劉華琛

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

1 工程概況

1.1 U型槽設(shè)計

新建道路下穿高鐵處，高速鐵路為四線并行，線間距為5.30+5.00+5.30 m。道路分幅從橋下通過，左幅道路從109#～110#墩間穿過，右幅道路從110#～111#墩間穿過，其中高鐵108#～110#之間為32 m簡支箱梁，110#～116#墩之間為6x32 m道岔連續(xù)梁。下穿處道路采用U型槽形式分幅穿過，左幅和右幅斷面分別為15 m和16 m寬。地下水埋深0.1～3.25 m，且U型槽基底置于σ0=50 KPa的淤泥質(zhì)軟土層上，綜合考慮抗浮和地基處理后，在U型槽底部設(shè)置0.8 m嵌巖鉆孔樁。

1.2 框構(gòu)設(shè)計

新建道路下穿市域鐵路處，路基段設(shè)置2座4.25 m(非機動車道)+11.25 m(機動車道)+7.1～7.59 m(綠化帶)框構(gòu)?？蚣苤黧w均采用C40鋼筋混凝土。框構(gòu)所處位置，基巖起很大，左幅框構(gòu)表層淤泥較厚，基巖較深，地基采用0.8 m鉆孔灌注樁嵌巖進(jìn)行處理；右幅框構(gòu)表層淤泥較薄，基巖較淺，地基采用淤泥換填C40混凝土進(jìn)行處理。

1.3 地質(zhì)條件

依據(jù)地質(zhì)資料將施工場地的土為4層，各土層的具體參數(shù)取值如表1所示。

表1 土層參數(shù)

1.4 基坑防護設(shè)計

本工程下穿高速鐵路U型槽范圍內(nèi)，基坑開挖采用φ1.25 m混凝土鉆孔灌注樁防護，樁間距1.5 m，樁長7～18 m。樁頂設(shè)1 m高的鋼筋混凝土冠梁，冠梁寬1.45 m。防護樁及冠梁采用C25混凝土。防護樁內(nèi)側(cè)掛網(wǎng)錨噴混凝土，外側(cè)采用樁徑為0.6 m，間距為0.4 m的雙排水泥攪拌樁止水帷幕，

本工程市域鐵路框構(gòu)范圍內(nèi)，采用直徑為1.5 m鉆孔灌注樁，樁間距1.7 m，樁長8～20 m。基坑外側(cè)分別設(shè)置單排直徑為0.8 m，間距為0.6 m的高壓旋噴樁止水帷幕。鉆孔灌注樁采用C30混凝土材料。基坑深度為4.9～6.4 m。

2 三維有限元模擬

2.1 模型建立

本文采用MidasGTS有限元分析軟件，以平行高鐵方向為X軸；垂直高鐵方向為Y軸；豎直方向為Z軸。為消除計算邊界效應(yīng)的影響，考慮施工過程中的空間效應(yīng)，計算模型沿X方向取160 m，沿Y方向取160 m，土層總深度為40 m。

圖1 三維有限元模型

計算模型中土體、U型槽、框構(gòu)采用三維四面體網(wǎng)格模擬，鐵路橋墩、樁基礎(chǔ)、防護樁、抗浮樁等采用梁單元模擬，鐵路橋承臺采用板單元模擬，梁部荷載換算為等效均布荷載施加在橋墩上，以此作為初始階段，然后根據(jù)施工階段激活或鈍化相應(yīng)單元及荷載，計算道路U型槽及框構(gòu)施工對在建鐵路橋梁基礎(chǔ)的影響。土體采用修正摩爾-庫倫模型來模擬土的本構(gòu)關(guān)系，模型頂面取為自由邊界，底面采用豎向約束，其它面均采用法向約束。

2.2 施工步驟

根據(jù)本工程的施工方案，模擬為9個施工階段：

(1)階段一：施工防護樁和橫撐；(2)階段二：基坑開挖第一層；(3)階段三：基坑開挖第二層；(4)階段四：框構(gòu)地基處理及施工抗浮樁；(5)階段五：施工U型槽抗浮樁；(6)階段六：拆除橫撐；(7)階段七：施工左幅U型槽；(8)階段八：施工右幅U型槽；(9)階段九：施工框構(gòu)。

3 計算結(jié)果分析

通過有限元計算并分析，施工過程引起的高鐵橋梁墩頂附加豎向位移、附加順橋向水平位移和附加橫橋向水平位移最大值分別發(fā)生在施工框構(gòu)階段、施工右幅U型槽階段和框構(gòu)地基處理及施工抗浮樁階段。階段四的位移云圖如圖2所示。

圖2 階段四：高鐵橋墩墩頂橫橋向變形云圖/mm

(1)墩頂豎向位移

本工程施工各階段引起高鐵橋梁墩頂累計附加豎向變形計算結(jié)果見圖3。施工引起的墩頂豎向位移經(jīng)過先增加，后隨著基坑開挖逐漸減小，又隨著U型槽和框構(gòu)的施工逐漸增加的過程，在施工框構(gòu)階段達(dá)到最大值-0.012 mm。這是由于施工影響范圍內(nèi)的高鐵樁基全部為嵌入硬質(zhì)巖層中的柱樁，所以本次施工過程引起的高鐵橋梁墩頂豎向附加位移很小，滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》不超過2 mm的要求。累計附加豎向差異變形最大值發(fā)生108～109號墩之間的框構(gòu)施工階段，最大值為-0.01 mm，滿足《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中相鄰墩沉降差不大于5 mm的要求。

圖3 高鐵橋梁墩頂累計附加豎向變形(mm)

(2)墩頂順橋向水平位移

本工程各施工階段引起高鐵橋梁墩頂附加順橋向變形計算結(jié)果如下：開挖基坑和拆除橫撐階段引起高鐵橋梁墩頂?shù)捻槝蛳蛩轿灰拼蠓黾樱渲凶畲罄塾嫺郊禹槝蛳蜃冃伟l(fā)生在109#墩的U型槽右幅施工階段，值為2.777 mm，向大里程方向變形。

疊加設(shè)計值后累計順橋向位移值見圖4所示，累計順橋向變形最大值仍發(fā)生在109#墩U型槽右幅施工階段，最大變形值為9.797 mm，向大里程方向變形，滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》(TB10002-2017)鐵路橋梁墩臺頂縱向水平變形量≤5√L=28.3 mm的要求。可見，道路施工須與高鐵橋梁同期實施，如果等高鐵橋梁施工完成后，再施工道路產(chǎn)生的附加順橋向變形將不滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的墩頂縱向水平位移限值2 mm的要求。

圖4 高鐵橋梁墩頂累計順橋向水平變形

(3)墩頂橫橋向水平位移

本工程施工階段引起高鐵橋梁墩頂附加橫橋向變形計算結(jié)果如下：本工程施工過程中開挖基坑和拆除橫撐兩個階段對高鐵橋墩墩頂橫橋向水平位移影響較大。墩頂累計附加橫橋向變形最大值發(fā)生在110號墩框構(gòu)地基處理及抗浮樁施工階段，最大變形值為0.447 mm，面向大里程向左側(cè)方向變形，滿足《公路與市政工程橋梁下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》中無砟軌道墩頂橫橋向位移不超過2 mm的限值要求。

疊加設(shè)計值后累計橫橋向位移值見圖5。疊加設(shè)計位移后，橫橋向變形最大值仍發(fā)發(fā)生在110號墩框構(gòu)地基處理及抗浮樁施工階段，最大變形值為3.497 mm，面向大里程向左側(cè)方向變形，滿足《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(TB110621-2014)》鐵路橋梁墩臺頂橫向水平變形量≤0.000 5 L=16 mm的要求。

圖5 高鐵橋梁墩頂累計橫橋向水平變形

4 結(jié) 論

本文運用Midas GTS有限元軟件，對復(fù)雜地基條件下，臨近高鐵道路施工的全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析防護樁施工、基坑開挖、U型槽和框構(gòu)施工等階段對高鐵橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生的影響，得到的主要結(jié)論如下：

基坑開挖和拆除橫撐階段對高鐵橋梁墩頂各方向引起的附加位移幅度較大，道路施工過程中高鐵墩頂最大累計附加豎向位移為-0.012 mm，發(fā)生在110#墩施工框構(gòu)階段，累計附加豎向差異變形最大值為-0.01 mm，發(fā)生108～109號墩之間的框構(gòu)施工階段，均滿足規(guī)范要求。

道路施工過程中高鐵墩頂最大累計附加順橋向變形為2.777 mm，疊加設(shè)計位移后最大累計順橋向變形為9.797 mm，均發(fā)生在109#墩的U型槽右幅施工階段，滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》(TB10002-2017)鐵路橋梁墩臺頂縱向水平變形量≤5√L=28.3 mm的要求，可見，本工程道路須與高鐵橋梁同期實施才能滿足規(guī)范中的順橋向變形要求。

道路施工過程中高鐵墩頂最大累計附加橫橋向變形為0.447 m，疊加設(shè)計位移后最大累計橫橋向變形為3.497 mm，均發(fā)生在110號墩框構(gòu)地基處理及抗浮樁施工階段，均滿足規(guī)范要求。

目前，本工程的道路、高鐵橋梁和市域鐵路，均已安全施工完畢，驗證了該下穿防護方案和有限元模擬施工階段的方法是可行的，為類似場地條件下道路下穿高鐵橋梁的施工和防護提供了借鑒經(jīng)驗。