK5+414.460)采用32+138+138+32 m斜拉橋上跨鄭西貫通線，142#，143#橋墩分別位于鄭西貫通線兩側(cè)，交叉處鄭萬鐵路里程DK5+299.890，鄭西貫通線里程K557+860.402，交叉角度17.2°。交叉段鐵路相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 交叉段鐵路相對(duì)位置關(guān)系/m

鄭萬鐵路河南段聯(lián)絡(luò)線特大橋143#—145#墩(DK5+381.690—DK5+447.365)及160#—171#臺(tái)(DK6+033.060—DK6+393.660)臨近鄭西貫通線。并行段鐵路位置相對(duì)關(guān)系如圖2所示。

圖2 并行段鐵路相對(duì)位置關(guān)系/m

2 數(shù)值模擬分析

2.1 分析方法及模擬過程

本文運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬與計(jì)算。交叉段的計(jì)算模型土體尺寸為300 m×450 m×200 m；并行段的計(jì)算模型土體尺寸為120 m×100 m×90 m，考慮到計(jì)算機(jī)的模擬速度及模擬結(jié)果的精確性，在靠近橋墩、橋塔開挖面的土層網(wǎng)格劃分應(yīng)適當(dāng)加密，而遠(yuǎn)離橋墩開挖面的土層則相應(yīng)稀疏。因此，交叉段的模型共劃分了804310個(gè)實(shí)體單元，158657個(gè)節(jié)點(diǎn)；并行段的模型共劃分了303745個(gè)實(shí)體單元，85029個(gè)節(jié)點(diǎn)。分別按新建鐵路橋梁施工工序建立主要的施工階段，并通過施工階段的分析，建立三維實(shí)體有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，整體計(jì)算模型如圖3，4所示。

圖3 交叉段的計(jì)算模型

圖4 并行段的計(jì)算模型

(1)初始應(yīng)力場(chǎng)的模擬

根據(jù)地勘鉆孔資料及高鐵竣工資料提供的不同土層剖面，考慮不同的土體分層條件和重度，地質(zhì)土層的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示；考慮了既有鄭西高鐵橋墩對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)的影響。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

(2)連續(xù)介質(zhì)的模擬

有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算中土體采用“莫爾-庫倫(M-C)”土體彈塑性模型，鄭西高鐵鐵路橋、新建鐵路橋樁基礎(chǔ)采用線彈性樁單元模型，同時(shí)建立摩擦界面單元(考慮了土體和樁結(jié)構(gòu)之間的相互作用)；FLAC3D中pile單元能與土體自動(dòng)耦合，且能較好地模擬土體和樁之間的相互作用。鄭西高鐵及新建鐵路橋的橋墩及上部結(jié)構(gòu)采用彈性實(shí)體單元模擬。

(3)邊界條件的模擬

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

(4)施工階段的模擬

1)通過有限差分軟件的“激活單元、殺死單元”模擬聯(lián)絡(luò)線特大橋142#主塔斜拉橋段斜跨鄭西高鐵工程施工對(duì)既有鄭西高鐵橋基礎(chǔ)27#—37#橋墩樁基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的影響。施工模擬階段如表2所示。

表2 交叉段施工工序

2)通過有限差分軟件的“激活單元、殺死單元”模擬聯(lián)絡(luò)線特大橋169#—171#橋墩臨近鄭西高鐵工程施工(選取最不利斷面，承臺(tái)邊緣距離營業(yè)線橋下柵欄2.4 m)、運(yùn)營對(duì)既有鄭西高鐵橋基礎(chǔ)0#—2#橋墩樁基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的影響。施工模擬階段如表3所示。

表3 并行段施工工序

2.2 計(jì)算結(jié)果

2.2.1交叉段

(1)基礎(chǔ)沉降量

通過建模分析，得到各施工階段既有橋梁橋墩及上部結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖。限于篇幅，只取工序Phase 4，Phase 11，Phase 12，如圖5所示。圖中從左至右依次為既有鐵路橋27#～37#橋墩。

圖5 既有鐵路橋27#—37#橋墩及上部結(jié)構(gòu)沉降云圖/m

從以上既有鐵路橋橋墩及上部結(jié)構(gòu)沉降位移云圖可知，新建鐵路橋梁施工過程及運(yùn)營階段對(duì)既有橋橋墩影響較大為28#，29#，30#，33#，34#，35#，考慮工后沉降的累計(jì)沉降量，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)匯總分析，基礎(chǔ)沉降量的結(jié)果如表4所示。

表4 新建橋梁交叉段引起的鐵路橋沉降

(2)水平變形值

通過建模分析，得到各施工階段既有橋梁橋墩及上部結(jié)構(gòu)的橫向及縱向位移云圖。限于篇幅，橫向位移云圖取工序Phase 10，Phase 11，如圖6所示；縱向位移云圖取工序Phase 6，Phase 10，如圖7所示。圖中從左至右依次為既有鐵路橋27#～37#橋墩。

圖6 既有鐵路橋27#—37#橋墩及上部結(jié)構(gòu)橫向位移云圖/m

圖7 既有鐵路橋27#—37#橋墩及上部結(jié)構(gòu)縱向位移云圖/m

從以上既有鐵路橋橋墩及上部結(jié)構(gòu)橫向及縱向位移云圖可知，新建鐵路橋梁施工過程及運(yùn)營階段對(duì)既有橋橋墩影響較大為28#，29#，30#，33#，34#，35#，故分別統(tǒng)計(jì)以上各樁基變形結(jié)果，如表5，6所示。

表5 新建橋梁交叉段引起的鐵路橋墩樁基累計(jì)橫向變形值 mm

表6 新建橋梁交叉段引起的鐵路橋墩樁基累計(jì)縱向變形值 mm

(3)樁基承載力

新建鐵路橋梁及運(yùn)營后的列車荷載對(duì)結(jié)構(gòu)下的土體產(chǎn)生壓縮，并產(chǎn)生向下的摩擦力，即負(fù)摩擦力。負(fù)摩擦力的存在使樁基的極限承載力降低，沉降量增加，對(duì)工程較為不利。樁側(cè)摩阻力計(jì)算較為復(fù)雜，而對(duì)于既有鐵路橋梁考慮鐵路修建及運(yùn)行前后對(duì)樁基礎(chǔ)的影響，這里從樁基礎(chǔ)軸力變化的幅值來考察。因?yàn)樾陆蛐藿▽?duì)于場(chǎng)地土是一個(gè)持續(xù)加載的過程，因此，考慮最后一個(gè)施工階段即通車運(yùn)營階段與高鐵橋梁自身樁基軸力進(jìn)行比較。通過FLAC3D計(jì)算，可得到27#—37#橋墩樁基礎(chǔ)在新建橋梁施工前和運(yùn)營階段其軸力的變化。限于篇幅，下表僅列出從工序Phase 2～Phase 11階段，33#，34#，35#鐵路橋墩樁基承載力。

表7 交叉段鐵路橋墩樁基承載力 kN

2.2.2并行段

(1)基礎(chǔ)沉降量

通過建模分析，既有橋梁橋墩及上部結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖如圖8所示。圖中從左至右依次為既有鐵路橋0#～2#橋墩。

圖8 既有鐵路橋0#—2#橋墩及上部結(jié)構(gòu)豎向沉降云圖/m

從以上既有鐵路橋橋墩及上部結(jié)構(gòu)豎向沉降位移圖可知，新建鐵路橋梁施工過程及運(yùn)營階段對(duì)既有橋橋墩影響較小，考慮施工后沉降的累計(jì)沉降量，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)匯總分析，基礎(chǔ)沉降量的結(jié)果如表8所示。

表8 新建橋梁并行段引起的鐵路橋沉降統(tǒng)計(jì)

(2)樁基承載力

考慮最后一個(gè)施工階段即通車運(yùn)營階段與高鐵橋梁自身樁基軸力進(jìn)行比較，通過FLAC3D計(jì)算，可得到0#—2#墩樁基礎(chǔ)在新建橋梁施工前和運(yùn)營階段其軸力的變化，樁基承載力的結(jié)果如表9所示。

表9 并行段鐵路橋墩樁基承載力 kN

2.3 結(jié)果分析

2.3.1交叉段

(1)基礎(chǔ)沉降量

由表4可知，引起既有鄭西高鐵橋橋墩最終沉降量最大值發(fā)生在“Phase 12新建鐵路橋運(yùn)營”階段的33#墩，該施工階段的最大沉降為18.01 mm，小于墩臺(tái)均勻總沉降20 mm的要求，最大差異沉降為1.59 mm，小于墩臺(tái)差異沉降5 mm的要求，最大10 m弦為0.50 mm，小于要求的軌向偏差及軌道高低(10 m弦測(cè)量的最大矢度值)2 mm的要求。

(2)水平變形值

由表5可知，橋梁最大橫向位移發(fā)生在 “Phase 11新建鐵路橋斜拉橋上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體”和“Phase 12新建鐵路橋運(yùn)營”的34#橋墩，最大值為0.52 mm，小于橫向變形限值5 mm，滿足規(guī)范要求。

由表6可知，橋梁最大縱向位移發(fā)生在 “Phase 11新建鐵路橋斜拉橋上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體”和“Phase 12新建鐵路橋運(yùn)營”的33#橋墩，最大值為0.45 mm，小于縱向變形限值4 mm，滿足規(guī)范要求。

(3)樁基承載力

由表7可知，樁基軸力變化幅度最大為132.7 kN，施工階段及運(yùn)營后鄭西高鐵橋的單樁軸力仍小于單樁設(shè)計(jì)承載力，滿足規(guī)范要求。

2.3.2并行段

(1)基礎(chǔ)沉降量

由表8可知，引起既有鄭西高鐵橋橋墩最終沉降量最大值發(fā)生在“Phase 7新建鐵路橋運(yùn)營”階段的1號(hào)墩，該施工階段的最大沉降為14.60 mm，小于墩臺(tái)均勻總沉降20 mm的要求，最大差異沉降為0.49 mm，小于墩臺(tái)差異沉降5 mm的要求，最大10 m弦為0.07 mm，小于要求的軌向偏差及軌道高低(10 m弦測(cè)量的最大矢度值)2 mm的要求。

(2)樁基承載力

由表9可知，樁基軸力變化幅度最大為38.7 kN，影響較小，施工階段及運(yùn)營后鄭西高鐵橋的單樁軸力仍小于單樁設(shè)計(jì)承載力，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論及建議

(1)聯(lián)絡(luò)線特大橋32+138+138+32 m斜拉橋的修建對(duì)既有鄭西高鐵橋梁有一定影響，橋墩基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)變形量、樁基承載力滿足規(guī)范限值的要求，但引起的樁基礎(chǔ)沉降量偏大，需要施工期間嚴(yán)格按照要求進(jìn)行施工，合理安排工期，不得出現(xiàn)沉降速率過大的情況，以保證施工期間既有鐵路的安全運(yùn)營。

(2)聯(lián)絡(luò)線特大橋臨近鄭西高鐵的施工對(duì)既有鄭西高鐵橋梁影響較小，橋墩及上部結(jié)構(gòu)沉降量、樁基承載力滿足規(guī)范限值的要求。

(3)施工期間對(duì)27#—37#橋墩進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)資料的分析，判斷鐵路橋梁變形，對(duì)鐵路運(yùn)營安全進(jìn)行預(yù)警。一旦監(jiān)測(cè)異常，應(yīng)立即停止施工，啟動(dòng)事故應(yīng)急預(yù)案處理。對(duì)觀測(cè)變形超標(biāo)的橋墩，分析產(chǎn)生原因，研究對(duì)策，提出整改措施后再進(jìn)行施工，以保證鐵路運(yùn)營的安全。

(4)各個(gè)施工階段對(duì)鐵路橋墩進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證和校核理論計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)對(duì)觀測(cè)資料的分析，判斷鐵路橋梁變形，對(duì)鐵路運(yùn)營安全進(jìn)行預(yù)警。