蔣小銳,黃 杰,李 楠

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步完善，在我國(guó)高速鐵路規(guī)模也逐年增長(zhǎng)的情況下，越來越多新建地下工程下穿既有高鐵橋梁的近接工程出現(xiàn)，鄰近施工對(duì)既有高鐵橋梁影響較大。特別是明挖基坑工程臨近既有高鐵橋梁，可能導(dǎo)致其橋梁基礎(chǔ)沉降、變形，從而引起軌道產(chǎn)生位移，影響既有高鐵線路的安全運(yùn)營(yíng)，尤其高鐵對(duì)位移和沉降的影響要求高。如中山市某市政工程基坑臨近廣珠城際鐵路橋梁施工，造成相關(guān)段落內(nèi)城際鐵路軌道發(fā)生橫向偏移，致使該段線路限速運(yùn)營(yíng)。一般認(rèn)為，基坑工程施工引起臨近橋梁樁基或承臺(tái)的位移、沉降是由基坑土方開挖造成坑外土體位移和坑外水位降低導(dǎo)致土體固結(jié)造成的，因此必須采取可靠的基坑支護(hù)及橋樁保護(hù)措施，嚴(yán)格控制基坑施工對(duì)高鐵橋梁位移和沉降的影響，必要時(shí)還應(yīng)研究對(duì)既有高鐵相關(guān)區(qū)段采取限速運(yùn)營(yíng)，以確保既有高鐵運(yùn)營(yíng)的絕對(duì)安全[1-8]。

以珠三角城際鐵路新塘經(jīng)白云機(jī)場(chǎng)至廣州北工程明挖區(qū)間隧道下穿武廣高鐵花都大橋?yàn)橐劳?，分析相關(guān)保護(hù)措施下基坑施工對(duì)既有高鐵橋梁的影響，并據(jù)此對(duì)該工程既有高鐵運(yùn)營(yíng)限速標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，為本工程的建設(shè)提供指導(dǎo)，對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

珠三角城際鐵路新塘經(jīng)白云機(jī)場(chǎng)至廣州北工程廣州北站—天貴路站明挖區(qū)間隧道下穿武廣高鐵花都特大橋，平面線位垂直交叉，如圖1所示。下穿段明挖區(qū)間隧道長(zhǎng)度45 m(DK50+960～DK51+260)，由武廣高鐵205號(hào)、206號(hào)橋墩間通過，橋墩間距離32.7 m，橋下地面以上凈空高度約17.5 m。明挖隧道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線，與205號(hào)橋墩承臺(tái)邊緣最小距離4.85 m、與206號(hào)橋墩承臺(tái)邊緣3.33 m。

圖1 隧道與武廣高鐵橋梁位置關(guān)系平面(單位：m)

1.1 下穿段城際鐵路隧道概況

下穿武廣高鐵花都特大橋段城際鐵路區(qū)間隧道為單洞雙線(設(shè)中隔墻)矩形斷面，左、右線線間距6.9 m，受前后交叉河渠及重力流管線高程限制，該段隧道結(jié)構(gòu)頂埋深約6.5 m，采用明挖順筑法施工，分段、分層開挖，基坑開挖寬度14.3 m、深度約16 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)形式，如圖2所示。

圖2 隧道與武廣高鐵橋梁位置關(guān)系立面(單位：高程m，其余cm)

根據(jù)鉆孔揭露，下穿區(qū)段范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)、第四系沖洪積層(Q4al+pl)，第四系殘積層(Qel)，石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳組(C1ym)泥質(zhì)粉砂巖。隧道基坑開挖深度范圍內(nèi)主要地層為：①1素填土、②12粉質(zhì)黏土、②61粗砂、⑧2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，基坑底以下一定深度為⑧3弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。地下水發(fā)育，水位埋深約2.5m。

1.2 既有武廣高鐵花都特大橋概況

根據(jù)竣工資料，既有武廣高鐵花都特大橋采用(32+48+32) m連續(xù)梁跨越平步大道，其中城際鐵路隧道下穿位置為32 m連續(xù)梁邊跨，橋上采用CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道。205號(hào)橋墩樁基為9根φ1.25 m鉆孔樁，樁長(zhǎng)19 m，嵌入弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，頂承臺(tái)尺寸11.1 m(長(zhǎng))×7.4 m(寬)×2.5 m(高)，橋墩斷面尺寸3.9 m×7.8 m，墩身高18 m；206號(hào)橋墩樁基采用11根φ1.25 m鉆孔樁，樁長(zhǎng)26.5 m，嵌入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，樁基頂承臺(tái)尺寸12.2 m(長(zhǎng))×8.9 m(寬)×3.0 m(高)，橋墩斷面尺寸3.9 m×7.8 m，墩身高18 m。

2 工程風(fēng)險(xiǎn)及相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 工程風(fēng)險(xiǎn)

(1)下穿段地層存在一定厚度富水砂層，在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中易產(chǎn)生塌孔及地層位移、基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)漏水。

(2)明挖基坑緊臨高鐵橋樁，且其開挖深度達(dá)16 m，基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)沉降及影響范圍較大。

(3)武廣高鐵設(shè)計(jì)速度350 km/h，現(xiàn)狀運(yùn)行速度保持在300 km/h，在列車高速運(yùn)行情況下，橋梁結(jié)構(gòu)沉降、變形引起的軌道偏差，都將直接反應(yīng)到列車上，影響列車運(yùn)行的安全性及舒適性。

2.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

(1)橋梁結(jié)構(gòu)控制標(biāo)準(zhǔn)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，針對(duì)隧道臨近高鐵橋梁工程，規(guī)范暫無(wú)明確統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)類似工程，橋梁的控制標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目主要包括：橋墩沉降、相鄰橋墩差異沉降、墩臺(tái)水平位移。結(jié)合武廣高鐵管理部門意見以及《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]，參照區(qū)域內(nèi)珠三角穗莞深城際鐵路太平隧道下穿廣深港高鐵虎門站特大橋工程案例，本工程橋梁控制標(biāo)準(zhǔn)為：橋墩均勻沉降小于7 mm，相鄰墩臺(tái)的沉降差小于5 mm，墩臺(tái)頂面的順橋向和橫橋向水平位移均不大于5 mm，施工期間按上述標(biāo)準(zhǔn)的80%作為警戒值。

(2)軌道幾何尺寸控制標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)現(xiàn)行《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》[10]關(guān)于高速鐵路250～350km/h線路靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值及線路軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值的各項(xiàng)要求。

(3)列車運(yùn)行安全性及舒適性標(biāo)準(zhǔn)

列車運(yùn)行安全性主要涉及列車是否會(huì)出現(xiàn)脫軌和傾覆問題，目前我國(guó)車輛部門主要采用脫軌系數(shù)和輪重減載率兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于脫軌系數(shù)，依據(jù)《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》、《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，脫軌系數(shù)<0.8；對(duì)于輪重減載率，一般考慮動(dòng)態(tài)輪重減載率，參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)及我國(guó)脫軌試驗(yàn)成果，按≤0.8考慮。

列車高速運(yùn)行狀態(tài)下，必須對(duì)輪軌間的動(dòng)力作用加以限制?！陡咚賱?dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》要求對(duì)于最高運(yùn)營(yíng)速度200 km/h以上的電動(dòng)車組，輪軌垂向力最大限值為170 kN；輪軌橫向力一般也取0.4倍軸重(動(dòng)車組最大軸重按170 kN考慮)作為輪軌橫向力的限值。

評(píng)價(jià)列車乘坐舒適性最直接的指標(biāo)就是車體振動(dòng)加速度，參考規(guī)范[10]關(guān)于線路軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理舒適度限值要求，垂向振動(dòng)加速度0.15g，橫向振動(dòng)加速度0.09g。

3 下穿段區(qū)間隧道設(shè)計(jì)及工程措施

基于對(duì)下穿段地層分布情況、區(qū)間隧道明挖基坑規(guī)模、基坑與橋墩承臺(tái)距離及既有高鐵橋梁結(jié)構(gòu)情況等因素分析，區(qū)間隧道下穿過程中需考慮地下水、富水砂層、地層沉降、地層變形對(duì)基坑施工安全以及既有高鐵橋梁結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營(yíng)安全的影響。除加強(qiáng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形外，仍需從地層加固、隔離樁防護(hù)及有效的地下水控制等方面著手，減小基坑開挖對(duì)橋梁基礎(chǔ)及承臺(tái)的影響。

3.1 加強(qiáng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為有效控制施工過程中，因基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的對(duì)橋墩的影響，針對(duì)該段下穿范圍基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，以增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度[11]，控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

(1)結(jié)合既有高鐵橋下作業(yè)條件，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用整體性及止水效果較好的地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻厚度較一般段落加厚至1 m，嵌入基坑底以下6.0 m，減小分幅長(zhǎng)度按4 m控制。墻幅間采用工字鋼接頭，以隔斷基坑內(nèi)外地下水聯(lián)系，同時(shí)基坑開挖前，在地連墻接縫處外側(cè)進(jìn)行補(bǔ)注漿，基坑開挖過程中在地連墻接縫內(nèi)側(cè)補(bǔ)貼鋼板，以保證地連墻接縫止水效果。

(2)基坑豎向共設(shè)置4道內(nèi)支撐及1道倒換撐(圖2)。第1～第3道采用鋼筋混凝土支撐(0.8 m×0.8 m)，縱向間距6 m；第四道支撐及倒換撐采用鋼管撐φ609 mm(t=16 mm)，縱向間距3 m。支撐應(yīng)及時(shí)施作及架設(shè)，并對(duì)鋼支撐及時(shí)施加預(yù)應(yīng)力。同時(shí)，該段基坑嚴(yán)禁爆破開挖，采用人工或機(jī)械開挖。

基坑內(nèi)沿基坑縱向15 m布置φ700 mm降水井，降水深度為基坑底以下1 m，基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)回筑期間進(jìn)行基坑內(nèi)降水。

3.2 橋樁周邊地層注漿加固

對(duì)既有高鐵橋梁205號(hào)、206號(hào)橋墩樁周邊地層及橋樁與基坑之間地層進(jìn)行注漿加固，提高地層物理力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)對(duì)基坑外地層起到一定的堵水作用。加固平面范圍如圖3所示：沿基坑縱向?yàn)榧扔懈哞F橋梁承臺(tái)前后各約10 m，沿基坑橫向?yàn)榧扔懈哞F橋梁承臺(tái)外5 m至基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線；加固豎向范圍如圖2所示：地面至W2中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層頂面或地連墻底(取兩者高程較高者)。

圖3 武廣高鐵橋墩防護(hù)措施平面示意(單位：cm)

注漿材料為水泥-水玻璃液漿，根據(jù)橋樁影響區(qū)外的相似地層段落注漿試驗(yàn)，采取低壓緩慢注漿方式，隔孔交替注漿、分段跳做，橋樁承臺(tái)輪廓外3m范圍內(nèi)注漿作業(yè)施工在武廣高鐵運(yùn)營(yíng)天窗時(shí)間段內(nèi)實(shí)施，確保注漿施工不影響高鐵運(yùn)營(yíng)。

3.3 剛性隔離樁防護(hù)

經(jīng)對(duì)橋樁所在地層進(jìn)行注漿加固后，在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)臨近橋墩之間“L”形設(shè)置1排鉆孔灌注樁作為隔離防護(hù)樁，以盡量隔斷和減小地連墻成槽、基坑開挖以及小里程下穿廣清高速段基坑旋噴樁施工引起的地層變形對(duì)橋樁周邊地層影響。隔離樁采用φ1.2 m、間距1.35 m鋼筋混凝土樁，防護(hù)樁底深度至基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻底，并且使用對(duì)地層擾動(dòng)最小的旋挖鉆施工。

3.4 地下水位控制

為防止基坑開挖過程中坑內(nèi)降水引起坑外地下水流失、地下水位下降，坑外土體有效應(yīng)力增加，從而引起坑外土體的固結(jié)沉降，對(duì)橋墩產(chǎn)生影響。除采取前述各項(xiàng)帷幕止水措施外，在坑外橋墩周邊50 m范圍內(nèi)設(shè)置水位觀測(cè)孔及回灌井，在基坑降水期間進(jìn)行地下水位及地表、橋墩沉降監(jiān)測(cè)。結(jié)合降水期間地表及橋墩變形監(jiān)測(cè)綜合評(píng)定結(jié)果，確因基坑降水引起地表及橋墩沉降，需對(duì)地下水采取回灌措施。同時(shí)在對(duì)高鐵橋樁周地層進(jìn)行注漿加固、隔離防護(hù)樁及基坑兩側(cè)地連墻施工完畢后，在基坑內(nèi)開始井點(diǎn)降水和開挖之前進(jìn)行抽水試驗(yàn)，以進(jìn)一步核實(shí)基坑底部地層滲透系數(shù)及基坑內(nèi)外水力聯(lián)系情況，據(jù)此評(píng)估和完善基坑止水方案。

3.5 其他措施

施工前由專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)武廣高鐵花都特大橋205號(hào)～206號(hào)橋墩進(jìn)行橋梁健康狀況、橋墩基礎(chǔ)及軌道幾何形位進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)定。

4 區(qū)間隧道施工對(duì)既有橋梁影響分析

4.1 計(jì)算模型

采用巖土與隧道有限元分析軟件MIDAS GTS NX對(duì)橋樁保護(hù)、明挖隧道施工全過程進(jìn)行有限元計(jì)算，分析隧道施工過程中對(duì)橋梁的影響。整體模型包含區(qū)間方向45 m范圍，該范圍內(nèi)包含基坑下穿花都特大橋部分，如圖4、圖5所示。

圖4 計(jì)算模型

圖5 模型基坑與橋樁結(jié)構(gòu)示意

4.2 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)城際鐵路勘察資料，各地層主要物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 各層物理力學(xué)指標(biāo)

4.3 計(jì)算荷載

承臺(tái)按實(shí)體單元建模。綜合考慮單墩處的橋梁支座荷載、橋墩自重及列車荷載，橋墩底部的豎向壓力荷載按31 300 kN計(jì)算(支座反力+橋墩自重+列車荷載)。

4.4 計(jì)算工況

結(jié)合施工順序，本次計(jì)算按照以下工況實(shí)施。

工況1：基坑施工前的初始應(yīng)力狀態(tài)。

工況2：土體注漿加固。

工況3：施作第1根隔離樁。

工況4：施作全部隔離樁。

工況5：施作地下連續(xù)墻。

工況6：基坑第1步開挖，施作第1道支撐。

工況7：基坑第2步開挖，施作第2道支撐。

工況8：基坑第3步開挖，施作第3道支撐。

工況9：基坑第4步開挖，施作第4道支撐。

工況10：基坑第5步開挖。此階段模擬基坑土體5次開挖過程，得到基坑土體累計(jì)5次卸載對(duì)橋梁產(chǎn)生的影響。

4.5 計(jì)算結(jié)果與分析

通過對(duì)模型的數(shù)值模擬與計(jì)算結(jié)果的分析，得出橋墩豎向變形最大結(jié)果數(shù)值見表2(計(jì)算模型中左側(cè)為205號(hào)橋墩，右側(cè)為206號(hào)橋墩)。

表2 各工況橋墩變形最大值計(jì)算結(jié)果匯總 mm

注：1.X方向以沿武廣高鐵205號(hào)墩至206號(hào)墩方向?yàn)檎?；Y方向?yàn)榇怪庇谖鋸V高鐵線路方向；Z方向?yàn)樨Q直方向；

2.Z方向的負(fù)值為沉降，正值為隆起；

3.所列數(shù)值為該工況對(duì)應(yīng)施工階段完畢后的累加值。

橋墩最大豎向(Z向)和水平(X向)位移出現(xiàn)在第5工況(地下連續(xù)墻施作完畢)之后，205號(hào)橋墩最大豎向位移為-2.302 mm，最大水平位移為1.203 mm；206號(hào)橋墩最大豎向位移為-2.411 mm，最大水平位移為-2.001 mm。橋墩最大縱向(Y向)位移出現(xiàn)在第10工況(基坑開挖完畢)之后，205號(hào)橋墩最大縱向位移為-0.310 mm；206號(hào)橋墩最大縱向位移為-0.316 mm。205號(hào)、206號(hào)橋墩不均勻沉降值最大為0.11 mm。橋墩沉降值、水平位移值以及不均勻沉降值，均小于前述章節(jié)關(guān)于本項(xiàng)目制定的橋墩沉降、變形預(yù)警值。

橋墩墩頂位移通過支座傳遞給上部結(jié)構(gòu)。墩頂豎向位移及橫橋向位移值均由支座以等量強(qiáng)迫位移值直接施加于上部結(jié)構(gòu)。墩頂順橋向位移傳遞關(guān)系較為復(fù)雜，由于上部結(jié)構(gòu)通過支座摩阻力與縱橋向橋墩形成排架，對(duì)橋墩縱向提供約束，實(shí)際發(fā)生的位移值比計(jì)算值偏小，而且上述計(jì)算中順橋向位移值不足2 mm，遠(yuǎn)小于橋梁梁縫的伸縮值(最大伸縮量約為30 mm)。

通過數(shù)值模擬分析表明，在城際鐵路明挖隧道下穿武廣高鐵橋梁施工過程中，采取一系列的工程措施后，橋梁相關(guān)變形、沉降均在允許控制范圍內(nèi)，隧道施工過程對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響非常有限，橋梁結(jié)構(gòu)是安全的。

5 高鐵軌道變形及列車動(dòng)力響應(yīng)分析

隧道下穿高速鐵路會(huì)引起橋梁墩臺(tái)沉降，從而引起軌道動(dòng)態(tài)不平順，對(duì)列車安全性、平穩(wěn)性和舒適性產(chǎn)生影響[12]。

5.1 橋墩沉降、位移與鋼軌變形的映射關(guān)系

基于ANSYS有限元建立無(wú)縫線路-無(wú)砟軌道-橋梁精細(xì)化靜力模型，分析橋墩沉降造成的軌面不平順，以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步分析橋墩沉降對(duì)行車安全性、舒適性的影響，分如下2種工況進(jìn)行模擬分析。

工況1：依據(jù)表2橋墩墩頂沉降、位移計(jì)算值進(jìn)行分析。

工況2：考慮實(shí)際施工環(huán)境、列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境的復(fù)雜性及下穿區(qū)段地層巖土力學(xué)參數(shù)的離散性，為研究各種不利條件同時(shí)發(fā)生時(shí)橋梁上列車高速通過的安全性，依據(jù)表2中橋墩墩頂沉降、位移計(jì)算值放大處理后進(jìn)行分析(考慮以表2中計(jì)算值增加5倍)。

得到該橋墩位移(2種工況)下的鋼軌變形曲線，如圖6所示。

圖6 橋墩沉降、位移與鋼軌變形的映射關(guān)系

從不同條件下鋼軌變形曲線得出如下結(jié)論。

(1)鋼軌隨橋墩沉降發(fā)生的變形與橋墩沉降成正比，且鋼軌變形在進(jìn)出沉降區(qū)域時(shí)，會(huì)出現(xiàn)上拱，在遠(yuǎn)離沉降區(qū)域時(shí)會(huì)迅速衰減。

(2)簡(jiǎn)支梁墩(圖6左側(cè))發(fā)生沉降對(duì)應(yīng)的鋼軌變形比連續(xù)梁墩(圖6右側(cè))發(fā)生沉降對(duì)應(yīng)的鋼軌變形反應(yīng)更為劇烈。

5.2 橋墩沉降、位移條件下高速列車車輛系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)分析

基于剛?cè)狁詈侠碚揫13]，通過ANSYS有限元軟件和UM多體動(dòng)力學(xué)軟件的聯(lián)合仿真，集成車輛模型、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型、輪軌空間動(dòng)態(tài)耦合模型，得到的車-線-橋剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析模型如圖7所示。

圖7 車-線-橋剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

將前述章節(jié)分析所得的橋墩沉降、位移不同工況下的鋼軌的變形曲線作為輪軌系統(tǒng)激勵(lì)仿真計(jì)算不同行車速度下車輛動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線，輸入車-線-橋動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析。

根據(jù)各個(gè)速度(2種工況下)動(dòng)力響應(yīng)分析，速度350 km/h時(shí)橋墩沉降及位移條件下車輛運(yùn)行品質(zhì)指標(biāo)見表3。

表3 車輛運(yùn)行品質(zhì)指標(biāo)(速度350 km/h)

統(tǒng)計(jì)100～350 km/h列車速度情況下，車體垂向加速度、車體橫向加速度的變化曲線如圖8、圖9所示。

圖8 車體垂向加速度

圖9 車體橫向加速度

根據(jù)表3及圖8、圖9分析如下。

(1)由于205號(hào)、206號(hào)橋墩沉降及位移引起的區(qū)域內(nèi)鋼軌下沉變形，導(dǎo)致車體產(chǎn)生垂向加速度，也產(chǎn)生一定的輪重減載率。

(2)不同橋墩沉降及位移量下，車體垂向加速度、車體橫向加速度隨行車速度的增加而增大，且當(dāng)速度為120～200 km/h時(shí)，車體垂、橫向加速度增加較為緩慢；當(dāng)速度為200～350 km/h時(shí)，車體垂、橫向加速度增加較為迅速。以速度350 km/h運(yùn)行條件下的各項(xiàng)安全性、舒適性指標(biāo)作為最不利狀況分析是合理的。

(3)在列車運(yùn)營(yíng)速度為350 km/h的條件下，列車運(yùn)行安全性、舒適性指標(biāo)隨著橋墩沉降、位移量的增加而增大。當(dāng)橋墩位移為工況1時(shí)，車體垂向加速度最大值為0.06 m/s2，車體橫向加速度最大值為0.01 m/s2；當(dāng)橋墩位移為工況2，車體垂向加速度最大值為0.38 m/s2(0.038g)，小于其舒適性限值0.15g，橋墩位移區(qū)段車體橫向加速度最大值為0.09 m/s2(0.009g)，小于其舒適性限值0.09g。各指標(biāo)均滿足安全性及舒適性要求。在列車運(yùn)營(yíng)速度為120～300 km/h的條件下，兩種工況同樣滿足其安全性及舒適度要求。

6 武廣高鐵限速運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)分析

對(duì)于隧道下穿高速鐵路產(chǎn)生的沉降及軌道不平順等問題，除了在隧道施工期間對(duì)高鐵設(shè)施采取工程措施進(jìn)行保護(hù)外，以往工程實(shí)例還會(huì)采取限速運(yùn)行措施。結(jié)合施工過程中對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)、軌道、列車的影響及國(guó)內(nèi)既有案例，分析工程影響段武廣高鐵限速運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

6.1 結(jié)構(gòu)限速要求

根據(jù)橋梁墩臺(tái)變形分析計(jì)算，橋墩沉降、位移及相鄰墩臺(tái)沉降差均未超過標(biāo)準(zhǔn)限值，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響較小，結(jié)構(gòu)本身是安全可靠的。

6.2 軌道幾何尺寸狀態(tài)管理限速要求

結(jié)合高鐵運(yùn)營(yíng)單位提供的區(qū)段動(dòng)檢波形資料，軌向不平順最大偏差短波0.85 mm，長(zhǎng)波1.2 mm；高低不平順最大偏差短波0.23 mm，長(zhǎng)波1.19 mm。與墩臺(tái)沉降、變形計(jì)算值(工況1)引起的軌道變形橫向0.316 mm、垂向-2.343 mm疊加后，本區(qū)段軌道的水平、高低偏差不超過4 mm。

靜態(tài)方面，上述軌道偏差值位于規(guī)范[10]要求的經(jīng)常保養(yǎng)范圍；動(dòng)態(tài)方面，上述軌道偏差值，也未超過規(guī)范[10]偏差等級(jí)Ⅰ級(jí)高低5 mm的要求。在墩臺(tái)沉降、變形理論計(jì)算值(工況1)引起軌道變形條件下，軌道偏差值在靜態(tài)幾何尺寸、動(dòng)態(tài)質(zhì)量方面均未達(dá)到限速200 km/h管理值要求。

6.3 動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算限速要求

行車速度為350 km/h時(shí)，即使考慮實(shí)際施工環(huán)境、列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境的復(fù)雜性及各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)離散性，將205號(hào)、206號(hào)橋墩沉降、變形計(jì)算值增加5倍后(工況2)進(jìn)行車輛系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)分析，高鐵列車車體垂向、橫向加速度均遠(yuǎn)小于舒適性限值，車輛輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪軌垂向力、橫向力遠(yuǎn)低于其安全限值，預(yù)留充分安全余量。因此，根據(jù)動(dòng)力仿真計(jì)算，在車輛安全性及舒適性方面，此段無(wú)需限速要求。

6.4 高鐵限速運(yùn)行案例

姚西平等[14]結(jié)合地鐵隧道側(cè)穿京滬高鐵橋梁工程，研究隧道穿越施工對(duì)高鐵橋梁樁基的影響和控制措施，在分析承臺(tái)沉降0.55 mm、墩頂水平位移0.43 mm的條件下仍提出：為保證高鐵運(yùn)行安全，列車通過時(shí)應(yīng)限速至120 km/h；張碧文[15]針對(duì)廣州地鐵下穿武廣高鐵路基，模擬分析限速120 km/h情況下無(wú)砟軌道道床板沉降，最大約為5 mm，考慮實(shí)際施工條件下影響因素更為復(fù)雜，為確保運(yùn)營(yíng)安全，建議施工期間高鐵限速至80 km/h；朱春雷、周順華[16]在研究杭州地鐵下穿滬杭甬客運(yùn)專線高架橋，為確保隧道穿越高鐵的運(yùn)營(yíng)安全，基于列車運(yùn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，施工期間高速鐵路限速200 km/h。

根據(jù)對(duì)受城際鐵路明挖隧道下穿施工影響的武廣高鐵橋梁結(jié)構(gòu)、軌道變形及列車動(dòng)力學(xué)仿真分析成果，在理論上武廣高鐵線路尚未達(dá)到需限速運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。但結(jié)合目前國(guó)內(nèi)下穿高速鐵路案例，大都采取一定的限速措施。因此綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境等各項(xiàng)因素的復(fù)雜性，為確保高速列車運(yùn)行絕對(duì)安全和平穩(wěn)，因此建議針對(duì)城際鐵路明挖區(qū)間隧道下穿既有武廣高鐵橋梁的施工期間，采取武廣高鐵列車適當(dāng)限速，考慮限速200 km/h通過本區(qū)段。

7 橋墩變形控制效果

隧道下穿武廣高鐵花都特大橋?qū)嵤┻^程中，針對(duì)明挖隧道基坑、高鐵橋墩開展專項(xiàng)監(jiān)控量測(cè)工作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果，至下穿段明挖隧道開挖并完成回填覆土，高鐵橋墩及隧道基坑工程主要沉降、變形情況如下。

(1)高鐵橋墩最大水平位移(垂直高鐵線路方向)，205號(hào)橋墩2.7 mm，206號(hào)橋墩1.4 mm。

(2)高鐵橋墩最大水平位移(沿高鐵線路方向)，205號(hào)橋墩3.2 mm，206號(hào)橋墩3.2 mm，均向明挖隧道基坑內(nèi)側(cè)變形。

(3)高鐵橋墩最大沉降值，205號(hào)橋墩2.4 mm，206號(hào)橋墩2.8 mm。在下穿隧道實(shí)施過程中，205號(hào)、206號(hào)橋墩最大差異沉降1.9 mm。

(4)基坑周邊地表沉降最大值-12.5 mm，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻水平方向變形最大值18.56 mm。

高鐵橋墩沉降、變形現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與前期有限元分析計(jì)算值存在一定差異，但總體上較為吻合。同時(shí)橋墩各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的最大值均在可控范圍，未達(dá)到既定的預(yù)警水平，且存在較大富裕，可見在城際鐵路明挖隧道下穿過程中對(duì)高鐵橋梁的各項(xiàng)保護(hù)措施效果是明顯的。

8 結(jié)語(yǔ)

(1)既有高鐵橋梁下深基坑開挖，是地層卸載的過程[17]，其最直接的影響是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形后橋梁樁基、承臺(tái)等結(jié)構(gòu)的水平位移，同時(shí)基坑開挖后坑外土體在發(fā)生水平位移或地下水位下降情況，會(huì)出現(xiàn)地層的重新固結(jié)沉降，進(jìn)而對(duì)橋梁樁基產(chǎn)生向下的負(fù)摩阻力，致使其發(fā)生沉降。因此針對(duì)該類問題，需著重從有效控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、橋樁基礎(chǔ)周邊地層沉降以及地下水流失等方面采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

(2)通過采取有限元分析手段，在采取相應(yīng)措施后，對(duì)隧道下穿武廣高鐵花都特大橋的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算表明橋墩最大沉降2.441 mm，最大水平位移2.001 mm(朝基坑向)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響有限，橋梁結(jié)構(gòu)是安全的。結(jié)合后期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，橋墩最大沉降值2.8 mm，朝基坑向最大水平位移3.2 mm，未超過相關(guān)限值及預(yù)警值要求，所采取工程防護(hù)措施是有效的。

(4)隧道下穿高速鐵路會(huì)引起橋梁墩臺(tái)沉降，從而引起軌道動(dòng)態(tài)不平順，對(duì)線上列車安全性、平穩(wěn)性和舒適性產(chǎn)生影響。通過有限元對(duì)橋墩沉降、變形值的預(yù)測(cè)，結(jié)合車-線-橋動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析，對(duì)列車安全性、舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算表明，行車速度為350 km/h時(shí)，行車安全性及乘坐舒適性均滿足要求，其動(dòng)力性能符合要求；在橋墩沉降、變形計(jì)算預(yù)測(cè)值增加5倍工況下，也滿足行車安全性及舒適性的要求。

(5)預(yù)測(cè)的橋墩沉降、變形條件下，在橋梁結(jié)構(gòu)安全、軌道幾何尺寸偏差、列車動(dòng)力學(xué)仿真分析等方面的計(jì)算，均顯示下穿區(qū)段武廣高鐵均未達(dá)到限速運(yùn)行的要求。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境復(fù)雜性，在實(shí)施過程中該區(qū)段列車仍采取了限速200 km/h通過的措施，以確保高鐵運(yùn)營(yíng)的絕對(duì)安全。

(6)對(duì)既有橋梁的保護(hù)，不應(yīng)忽略防護(hù)措施其本身在實(shí)施過程中對(duì)既有橋梁的影響，如：地層加固注漿壓力對(duì)橋樁的影響，隔離樁實(shí)施過程中松散地層的塌孔風(fēng)險(xiǎn)等。

(7)在施工過程中，橋墩實(shí)際沉降、變形量超過預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)橋上軌道幾何尺寸及變形量的上道檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整橋上軌道的不平順，使其達(dá)到最佳狀態(tài)。