李 剛，王 珣，劉 勇，伏 坤

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

近年來(lái)，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速鐵路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，為減少國(guó)家建設(shè)用地及工程投資，同時(shí)降低對(duì)既有交通及周圍環(huán)境的影響，新建鐵路與既有鐵路和高速公路的交叉、并行相互影響也越來(lái)越嚴(yán)重[1]。并行鐵路的建設(shè)施工對(duì)既有鐵路基礎(chǔ)產(chǎn)生不同程度的影響，引起基礎(chǔ)在水平和豎向位移。由于高速鐵路軌道平順性對(duì)變形控制的要求極為嚴(yán)格[2]，此類并行高速鐵路的設(shè)計(jì)、施工過(guò)程較為復(fù)雜，要考慮諸多影響因素。當(dāng)新建鐵路橋梁承臺(tái)基礎(chǔ)與既有并行鐵路橋梁基礎(chǔ)相鄰時(shí)，在設(shè)計(jì)與施工階段要充分考慮基礎(chǔ)開(kāi)挖對(duì)已有橋梁基礎(chǔ)的影響，將其控制在一定范圍內(nèi)，保障既有鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

本文以衡茶吉鐵路正線與武廣高速鐵路并行段為例，通過(guò)數(shù)值模擬，分析衡茶吉鐵路竹山屋中橋橋梁樁基礎(chǔ)開(kāi)挖、灌注施工對(duì)周圍土體及鄰近既有武廣高速鐵路竹山屋特大橋的影響。

圖1 新建鐵路橋梁與既有高速鐵路橋梁位置關(guān)系(單位：m)

1 工程概況

衡茶吉鐵路正線引入衡陽(yáng)東站，衡茶吉鐵路正線DK211+000—DK212+100與武廣高速鐵路K1762+000—K1763+100并行，并行段長(zhǎng) 1 100 m，如圖1所示。兩線間距從32 m漸變至16 m,DK211+574.15—DK211+658.25段路堤右側(cè)邊坡侵入武廣高速鐵路竹山屋特大橋紅線范圍內(nèi)，引起竹山屋特大橋71#—73#墩臺(tái)基礎(chǔ)單樁軸力超限，不滿足高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)及行車安全要求，將該段路基變更為橋梁。研究區(qū)地下水為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，水位基本在16.5 m左右。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 模擬方法

FLAC 3D基于流體動(dòng)力學(xué)原理，研究物質(zhì)中每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)軌跡、壓力、速度等。拉格朗日算法將模型劃分為若干個(gè)單元。計(jì)算過(guò)程中每個(gè)單元網(wǎng)格隨材料的變形而變形。通過(guò)計(jì)算可準(zhǔn)確地模擬材料的屈服強(qiáng)度、塑性流動(dòng)和軟化，最終獲得收斂時(shí)的最大變形，尤其在材料的彈性變形分析、塑性變形分析、施工過(guò)程模擬等領(lǐng)域有其優(yōu)點(diǎn)。

依據(jù)FLAC 3D的計(jì)算方法和思路，采用不斷迭代計(jì)算，獲得每時(shí)步橋梁樁基礎(chǔ)開(kāi)挖、灌注過(guò)程中周圍土體和既有橋梁結(jié)構(gòu)各單元的應(yīng)力和應(yīng)變，進(jìn)而模擬整個(gè)施工過(guò)程中基礎(chǔ)變形。

2.2 模型的建立及參數(shù)的選取

圖2 三維數(shù)值模型

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況建立計(jì)算模型，對(duì)具有相似力學(xué)性質(zhì)的土層進(jìn)行歸類合并，以提高計(jì)算效率。模型第1層是厚8 m粉砂，第2層是厚4 m的粉質(zhì)黏土，第3層是厚6 m的細(xì)圓礫土，第4層是厚3 m的強(qiáng)風(fēng)化鹽巖，第5層是基巖。將土體視為理想彈塑性體，初始應(yīng)力場(chǎng)為重力場(chǎng)。各巖(土)層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各巖(土)層物理力學(xué)參數(shù)

竹山屋中橋墩臺(tái)采用分層開(kāi)挖的方式，開(kāi)挖到位后使用預(yù)制鋼筋混凝土套箱進(jìn)行防護(hù)。樁基礎(chǔ)采用旋挖的施工方式，鉆孔直徑為1 m，旋挖完成后進(jìn)行樁基礎(chǔ)灌注。

考慮到每根樁開(kāi)挖引起的變形量太小，因此將每個(gè)承臺(tái)下所有樁做同時(shí)開(kāi)挖處理。計(jì)算流程見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)算流程

2.3 模擬結(jié)果與分析

2.3.1 橋梁樁基礎(chǔ)施工對(duì)地表土體變形的影響

在各個(gè)新建橋梁樁基礎(chǔ)與既有線間布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別距新建橋梁樁基礎(chǔ)2，4，8 m，在新建橋梁樁基礎(chǔ)開(kāi)挖、灌筑過(guò)程中監(jiān)測(cè)地表土體應(yīng)變和應(yīng)力的變化。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移見(jiàn)圖5?？芍簶蛄簶痘A(chǔ)施工過(guò)程中地表土體的水平位移和豎向位移不斷增加，隨著計(jì)算時(shí)步的增加各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形逐漸收斂，并趨于穩(wěn)定。新建橋梁樁基礎(chǔ)開(kāi)挖引起的地表土體變形主要以卸荷引起的水平位移為主，其值在4～15 mm。隨著距橋梁樁基礎(chǔ)距離的增大，水平位移逐漸減小。新建橋梁樁基礎(chǔ)地表土體的豎向位移較水平位移小，其值在-2～-7 mm。隨著距橋梁樁基礎(chǔ)距離的增大，豎向位移逐漸減小。

圖5 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析得出：監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移與距新建橋梁樁基礎(chǔ)的距離為冪指數(shù)關(guān)系，上限擬合公式為y=3.862 5x-1.404，下限擬合公式為y=1.797 3x-0.632，相關(guān)系數(shù)大于0.98。豎向位移與距新建橋梁樁基礎(chǔ)的距離亦為冪指數(shù)關(guān)系，上限擬合公式為y=0.991 7x-0.404，下限擬合公式為y=0.495 3x-0.792，相關(guān)系數(shù)大于0.97。

2.3.2 橋梁樁基礎(chǔ)施工對(duì)周圍土體變形的影響范圍

大多數(shù)情況下，認(rèn)為新建橋梁樁基礎(chǔ)開(kāi)挖引起地表沉降的主要影響范圍為2倍橋梁樁基礎(chǔ)開(kāi)挖深度[3-4]。對(duì)于鄰近既有橋梁基礎(chǔ)的新建橋梁樁基礎(chǔ)開(kāi)挖，水平變形往往是引起既有橋梁結(jié)構(gòu)損壞的主要原因，且塑性變形較大。為此，對(duì)新建橋梁樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中塑性變形的影響范圍進(jìn)行研究。

由各施工步新建橋梁樁基礎(chǔ)周邊塑性區(qū)分布可知：每個(gè)施工步后塑性區(qū)范圍均有所擴(kuò)大，但是擴(kuò)大的范圍較小，表明新建橋梁樁基礎(chǔ)開(kāi)挖、灌筑對(duì)周圍土體影響較小。

圖6 施工完成后樁基礎(chǔ)不同部位剪切應(yīng)變?cè)隽糠植计角袌D

施工完成后樁基礎(chǔ)不同部位的剪切應(yīng)變?cè)隽糠植计角袌D見(jiàn)圖6?？梢钥闯觯盒陆蛄簶痘A(chǔ)開(kāi)挖得越深對(duì)周圍土體影響越小，開(kāi)挖得越淺對(duì)周圍土體影響越大。在樁基礎(chǔ)上部影響范圍約為樁徑的3～5倍，在樁基礎(chǔ)中下部影響范圍約為樁徑的1～2倍。

2.3.3 施工對(duì)既有橋梁橋面及承臺(tái)位移的影響

列車在行駛中對(duì)高速鐵路軌道的平順度要求非常嚴(yán)格。當(dāng)新建橋梁樁基礎(chǔ)與既有高速鐵路橋梁鄰近時(shí)，要充分考慮開(kāi)挖新建橋梁樁基礎(chǔ)對(duì)既有鄰近高速鐵路的擾動(dòng)以及由此引起的既有橋梁橋面和承臺(tái)的變形。

施工引起的既有橋梁橋面位移見(jiàn)圖7。可見(jiàn)：橋面的位移以沿著開(kāi)挖方向的水平位移為主，最大水平位移約0.90 mm，最大豎向位移約0.34 mm。根據(jù)TG/GW 115—2012《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則》中第6.1.3條[5]對(duì)既有橋梁橋面的靜態(tài)幾何尺寸偏差進(jìn)行計(jì)算。其水平幾何偏差最大僅為 0.008 9 mm，豎向幾何偏差僅為 0.003 4 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值2 mm。

圖7 施工引起的既有橋梁橋面位移(單位：m)

圖8 施工引起的既有橋梁承臺(tái)位移

施工引起的既有橋梁70#—73#墩承臺(tái)位移見(jiàn)圖8?？梢?jiàn)：70#墩承臺(tái)位移較小，主要是開(kāi)挖位置與70#墩承臺(tái)位置較遠(yuǎn)。71#墩承臺(tái)位移最大，但相對(duì)來(lái)說(shuō)數(shù)值較小，水平位移0.03～0.35 mm，豎向位移0.10～0.90 mm。新建橋梁樁基礎(chǔ)施工對(duì)既有橋梁墩承臺(tái)影響較小。

2.3.4 施工對(duì)既有橋梁樁基礎(chǔ)沉降的影響

新建橋梁樁基礎(chǔ)施工引起的既有橋梁樁基礎(chǔ)沉降見(jiàn)圖9?？梢钥闯觯杭扔袠蛄簶痘A(chǔ)沉降較小。沉降最大的71#樁基礎(chǔ)也僅有0.28 mm。

圖9 施工引起的既有橋梁樁基礎(chǔ)沉降

3 結(jié)論

1)新建橋梁樁基礎(chǔ)開(kāi)挖引起的地表土體變形主要以水平位移為主，其值在4～15 mm，豎向位移在-2～-7 mm。隨著距新建橋梁樁基礎(chǔ)距離的增大，地表土體的水平位移和豎向位移均逐漸減小，水平位移、豎向位移與距新建橋梁樁基礎(chǔ)的距離均為冪指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.97。

2)新建橋梁樁基礎(chǔ)開(kāi)挖的深度與周圍土體的變形成反比關(guān)系。在樁基礎(chǔ)上部影響范圍約為樁徑的3～5倍，在樁基礎(chǔ)中下部影響范圍約為樁徑的1～2倍。

3)新建鐵路橋梁樁基礎(chǔ)開(kāi)挖完成后，既有高速鐵路橋梁橋面的最大位移僅為0.90 mm，承臺(tái)最大位移僅為0.90 mm，既有鐵路橋梁樁基礎(chǔ)最大沉降為0.28 mm，既有鐵路橋梁橋面水平和豎向幾何偏差遠(yuǎn)小于規(guī)范限值。

4)鑒于既有高速鐵路橋梁的水平位移和豎向位移較小，雖新建橋梁樁基礎(chǔ)開(kāi)挖距離既有橋梁較近，但對(duì)既有高速鐵路橋梁的橋面、承臺(tái)及樁基礎(chǔ)影響均較小，對(duì)列車運(yùn)營(yíng)安全不會(huì)造成影響。