馬鳳萍

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

U形槽是一種新型鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)，具有剛度大、變形小、穩(wěn)定性好、收坡及防水效果顯著等特點(diǎn)，特別適用于地下水豐富、地表或內(nèi)澇水位較高、滲透系數(shù)大、降水困難、放坡條件受到限制的挖方路基地段。許多學(xué)者對(duì)U形槽結(jié)構(gòu)開(kāi)展過(guò)研究，如周革[1]、王金艷[2]、丁兆鋒[3]、崔俊杰[4]等結(jié)合工程實(shí)例，詳細(xì)介紹U形槽結(jié)構(gòu)尺寸選擇、內(nèi)力計(jì)算、抗浮檢算等設(shè)計(jì)過(guò)程；李寧[5]利用有限元軟件建立三維模型，揭示了U形槽在不同工況下的應(yīng)力、變形規(guī)律；劉俊偉[6]、王立軍[7]等通過(guò)實(shí)例分析抗浮錨桿在U形槽結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。但以往研究對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施介紹較少，以下結(jié)合下穿高鐵橋的工程實(shí)例，對(duì)U形槽進(jìn)行研究，以期對(duì)類似環(huán)境下穿高鐵橋工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某新建鐵路路基以下挖的方式通過(guò)某既有高速鐵路橋梁地段。相關(guān)水利部門(mén)提供的資料顯示，該路基段落內(nèi)澇水位較高，百年積水水位高于鐵路路肩高程，為防止路基被浸泡，路基設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土U形槽封閉結(jié)構(gòu)形式，鋼筋混凝土雨棚柱基礎(chǔ)設(shè)置在U形槽邊墻頂。

既有高鐵與新建鐵路位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建鐵路與既有高鐵橋位置關(guān)系(單位：m)

1.2 工程地質(zhì)條件

(1)地層情況

①粉質(zhì)黏土：表層0.4 m為種植土，黃褐色-灰褐色，硬塑，含少量姜石，厚0～4.80 m，σ0=140 kPa；

②粉土：褐黃色，稍濕-潮濕，厚0～4.0 m，σ0=140 kPa，夾粉質(zhì)黏土透鏡體，含少量銹斑及植物根系；

③粉質(zhì)黏土：淺灰色-褐黃色，軟塑-硬塑，厚0～3.70 m，σ0=140 kPa，夾粉土透鏡體，含少量銹斑；

④細(xì)砂：淺灰色-灰黃色，中密-密實(shí)，稍濕-潮濕，厚0～5.90 m，σ0=270～350 kPa；

⑤粉質(zhì)黏土：褐黃色，硬塑，厚1.2～7.0 m，σ0=140～160 kPa，含少量姜石，偶見(jiàn)銹斑，夾細(xì)砂及粉土透鏡體；

以下為細(xì)砂及粉質(zhì)黏土。

(2)地下水情況

本段路塹地下水類型為第四系孔隙潛水，主要由大氣降水及地下徑流側(cè)向補(bǔ)給。勘測(cè)期間，地下水水位高程為-8.08～-10.21 m，水位變幅2.0～4.0 m。地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)侵蝕性；環(huán)境土在氯鹽環(huán)境作用下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具氯鹽侵蝕，環(huán)境作用等級(jí)為L(zhǎng)1。

(3)地表水情況

勘測(cè)期間無(wú)地表水，設(shè)計(jì)百年內(nèi)澇水位高程為14.0 m。

1.3 工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)

(1)既有高鐵橋兩橋墩間空間有限，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮U形槽基坑開(kāi)挖施工對(duì)既有橋梁墩臺(tái)、基礎(chǔ)等的影響，并將由此引起的橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)位移控制在允許范圍內(nèi)。

(2)本工程中雨棚柱基礎(chǔ)設(shè)置在結(jié)構(gòu)邊墻頂，邊墻需承受雨棚柱傳遞的水平力、軸力、彎矩等荷載，邊墻內(nèi)力計(jì)算中，必須合理地將雨棚柱傳遞的荷載施加到計(jì)算模塊中。

2 U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 路基面寬度調(diào)整方案比選

本工程為新建雙線鐵路，線間距4.6 m，左、右線標(biāo)準(zhǔn)半寬為4.4 m，雙線標(biāo)準(zhǔn)路基面寬度為13.4 m。由于下穿既有高鐵橋梁地段空間條件受限，若按標(biāo)準(zhǔn)路基面寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)，右線路肩距離83號(hào)橋墩最近處約為5.15 m，左線路肩距離84號(hào)橋墩最近處約為4.2 m，再加上路肩外側(cè)邊墻及圍護(hù)結(jié)構(gòu)，施工區(qū)域距離橋墩過(guò)近，勢(shì)必對(duì)高鐵安全運(yùn)營(yíng)造成威脅。因此，路基面寬度應(yīng)在可行的條件下進(jìn)行縮減，為此研究了如下三個(gè)方案。

(1)按路基標(biāo)準(zhǔn)

軌枕外側(cè)預(yù)留0.5 m砟肩，道砟外側(cè)設(shè)置電纜槽和排水側(cè)溝，此方案路基面半寬最小值為3.5 m，此寬度能滿足大機(jī)養(yǎng)路、抽換軌枕等條件。

(2)按隧道標(biāo)準(zhǔn)[8]

①有救援通道方案

隧道相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對(duì)于設(shè)有救援通道的有砟軌道隧道，考慮隧道內(nèi)鋪設(shè)有砟軌道養(yǎng)護(hù)維修的需要，救援通道邊緣(水溝、電纜槽側(cè)壁)距離線路中心線位的距離均按2 200 mm設(shè)計(jì)。加上外側(cè)電纜槽和側(cè)溝的寬度，此方案結(jié)構(gòu)內(nèi)墻距離線路中心的最小距離為3.55 m。

②無(wú)救援通道方案

根據(jù)隧道相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，在不設(shè)置救援通道、不考慮大機(jī)養(yǎng)路、抽換軌枕等養(yǎng)護(hù)維修需要的情況下，結(jié)構(gòu)內(nèi)墻距離線路中心線的距離不得小于2.54 m。

此段新建鐵路為客貨共線、有砟軌道標(biāo)準(zhǔn)，考慮日后養(yǎng)護(hù)維修方便及安全需要，經(jīng)比選最終路基面寬度由標(biāo)準(zhǔn)半寬4.4 m調(diào)整至隧道有救援通道標(biāo)準(zhǔn)方案的3.55 m，并將電纜溝槽上抬作為擋砟墻。路基面總寬由原來(lái)的13.4 m縮減至11.7 m，節(jié)省了1.7 m的空間，在一定程度上降低了U形槽結(jié)構(gòu)施工對(duì)既有高鐵橋梁沉降及運(yùn)營(yíng)的影響。調(diào)整后的路基面半寬示意如圖2所示。

圖2 路基面半寬示意(單位：m)

2.2 邊墻內(nèi)力計(jì)算中雨棚柱荷載的合理施加

U形槽結(jié)構(gòu)常規(guī)計(jì)算中，將邊墻視為一端固定的懸臂板。若采用“理正”懸臂式擋墻模塊進(jìn)行計(jì)算，一般選取縱向1延米作為計(jì)算單元。但本工程中，鋼筋混凝土雨棚柱設(shè)置在邊墻頂，使得邊墻需承受一定的集中荷載作用，需要合理確定U形槽邊墻的有效計(jì)算寬度[9]。

根據(jù)周青爽、姚洪錫[10]等的研究成果，當(dāng)集中荷載間距小于懸臂墻高時(shí)，可按荷載均布進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算；當(dāng)荷載間距大于墻高時(shí)，應(yīng)考慮荷載修正系數(shù)K的影響，邊墻內(nèi)力計(jì)算時(shí)，可將水平集中荷載放大K倍后再除以荷載間距施加到計(jì)算模型中進(jìn)行后續(xù)內(nèi)力計(jì)算。

荷載修正系數(shù)K可按式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算

K=(L/H-1)×0.5+1

(1)

其中：L——荷載間距/m；

H——懸臂邊墻高/m；

本工程雨棚柱間隔為10 m，即荷載間距為10 m，而邊墻較矮(約3.5 m左右)，故L>H，施加水平荷載時(shí)需要考慮荷載修正系數(shù)的影響。根據(jù)每節(jié)U形槽實(shí)際邊墻高，計(jì)算出相應(yīng)的荷載修正系數(shù)在1.90～2.08之間。進(jìn)行各節(jié)U形槽邊墻內(nèi)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)將雨棚柱柱底荷載乘以修正系數(shù)后施加至計(jì)算模型。

2.3 隔離樁的設(shè)置

對(duì)臨近基坑工程既有建筑物的保護(hù)主要有以下方法和措施[11]：原位加固，加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，地基加固，按照時(shí)空效應(yīng)原理控制開(kāi)挖支護(hù)施工以及設(shè)置坑外隔離樁(隔斷法)等。其中，設(shè)置隔離樁作為一種有效的保護(hù)措施，應(yīng)用日漸增多。

隔離樁可以有效地阻隔基坑開(kāi)挖引起的有效應(yīng)力的傳播，當(dāng)土體產(chǎn)生滑移變形時(shí)，隔離樁通過(guò)提高滑移面的抗剪能力以及樁身提供的樁側(cè)阻力限制樁后土體的變形發(fā)展，減小樁后需要保護(hù)的建筑物的沉降(見(jiàn)圖3)[12]。

圖3 隔離樁作用機(jī)理

隔離樁可以選用樹(shù)根樁、鉆孔灌注樁、小直徑鋼管排樁、地下連續(xù)墻、攪拌樁、旋噴樁等。隔離樁必須具有一定的剛度，否則控制樁后土體變形的效果不理想，但其剛度和控制樁后土體變形的能力并非成正比。

本工程下穿地段(約36 m范圍內(nèi))不具備放坡條件，考慮經(jīng)濟(jì)性，于基坑兩側(cè)分別設(shè)置一排旋噴樁進(jìn)行支護(hù)并兼做隔離樁使用，旋噴樁樁徑0.6 m，間距0.4 m，咬合布置，樁長(zhǎng)8 m。

應(yīng)盡早施工隔離樁，形成隔離帷幕，以有效減小前期工程施工對(duì)既有高鐵橋造成的影響，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制噴漿壓力。另外，施工期間應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測(cè)高鐵橋梁橋墩基礎(chǔ)變形情況，確保高鐵運(yùn)營(yíng)安全。

3 數(shù)值模擬

采用FLAC3D軟件建立場(chǎng)地土體的三維數(shù)值模型，以分析基坑開(kāi)挖對(duì)橋梁墩臺(tái)及基礎(chǔ)的影響。

3.1 模型建立

U形槽基坑開(kāi)挖深度為2.41～2.8 m，基坑隔離樁外緣距離橋梁承臺(tái)外緣3.39～7.35 m。

既有高鐵橋梁承臺(tái)厚度為2 m，承臺(tái)埋深3.08～3.17 m，橋梁樁基長(zhǎng)39 m，樁徑為1.0 m。綜合考慮橋梁和樁基的尺寸、基坑施工的空間效應(yīng)及有效影響范圍，模型的三維尺寸選為68 m(沿線路縱向)×59 m(橫斷面方向)×53 m(深度方向)，共劃分為451 476個(gè)單元，182 137個(gè)節(jié)點(diǎn)。實(shí)體采用4節(jié)點(diǎn)四面體單元、5節(jié)點(diǎn)金字塔單元、6節(jié)點(diǎn)三棱柱單元和8節(jié)點(diǎn)六面體單元模擬，本構(gòu)模型采用基于彈塑性理論的Mohr-Coulomb模型(見(jiàn)圖4)。

圖4 三維數(shù)值模型

3.2 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及地質(zhì)資料，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

初始地應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算模型左、右邊界兩個(gè)垂直面僅約束邊界面法向位移，平面內(nèi)無(wú)約束；前、后邊界兩個(gè)垂直面僅約束邊界面法向位移，平面內(nèi)無(wú)約束；模型底部水平面采用固定約束；地表面為自由面。初始地應(yīng)力計(jì)算平衡之后，分4個(gè)施工步對(duì)U形槽進(jìn)行開(kāi)挖模擬。

3.3 模擬結(jié)果分析

(1) 基坑周圍土體變形情況

基坑開(kāi)挖完成后，周圍巖土體的豎向變形和水平變形云圖分別如圖5和圖6所示。土體開(kāi)挖是一個(gè)卸載過(guò)程，使得基坑底部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致覆土壓力減小，基坑底部產(chǎn)生垂直向上的變形。另外，在不平衡力的作用下會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)產(chǎn)生位移，使基坑底部土體受到擠壓，進(jìn)而發(fā)生隆起，底部土體最大隆起值為4.4 mm。在開(kāi)挖過(guò)程中，不平衡土壓力的作用會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，從而導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)土體沉降及水平位移，基坑兩側(cè)土體表現(xiàn)為沉降和向槽內(nèi)臨空方向的收斂變形，最大沉降值為10.1 mm，最大水平變形值為10.3 mm。

圖5 巖土體豎向變形云圖

圖6 巖土體水平變形云圖

(2)橋墩及基礎(chǔ)變形情況

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)對(duì)橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)的工后沉降給出了要求，如表2所示。

表2 無(wú)砟軌道墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值[13]

另外，考慮到高速鐵路軌道高平順性的特點(diǎn)，為便于維修與日常保養(yǎng)，基礎(chǔ)變形值亦應(yīng)滿足高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修的要求?！陡咚勹F路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中規(guī)定了250(不含)～350 km/h線路軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值，即高鐵軌道豎向變形小于4 mm，橫向變形不超過(guò)5 mm。

綜合考慮上述規(guī)范、規(guī)則的相關(guān)要求，確定本工程橋墩基礎(chǔ)變形限值如表3所示。

表3 本工程橋墩基礎(chǔ)工后沉降限值 mm

經(jīng)模擬，基坑開(kāi)挖施工完成后，橋墩基礎(chǔ)的豎向沉降及水平變形分別如圖7和圖8所示。83號(hào)墩基礎(chǔ)最大沉降值為1.9 mm，水平變形為0.4 mm；84號(hào)墩基礎(chǔ)最大沉降值為2.7 mm，水平變形為0.6 mm。兩墩臺(tái)沉降差為0.8 mm。橋墩基礎(chǔ)變形均在允許范圍內(nèi)。

圖7 橋墩及基礎(chǔ)豎向沉降云圖

圖8 橋墩及基礎(chǔ)水平變形云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)在空間條件受限的情況下，可按照隧道有、無(wú)救援通道等方案與路基標(biāo)準(zhǔn)下的路基面寬度進(jìn)行比選和調(diào)整，將其不利影響降到最低。

(2)當(dāng)U形槽邊墻頂設(shè)置雨棚柱基礎(chǔ)時(shí)，內(nèi)力計(jì)算中應(yīng)根據(jù)荷載間距和邊墻高度的大小關(guān)系確定邊墻的有效計(jì)算寬度，將雨棚柱柱底傳遞的內(nèi)力合理施加到計(jì)算模型中。

(3)建立三維數(shù)值模型分析基坑開(kāi)挖施工對(duì)橋墩基礎(chǔ)的變形影響時(shí)，單純以《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)規(guī)定的工后沉降限值作為橋墩基礎(chǔ)的變位控制值，得到的結(jié)果往往偏于安全，應(yīng)結(jié)合維修養(yǎng)護(hù)等規(guī)則綜合確定。

該工程主體部分U形槽結(jié)構(gòu)已運(yùn)營(yíng)2年， 經(jīng)歷了汛期，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫、結(jié)構(gòu)整體沉降和不均勻沉降，結(jié)構(gòu)自身防水 、伸縮縫處防水構(gòu)造及排水設(shè)施均處于良好狀態(tài)。本工程對(duì)類似臨近既有高鐵地段的工程具有借鑒意義。