孟繁增

(中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142)

隨著基礎設施建設的發(fā)展，越來越多的新建道路下穿既有高速鐵路。由于高速鐵路平順性要求極為嚴格，需對下穿道路對既有高速鐵路的影響進行研究。文獻[1]采用有限差分法，對新建匝道橋工程下穿既有哈大客運專線工程對高速鐵路基礎變位的影響進行了分析計算；文獻[2]針對新建道路下穿既有高速鐵路，從設計角度研究了U型槽和橋梁方案需注意的問題，并給出了案例；文獻[3]采用有限單元法對樁板結構方案和新建路基方案下穿京滬高速鐵路進行了分析；文獻[4]針對某軟土地區(qū)下穿運營高速鐵路通道工程，提出了一整套安全評估、防護技術、監(jiān)測技術和施工方法；文獻[5-6]采用ABAQUS軟件對某封閉式路塹下穿高速鐵路進行了施工全過程仿真分析，研究了鄰近高速鐵路不同距離，不同挖深及不同封閉式路塹階段的基坑施工對既有高速鐵路的影響；文獻[7]針對某鋼架結構下穿京滬高速鐵路工程，采用ABAQUS軟件對既有群樁基礎的負摩阻力、樁身軸力和差異沉降和上部結構的位移進行了研究。目前的研究多側重于新建公路橋梁或U型槽下穿既有高速鐵路的方案設計比選或三維數(shù)值分析，尚未見敞開式路塹形式下穿既有高速鐵路工程的數(shù)值分析和實測數(shù)據(jù)介紹。本文以某敞開式路塹下穿既有高速鐵路工程為研究背景，分別采用改進的分層總和法和彈塑性三維有限元仿真方法對新建路塹對既有高速鐵路樁基礎的變形影響進行了分析，并與實測數(shù)據(jù)進行對比，可為類似工程提供借鑒。

1 工程背景

某新建公路采用分幅下穿既有運營高速鐵路，交叉角度為56°。道路標準為城市主干路，設計速度主路為60 km/h，輔路為30 km/h。受鄰近的普速鐵路既有框構橋凈高限制，縱斷面不能抬高，需采用路塹形式穿越。既有運營高速鐵路設計時已預留穿越通道，承臺進行了下埋，并且樁基礎設計考慮了公路荷載對樁基礎承載力的影響。原計劃公路與高速鐵路同期施工，但由于公路施工滯后高速鐵路施工數(shù)年，公路施工時地貌發(fā)生了變化，需要重新開挖施工路塹，且施工時既有高速鐵路已開通運營，需對施工影響進行重新分析。

既有高速鐵路為雙線無砟軌道，設計速度為350 km/h，結構形式為40 m預應力混凝土簡支箱梁，橋墩為圓端形橋墩，墩高10.5 m，基礎為樁基礎，承臺尺寸為11 m×8 m×2 m，樁長26 m，樁徑1 m。

新建道路橫斷面及平面,如圖1、圖 2所示。下穿段道路紅線70 m，采用四幅路形式，中間分隔帶寬約在1.2～7.8 m，兩側機動車道各寬11.5 m，兩側分隔帶各寬2～2.2 m，兩側輔路各寬6 m，兩側人行道各寬4.5 m。路塹兩側采用放坡開挖后鋪設水泥混凝土網(wǎng)格護坡，道路最大挖深3～5 m，路面結構坡比1∶1.5。道路占壓部分既有高速鐵路62號墩承臺3.5 m、2.88 m，設置了部分樁板結構 (板厚0.6 m)，以隔離汽車荷載的影響，板側設置SS級防撞護欄。

圖1 公路路塹下穿高速鐵路橫斷面示意圖(cm)

圖2 公路路塹下穿高速鐵路平面布置示意圖

兩側輔路下方及部分主路下方敷設雨水管，雨水管管徑為0.6～1 m。雨水管基坑采用放坡開挖，粉細砂層采用1∶2放坡率，其他土層采用1∶1。破面噴射80 mm厚C20素混凝土，內掛φ8@150×150鋼筋網(wǎng)，打設3 m長砂漿錨桿。施工過程中控制開挖長度，及時回填。

道路施工順序為：施工場地為管線防護、改移；開挖基坑至輔路標高；施做輔路雨水管道工程；開挖基坑至主路標高；施工樁板結構；施工主路雨水管道；擋墻施工，道路鋪裝。

建設場地地面平緩，地層從上之下依次為：雜填土(80 kPa)、細砂(270 kPa)、細圓礫土(中密400 kPa)、粗圓礫土(中密550 kPa)、細圓礫土(密實500 kPa)、粗圓礫土(密實，650 kPa)和泥巖(強風化，250 kPa)。

由于高速鐵路對軌道平順性的要求極高，為保證高速鐵路運營安全，需對新建公路對既有高速鐵路橋墩豎向變形的影響進行分析，并在施工過程中開展監(jiān)測工作。需要說明的是，《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規(guī)程》[8]針對公路或市政工程提出：(1)采用路塹形式下穿時，應進行專項論證。(2)不限速條件下，墩臺頂位移限值橫向、豎向、縱向均應小于2 mm，當不滿足時，可進行專項論證，但軌面平順性應滿足《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》和《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中對于靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值的有關規(guī)定。由于在設計及計算評估過程中，該規(guī)范尚未頒布，對既有高速鐵路運營安全的影響評估主要依據(jù)《高速鐵路設計規(guī)范》及《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》進行。

2 基于改進的分層總和法的既有高速鐵路橋墩豎向變形分析

目前TB 10093-2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》中第3.2.4條規(guī)定，摩擦樁基礎的總沉降量計算可將樁基視作實體基礎，按照規(guī)范中給出的分層總和法進行計算，但規(guī)范中只有樁基礎受樁頂荷載時的沉降計算方法，未給出摩擦樁基礎受鄰近地面荷載變化時的沉降計算方法；GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》第5.3.9條規(guī)定，當存在相鄰荷載時，應計算相鄰荷載引起的地基變形，其值可按應力疊加原理，采用角點法計算，但規(guī)范所給出的為查表法，不利于計算機計算。本文將路塹開挖視作卸載過程，利用計算機程序計算道路開挖對鄰近樁基礎的豎向變形影響。計算步驟如下：

(1)根據(jù)mindlin解析公式結合應力疊加原理計算開挖卸載引起樁身位置處土體沿深度方向的附加應力變化。

(2)采用冪指數(shù)形式的土體模量(考慮回彈模量)計算公式，計算分層模量。

(3)根據(jù)附加應力和模量計算分層應變，并進一步計算分層壓縮量。

(4)分層求和得到樁基礎的隆起回彈變形。

其中假定樁基礎的中性點位于樁身的2/3處，壓縮層的厚度按照變形比0.025確定[9-10]。詳細的計算流程和計算公式詳見文獻[11]，此處不再贅述。計算所采用的土體參數(shù)，如表 1所示。

表1 土體參數(shù)表

圖3 施工過程中地層附加應力曲線圖

圖4 施工過程中橋墩隆起值斷面曲線圖

58～62號橋墩位置處樁身位置處土體應力隨深度的變化曲線(未考慮樁土相互作用)，如圖3所示。其中正號表示拉應力(因土體實際不能承擔拉應力，該值表示由于卸載回彈導致的地應力在歷史應力下的減小值)。由圖3可以看出，隨著與路塹中心距離的增加，附加應力的變化逐漸減小，同時，附加應力變化值隨深度的變化規(guī)律并不相同。 62號橋墩位于路塹中心，附加應力在地表處最大，隨著深度增加而逐漸減小，58～61號橋墩附加應力隨深度變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最終趨于收斂。

采用改進的分層總和法計算路塹開挖引起既有高速鐵路樁基礎隆起值，如圖4所示。由圖4可以看出，隨著與路塹中心距離的增加，樁基礎隆起值逐漸減小并逐步收斂。位于路塹中心的62號橋墩隆起最大值為4.88 mm，在距離路塹中心114.8 m處的58號和66號橋墩，隆起值約為0.1 mm，可認為基本沒有影響。

3 基于彈塑性三維有限元理論的墩頂豎向變形仿真分析

采用連續(xù)介質模型將土和結構共同建模進行三維彈塑性有限元分析，考慮土體的非線性和土體與結構的耦合作用，直接得出由于基坑開挖引起鄰近高速鐵路樁基礎的位移變形，是目前處理較為復雜的巖土問題的通用手段之一。

基坑開挖是一個土與結構共同作用的復雜過程，對土介質本構關系的模擬是采用土與結構共同作用方法的關鍵，從理論上講，基坑開挖中的土體本構模型應能同時反映土體在小應變時的非線性行為和土的塑性性質[12]。根據(jù)擬分析問題的特點，選擇修正摩爾庫倫模型作為土體的本構模型，參數(shù)如表1所示。橋墩及承臺采用實體單元模型，樁基單元采用梁單元模擬。

截取新建路塹下穿段共計200 m(與高速鐵路交叉點前后各100 m)進行分析，既有高速鐵路的分析范圍選為新建公路邊線外側各3個橋墩(共9個橋墩)。模型的側向邊界條件采用垂直于邊界平面的約束(零應力邊界)，底部邊界條件采用三向全約束[13]。為減小邊界條件模擬與實際情況不符帶來的誤差，模型的平面范圍不宜過小，本文取為樁基外側3倍樁長范圍，模型的深度取為樁尖以下35 m，模型總尺寸為510 m×320 m×70 m，網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，共劃分為 26 728個節(jié)點，106 361個單元。有限元整體網(wǎng)格模型如圖5所示，樁基、承臺及橋墩網(wǎng)格模型，如圖6所示。

圖5 有限元整體網(wǎng)格模型

圖6 樁基、承臺及橋墩網(wǎng)格模型

由于土體位移尚位于小應變范圍，可認為樁、土間不產生相對滑移，因此樁、土采用共節(jié)點的形式模擬二者的相互作用。采用生死單元的方式來模擬土體的開挖過程。

分析了路塹開挖施工過程中最大開挖階段引起既有橋墩頂?shù)呢Q向變形，如表2所示。表中豎向變形正值表示隆起變形，負值表示沉降變形。

表2 墩頂變形仿真分析結果表

由表2可知，施工過程中的最不利階段情況下，豎向變形的最大值發(fā)生在62號橋墩，為隆起變形，最大隆起值為4.90 mm。

經計算，施工過程中相鄰墩最大差異沉降量為2.9 mm，最大橫向變形為1.33 mm，平順性檢算滿足《高速鐵路無砟軌道維修規(guī)則(試行)》中軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值的要求。由于該值為施工影響附加值，建議在施工前對初始軌道平順性進行檢測并調整。另外，墩頂附加變形值疊加上原高速鐵路在設計工況下(恒載、活載等)的墩頂變形值后，相鄰墩最大差異沉降量為3.01 mm，最大橫向變形為3.48 mm，小于《高速鐵路設計規(guī)范》中規(guī)定的差異沉降量不大于5 mm、橫向折角不大于1‰的要求。由于既有高速鐵路橋墩為隆起，因此對既有樁基不會出現(xiàn)附加的負摩阻力，且路塹開挖底面位于承臺頂面以上，路塹開挖對樁側土無擾動，樁側摩阻力無損失，因此樁基承載力不受影響。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及對比

工程實施過程中，針對既有高速鐵路橋墩的隆起變形進行監(jiān)測，采用了基于振弦式靜力水準儀的自動化監(jiān)測系統(tǒng)[14]和基于電子水準儀的人工監(jiān)測兩種手段進行測量并相互校核。共在橋梁的上下行側對稱布置2條測線，布置2個基點，18個測點，監(jiān)測范圍共計230 m。監(jiān)測點的布置，如圖7、圖8所示。自動化監(jiān)測測點安裝于箱梁內部的兩側腹板上，系統(tǒng)監(jiān)測頻次為1次/10 min，測量精度為0.05 mm；人工監(jiān)測點布置于墩身兩側，監(jiān)測頻次為2次/d，測量精度執(zhí)行 TB 10621-2009《高速鐵路工程測量規(guī)范》[15]中第8.1.7條規(guī)定的二等標準，高程中誤差不大于 0.5 mm，相鄰點高差中誤差不大于0.3 mm。

圖7 測點平面布置示意圖(m)

圖8 測點立面布置示意圖

(1)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析

開挖過程中位于路塹中心的62號橋墩的自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的時程對比曲線，如圖9所示。開挖過程中，62號橋墩持續(xù)隆起，自動化監(jiān)測最大隆起值為3.991 mm，人工監(jiān)測最大隆起值為3.42 mm，自動化測量與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢一致，吻合良好。

圖9 施工過程中自動化測量數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)的時程曲線對比圖

(2)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)時程曲線分析

施工過程期間58～67號橋墩的隆起過程時程曲線，如圖10所示，該曲線顯示，在0～60 d路塹開挖期間，既有高速鐵路61號、62號、63號橋墩發(fā)生明顯隆起現(xiàn)象，其中61號橋墩最大值達到1.433 mm，62號橋墩隆起最大值為3.991 mm，63號橋墩隆起最大值為2.046 mm。開挖完成后，隨著橋下樁板結構的施工及路面層的施工，橋墩隆起值呈現(xiàn)下降趨勢。除上述點外，路塹外側其余橋墩影響較小，在-0.812～0.903 mm間波動，也表現(xiàn)出了隆起值先增大后減小的趨勢，部分測點最終出現(xiàn)略微沉降的狀態(tài)。

圖10 施工過程中橋墩沉降變形時程曲線圖

(3)監(jiān)測值與計算值對比分析

針對監(jiān)測值與計算值進行對比，如表3所示。以位于路塹中心的62號橋墩為例，采用基于改進的分層總和法計算隆起值為4.88 mm，采用有限單元法仿真結果為隆起4.90 mm，實際監(jiān)測值為隆起3.99 mm，結果對比吻合良好，驗證了改進的分層總和法在計算公路路塹下穿高速鐵路隆起值影響的適用性。實際監(jiān)測相鄰墩最大差異沉降值為2.64 mm，最大橫向變形值為1.13 mm；疊加上既有設計值后，最大差異沉降值為2.75 mm，最大橫向變形值為3.28 mm。均滿足《高速鐵路設計規(guī)范》和《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)的要求。

表3 監(jiān)測值與計算值的對比表

5 結論

文章以某新建公路路塹下穿既有高速鐵路橋梁工程為背景，分別采用了改進的分層總和法和彈塑性三維有限元仿真分析方法等多種分析手段研究既有高速鐵路橋墩隆起變形的影響；進一步在施工過程中，采用自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測2種方式對既有高速鐵路隆起變形開展測量工作，獲得了亞毫米級精度的可信數(shù)據(jù)，保證高速鐵路的運營安全。通過分析、監(jiān)測及對比，得出結論如下：

(1)經計算和監(jiān)測，該新建公路路塹開挖對既有高速鐵路橋梁的影響滿足《高速鐵路設計規(guī)范》及《高速鐵路無砟軌道維修規(guī)則(試行)》的要求。

(2)計算值和監(jiān)測值均顯示，新建公路路塹開挖將引起既有高速鐵路橋墩發(fā)生隆起變形，隆起變形值隨著開挖方量的增加而增加，隨開挖距離的增加而減小。

(3)改進的分層總和法計算值、三維有限單元法仿真計算值及實際監(jiān)測值吻合良好，驗證了改進的分層總和法應用于路塹開挖對既有高速鐵路影響分析的適用性，為后續(xù)類似項目提供借鑒。