趙振山

摘要：在社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大中，城市道路和高速鐵路也得到很大的發(fā)展，對相關(guān)的建設(shè)工作也產(chǎn)生了很大的影響。在我國的高速鐵路當(dāng)中，橋梁都是主要的承載結(jié)構(gòu)，在其中肩負(fù)著極為重要的作用，因此在今后的交通線路發(fā)展當(dāng)中，道路下穿既有高鐵橋梁工程已經(jīng)成為重要的工程方式。高速鐵路的列車運(yùn)營速度都比較快，而且高速鐵路運(yùn)輸除了在特殊的情況下都是不能被中斷的，因此對于運(yùn)營中的高鐵橋梁基礎(chǔ)變位控制的要求就會比較高。但是道路下穿段運(yùn)營這種方式，會對既有的高鐵橋梁造成一定的影響，因此本文主要是對下穿道路的施工和運(yùn)營可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行一定的分析，在這樣的背景下，道路下穿段運(yùn)營對既有的高鐵橋梁基礎(chǔ)影響進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：道路下穿;高鐵橋梁;道路運(yùn)營

隨著城市和交通網(wǎng)的不斷發(fā)展，城市道路與高速鐵路之間的交叉已經(jīng)成為主要的發(fā)展趨勢，其中的橋梁工程更占據(jù)著主要的內(nèi)容，是其主要的承載形式。下穿工程的施工對高鐵橋梁樁基和土體的應(yīng)力平衡進(jìn)行了一定的改變，容易給高鐵橋梁的墩臺和上部結(jié)構(gòu)造成位移和沉降性的問題，會在很大程度上影響到列車的正常運(yùn)營。在下穿道路高鐵工程的施工中，需要對前期的準(zhǔn)備和后期的監(jiān)測進(jìn)行全面的重視，要對變形控制的要求進(jìn)行滿足，進(jìn)一步的確保高鐵列車的正常運(yùn)營。

1 國內(nèi)相關(guān)研究以及存在不足

陳彬科等人（2018）對下穿軌道工程中既有軌道的安全運(yùn)營和新建下穿隧道施工方案的安全合理進(jìn)行重視，對新建地鐵下穿既有軌道車站工程的特殊性進(jìn)行重視，將其作為基礎(chǔ)內(nèi)容來將重慶的某新建地鐵下穿既有軌道車站最為主要的研究對象對其進(jìn)行一定的研究，具體來說主要是利用MidasGTSNX仿真分析軟件來對新建地鐵進(jìn)行仿真分析，然后采用上下臺階法對其進(jìn)行有限元的計算和模擬，它主要是對軌道車站的結(jié)構(gòu)變形和受力情況進(jìn)行重視，然后獲取其中的變化規(guī)律[1];易領(lǐng)兵等人（2018）對有限元軟件進(jìn)行一定的利用，對大斷面暗挖隧道穿越京滬高鐵北京特大橋的工程進(jìn)行一定的分析，主要是對其中的樁基、承臺、橋墩及橋面的位移變化規(guī)律進(jìn)行一定的研究和分析[2];葉宇等人（2019）將滬昆鐵路某隧道穿越滬昆高速公路工程作為主要的內(nèi)容進(jìn)行分析，主要是采用MidasGTSNX來對隧道與既有高速公路之間的不同相對位置進(jìn)行一定的確定，然后對爆破施工可能會給高速公路路基和擋墻所能造成的影響進(jìn)行一定的研究和分析[3];柴元四等人（2019）利用相似比理論來構(gòu)建模型，通過模擬盾構(gòu)開挖的方式來對擾動情況下的路基變形問題進(jìn)行觀察和分析[4]。

國內(nèi)目前在高鐵樁基沉降研究和監(jiān)測中已經(jīng)取得了一定的成果，但是在某些特定方面的研究依舊存在著不足。針對我國現(xiàn)有的高鐵研究來看，大部分的研究還是由一些鐵路相關(guān)院校和科研單位來進(jìn)行攻克，但是還沒有從頂層設(shè)計上進(jìn)行入手對整個體系進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，再加上我國國土范圍比較廣，地質(zhì)也都各不相同，還沒有形成一個統(tǒng)一的體系;另外，缺乏專門的城市道路橋梁下穿高鐵引起的樁基變形研究，這在近些年城市都和高鐵不斷相交的發(fā)展趨勢下是必須要重點關(guān)注的內(nèi)容。因此對于下穿高鐵項目來說，需要從各個方面出發(fā)來對其進(jìn)行重點關(guān)注：一是要對仿真分析在此類項目的應(yīng)用進(jìn)行重視，要將體系建模和計算分析進(jìn)行關(guān)注，如果不對其應(yīng)用進(jìn)行拓展，就很難通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來對量化分析進(jìn)行處理，再加上如果缺乏系統(tǒng)的資料收集和整理，也會給研究帶來不利的影響。還要對后期數(shù)據(jù)與仿真的分析進(jìn)行一定的驗證，就目前的研究現(xiàn)狀來說，這方面內(nèi)容還處在一個比較落后的階段，因此需要對這個方面的內(nèi)容進(jìn)行強(qiáng)化，做好相關(guān)的跟蹤和驗證，從而剛好的實現(xiàn)理論研究的優(yōu)化和更新。

2 相關(guān)的工程案例基本概述

本文主要是將京滬高速的某一段作為重要的例子來進(jìn)行具體的分析。鐵路的孔跨試樣主要是簡支梁，并且不同的鐵路段會有不同的孔，其跨度也會隨著鐵路里程的增加而出現(xiàn)一定的變化。一般來說，有些鐵路段會設(shè)有一定的防護(hù)架，而有的則沒有設(shè)置，主要可以將其分為三個方面的內(nèi)容，分別是公路、國道和土路。本次京滬高鐵工程橋長為80km左右，全程采用簡支箱梁，橋墩采用單柱墩，橋墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋上線路為雙線。該工程的設(shè)計時速為350km/h，主要鋪設(shè)的都是無縫線路和無砟軌道，對變形控制有著比較高的要求，這主要是因為高鐵列車與普速列車不同，它具有更高的安全性和高速性的要求，對軌道結(jié)構(gòu)的平順性具有極大的要求，因此一定要對施工的沉降變形問題進(jìn)行合理的控制，避免出現(xiàn)較大的問題。對于高鐵橋梁來說，它的基礎(chǔ)形式就是樁基礎(chǔ)，因此在實施道路下穿工程的時候，需要對高鐵橋梁樁基的沉降和變形問題進(jìn)行重視。

3 建模和數(shù)值分析

3.1 外部荷載計算思路

要把承臺頂面作為主要的分界面，將其分為上下兩個部分的內(nèi)容，然后再對其進(jìn)行詳細(xì)的計算和處理?？傮w來說，外部荷載的計算可以按照兩個階段的內(nèi)容來進(jìn)行操作：第一階段是對路基填筑施工中橋梁基礎(chǔ)變形問題進(jìn)行重視，然后做好相關(guān)的計算工作;第二個階段是對基礎(chǔ)沉降的問題進(jìn)行重視，對其可能會引起的橋墩變形進(jìn)行一定的計算。另外，在計算的時候還要對高鐵建設(shè)中列車荷載和橋跨恒載現(xiàn)象進(jìn)行充分的考慮，對墩頂?shù)淖畈焕ё戳M(jìn)行計算，還要對高鐵建設(shè)中容易出現(xiàn)的風(fēng)力和橋墩自重等方面內(nèi)容進(jìn)行充分考慮，對承臺能承受的外力現(xiàn)象進(jìn)行計算，對不利的荷載的現(xiàn)象進(jìn)行計算。

3.2 公路鋼架結(jié)構(gòu)施工方案

想要對公路鋼架結(jié)構(gòu)施工方案設(shè)計的合理性進(jìn)行保證，需要對公路鋼架結(jié)構(gòu)的連續(xù)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)置，進(jìn)而對建模工作進(jìn)行模擬。首先，要對區(qū)域樁體混凝土澆筑進(jìn)行重視，還要對樁成孔的制作工作進(jìn)行重視，要按照這樣的方式來完成其他區(qū)域的澆筑;其次，要對區(qū)域槽進(jìn)行一定的挖掘，還要對梁自重進(jìn)行預(yù)壓，同時還要做好連續(xù)性的澆筑工程，并且要按照澆筑的順序來對依次完成其他梁的澆筑工作。

3.3 有限元模型的建立

要建立起完整的有限元模型來對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，一般是對Abaqus軟件進(jìn)行利用，然后模擬仿真計算。對于Abaqus軟件來說，它是一套功能強(qiáng)大的工程模擬軟件，這種有限元法的模型構(gòu)建擁有幾個突出的特點：（1）能夠?qū)Ψ蔷€性問題進(jìn)行求解，還可以在計算中對各種復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行一定的模擬;（2）可以對非均質(zhì)問題進(jìn)行更好的處理，能夠?qū)Ω飨虍愋詥栴}進(jìn)行一定的模擬;（3）具有比較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜邊界的條件進(jìn)行適應(yīng);（4）在前處理和后處理技術(shù)的不斷發(fā)展下，能夠?qū)Ψ桨傅谋容^和分析進(jìn)行更好的處理，可以借助圖形更快的計算出相關(guān)的結(jié)果，對工程方案的優(yōu)化具有重要的促進(jìn)性作用。一般來說，在巖土工程中比較適合采用有限元的方法進(jìn)行模擬計算，目前來說利用ABAQUS軟件能夠進(jìn)行土體和橋梁耦合的CAE有限元分析，這也是目前巖土領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。

利用有限元建模的基本原則就是：首先是對既有的高鐵橋梁結(jié)構(gòu)物和各土層作為基本的初始狀態(tài)，然后對土層的初始應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行計算;其次是要將該應(yīng)力狀態(tài)作為主要的基礎(chǔ)，在這樣的基礎(chǔ)上對運(yùn)營階段模型進(jìn)行建立，然后對土層的應(yīng)力及沉降變化情況進(jìn)行計算，進(jìn)而對土層變形在高鐵橋梁基礎(chǔ)的附加影響進(jìn)行有效的考察，其中主要運(yùn)用的土層包括黏土、粉砂、淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土等。

在進(jìn)行工程建設(shè)的過程中，一定要對當(dāng)?shù)氐牡乩砬闆r和巖土工程情況進(jìn)行重視，對其主要的參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置，對巖土使用的合理性進(jìn)行有效保證。首先要對鐵路橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的階段，然后對計算得到的荷載施加在承臺頂，然后對樁基所處的初始應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行一定的計算，最后再對下穿段的施工和運(yùn)營的數(shù)值進(jìn)行模擬，要對下穿道路段的施工和運(yùn)行進(jìn)行重視，對其影響進(jìn)行關(guān)注。在計算的過程中，需要對土體應(yīng)變的本構(gòu)理論進(jìn)行積極利用，然后利用彈塑性模型做好對其的支撐工作。另外，還要對個結(jié)構(gòu)部件與土體的相互作用進(jìn)行重視，做好模型的構(gòu)建。對于計算模型來說，一般是采用笛卡爾坐標(biāo)系來進(jìn)行計算，將負(fù)向的大里程設(shè)置為高鐵縱向，分別設(shè)置x軸、Y軸和z軸，將鉛直向上定為Z軸正方向，X軸按右手定則確定，Y軸按照高鐵縱向方向進(jìn)行確定，具體模型可以為圖1所示。

4 計算結(jié)果的分析

4.1 對高鐵樁身側(cè)摩阻力造成較大影響

道路下穿段的運(yùn)行會給運(yùn)營荷載量造成影響，這會導(dǎo)致其出現(xiàn)增加的趨勢，樁側(cè)的摩擦力會在不同的時間出現(xiàn)不同的變化（表1所示），一般是隨著樁深度的增加而出現(xiàn)樁側(cè)摩阻力先減小后增大的趨勢，因此需要將樁深為40m處的地方作為高鐵樁建設(shè)的重要轉(zhuǎn)折點，對減少樁身摩擦阻力具有重要意義。另外，還要對下穿段的開挖和澆筑工作進(jìn)行重視，對樁摩擦阻力的預(yù)壓和澆筑進(jìn)行重視，控制好相關(guān)的摩擦力，防止對路基建設(shè)造成不利影響。

4.2 對高鐵橋樁身的軸力造成較大影響

通過對具體的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后可以發(fā)現(xiàn)（表2），運(yùn)行荷載的增加會隨著下穿段開完施工的展開而出現(xiàn)不斷增大的趨勢。一般來說需要將樁深控制在40cm的范圍之內(nèi)，樁深軸力一般會隨著樁深的增加而出現(xiàn)軸力的增加，但是在達(dá)到一定程度之后，還會出現(xiàn)逐漸減小的發(fā)展趨勢。在進(jìn)行開挖的過程中，需要對樁側(cè)身軸力和下穿短鋼架樁基的開挖進(jìn)行重視，它們會給實際開挖造成很大的影響，因此需要對樁基開挖的具體因素和對樁側(cè)的摩擦阻力進(jìn)行明確。

4.3 對群樁基礎(chǔ)土體變形造成影響

通過對高鐵橋梁的具體建設(shè)情況進(jìn)行一定的了解可以發(fā)現(xiàn)（表3），在對路基進(jìn)行填筑的過程中容易給周圍土體的造成沉降變形和荷載量的增加，等到路基填筑的施工完成之后就會給路基坡腳處造成不利的影響，其中比較容易出現(xiàn)的是土體沉降的問題，并且會隨著運(yùn)營的荷載量的增加而不斷增大。通過進(jìn)行一定的研究可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行荷載和路基填筑會給靠近樁基土體造成一定的影響，比較容易出現(xiàn)的是路基外側(cè)外衣和土體向下的情況。

路基周圍土體出現(xiàn)嚴(yán)重沉降變形的主要原因是路基的填筑，與坡腳的水平距離一般與沉降變形值之間會形成一定的衰減性曲線，一般來說，如果沉降變形比較小，那就說明與路基坡腳還存在一定的距離。等到路基填筑施工完成之后，路基坡腳的土體和群樁承臺出土體會存在沉降的現(xiàn)象。在運(yùn)營荷載不斷增加的影響下，土體變形的情況也會出現(xiàn)一定的增大，而且隨著路基填筑的完成，樁基頂部會出現(xiàn)豎向位移和回彈變形的情況，進(jìn)而給樁基造成傾斜的問題，并且還會根據(jù)運(yùn)營荷載量的增加而出現(xiàn)傾斜度增加的問題。把路基填筑的工作完成之后，需要對路基荷載進(jìn)行重視，對可能會出現(xiàn)的樁基頂部水平位移進(jìn)行合理處理。這些情況就可以清楚的說明，在路基修筑和運(yùn)營荷載的作用中，樁基附近的地表下的土體會產(chǎn)生向下和向路基外側(cè)的變形，容易造成樁基上部想路基傾斜的問題，會給橋梁施工的穩(wěn)定性造成不利的影響。

5 結(jié)語

高鐵建設(shè)正處在一個快速發(fā)展的重要時期，很多高速鐵路段的新建工程都與既有的道路形成了一定的交叉點，這種情況對鐵路運(yùn)營的安全性會造成很大的影響，因此需要對其施工進(jìn)行重點關(guān)注。本文主要是對城市道路下穿京滬鐵路工程為主要的依托，將大量的施工資料和相關(guān)文獻(xiàn)作為基礎(chǔ)進(jìn)行了分析，并且要在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上來對方案進(jìn)行設(shè)計，然后采用有限元分析軟件對其進(jìn)行模型分析和計算分析。本次研究不僅可以在具體應(yīng)有的研究上對我國軌道交通建設(shè)的發(fā)展進(jìn)行促進(jìn)，尤其是對我國高鐵與城市交通節(jié)點方面的處理進(jìn)行發(fā)展，其中的很多思路和方法都可以為后續(xù)的其他工程施工提供一些新的借鑒方法，對促進(jìn)我國交通網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定發(fā)展具有一定的作用。

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