楊學(xué)林

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300308)

引言

隨著我國地方社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，下穿高速鐵路的新建或改建的道路交通[1-3]、軌道交通[4-6]、河道[7]、地下管線[8]等工程數(shù)量日益增多，而下穿構(gòu)筑物的建設(shè)過程已成為影響高速鐵路運營安全的重要因素。特別是《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》新規(guī)范頒布以來的高鐵建設(shè)先行區(qū)域。

《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》[9]“3基本規(guī)定3.0.3”中明確給出下穿工程影響高速鐵路橋梁墩臺頂位移限值—有砟軌道橋梁墩臺頂縱橫豎三向位移限值應(yīng)滿足<3 mm要求；無砟軌道橋梁墩臺頂縱橫豎三向位移限值應(yīng)滿足<2 mm要求。若不滿足以上標準，可進行專項論證，且應(yīng)符合軌道平順性要求。

圖1 新建高速公路與高鐵平面關(guān)系(單位：m)

為了適應(yīng)新的形勢，確保工程建設(shè)過程中高速鐵路的運營安全[10]，更需要對影響高鐵運營安全的重要因素展開研究。依據(jù)高速鐵路相關(guān)設(shè)計規(guī)范以及運營規(guī)則規(guī)定，得出影響高鐵運營安全的最直接因素為高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的平順性[11-12]。影響軌道結(jié)構(gòu)平順性的因素有很多，但在下穿高鐵工程施工過程中影響軌道平順性的主要因素為高鐵橋墩的橫橋向、順橋向和豎向變形。以某高速公路下穿某高鐵工程為例，為確保高鐵的運營安全，提出一套設(shè)計措施預(yù)防、仿真分析預(yù)判、監(jiān)測監(jiān)控預(yù)知的一體化安全設(shè)計理念。以期為類似工程提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

某高鐵南北走向，高速公路自北東至西南方向下穿高鐵150號～152號橋墩，平面交叉角度108°，兩線路平面位置關(guān)系見圖1。該新建工程設(shè)計速度120 km/h，使用凈高≥5.0 m，采用路基-橋梁-路基的分幅式過渡總體設(shè)計理念。交叉處既有高鐵橋下凈高7.23 m，上部結(jié)構(gòu)形式為32 m簡支箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩為圓端型實體橋墩，基礎(chǔ)采用8根39 m長φ1.0 m的鉆孔樁基礎(chǔ)，樁板橋與高鐵位置關(guān)系剖面見圖2。新建公路工程為12 m+(12+15+12) m+12 m的三聯(lián)式樁板結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)設(shè)計樁徑為1.25 m，設(shè)計樁長30、35、40 m，樁板橋橋型布置見圖3。

圖2 樁板結(jié)構(gòu)與高鐵橋墩位置關(guān)系剖面(單位：m)

1.2 線路主要技術(shù)標準

該下穿區(qū)域范圍內(nèi)高鐵線路主要技術(shù)標準如下。

線路級別：高速鐵路，正線雙線，線間距5.0 m。

軌道標準：無砟軌道，無縫線路，鋼軌60 kg/m。

設(shè)計速度：350 km/h。

設(shè)計荷載：ZK活載。

最大坡度：1.0‰下坡。

1.3 工程地質(zhì)條件

本工程場地地形較為平坦?？碧缴疃确秶鷥?nèi)，自上而下為：粉土、粉質(zhì)黏土、粗砂、粉質(zhì)黏土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、粉細砂、粉質(zhì)黏土。根據(jù)GB18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，地震峰值加速度為0.10g，地震動參數(shù)反應(yīng)譜特征周期0.40 s，地震基本烈度為Ⅶ度?？辈炱陂g勘探深度范圍內(nèi)未見地下水，工程區(qū)內(nèi)地質(zhì)情況良好，無不良地質(zhì)現(xiàn)象，地層分布基本連續(xù)穩(wěn)定，橋址區(qū)及附近未見斷層，場地總體評價屬基本穩(wěn)定區(qū)。

圖3 樁板橋橋型布置(單位：m)

2 仿真分析

為了減小新建結(jié)構(gòu)對高鐵結(jié)構(gòu)的影響，本項目采用了“以橋代路”[13]的設(shè)計措施。為了把控施工影響下高鐵結(jié)構(gòu)變形、受力的影響規(guī)律及大小，讓高鐵運營安全風(fēng)險可控，本項目同時對該設(shè)計方案進行了仿真分析研究。

2.1 分析方法

為了更好地模擬施工過程對高鐵的影響，基于有限元理論，采用巖土工程Midas GTS通用軟件[14]，建立了三維數(shù)值仿真模型進行施工階段的模擬計算，該項目土體計算取線路縱向為X軸、橫向為Y軸、豎向為Z軸。

為盡量避免模型尺寸效應(yīng)的影響，基本分析模型的總尺寸定義為縱向(X)×橫向(Y)×豎向(Z)=180 m×120 m×80 m，本模型是建立在同一土層是均質(zhì)連續(xù)、各項同性的假定基礎(chǔ)上進行的[15]，三維空間有限元模型見圖4。

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圖4 有限元模型

模型邊界條件為：上表面為自由邊界，底部為固定約束，四周的節(jié)點約束法向自由[15]。

土體采用MIDAS/GTS模型庫中提供的修正摩爾-庫倫(MMC)模型[16]，適用于各種類型的地基土，尤其是砂土等具有摩擦特性的材料[17]。該模型是對Mohr-Coulomb模型的改進，由非線性彈性模型和彈塑性模型組合。Modified Mohr-Coulomb模型可以模擬不受剪切破壞或壓縮屈服影響的雙硬化行為[18]。

混凝土材料采用彈性本構(gòu)關(guān)系[19]，除樁基采用梁單元模擬外，其余結(jié)構(gòu)均采用實體單元。高鐵橋梁上部結(jié)構(gòu)均以等效荷載加載來模擬。

2.2 地質(zhì)參數(shù)

參考地質(zhì)資料，依據(jù)地質(zhì)資料中的土工試驗報告及地區(qū)經(jīng)驗，可確定土層相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，土層地質(zhì)參數(shù)簡化見表1。

表1 土層地質(zhì)參數(shù)

2.3 荷載工況

模擬分析過程之前應(yīng)對新建結(jié)構(gòu)前的初始狀態(tài)預(yù)先平衡后，再通過有限元軟件的激活、鈍化、改變屬性等功能來模擬分析施工過程，施工工況簡化見表2。

表2 模型分析工況

2.4 計算結(jié)果與分析

通過有限元計算分析，樁板橋路面結(jié)構(gòu)及荷載模擬完成后，高鐵橋墩沉降變形最大，見圖5。

圖5 樁板橋路面結(jié)構(gòu)及荷載模擬

(1)變形結(jié)果

新建工程施工引起高鐵橋墩各分析步沉降量見表3。

表3 各分析步橋墩沉降值 mm

如表3所示，清除地表階段，由于土體卸載作用，距離樁板結(jié)構(gòu)施工影響范圍最近的150號、151號、152號橋墩的隆起變形明顯，特別是道路中間151號橋墩隆起最為明顯，隆起值為0.74 mm，149號和153號橋墩距離施工影響范圍較遠，隆起變形數(shù)值較小，變形可忽略。隨著施工階段的進行，由于加載作用，橋墩變形由隆起變?yōu)槌两担瑯栋鍢蚵访娼Y(jié)構(gòu)及荷載模擬施工階段沉降量達到最值，最值為-1.07 mm。經(jīng)仿真分析得出149號～153號橋墩施工過程中的墩頂豎向滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》規(guī)范中規(guī)定的位移限值2 mm要求。

新建工程施工引起高鐵橋墩各分析步橫向水平位移見表4。

表4 各分析步橋墩橫向水平位移 mm

如表4所示，隨著施工階段的進行，距離樁板結(jié)構(gòu)施工影響范圍最近的150號、151號、152號橋墩的水平變形最值分別為0.21、-0.28、-0.37 mm。經(jīng)仿真分析得出，149號～153號橋墩施工過程中墩頂橫向滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》規(guī)范中規(guī)定的位移限值2 mm要求。

新建工程施工引起高鐵橋墩各分析步縱向水平位移見表5。

表5 各分析步橋墩縱向水平位移 mm

如表5所示，清除地表階段，由于土體卸載作用，位于樁板結(jié)構(gòu)外側(cè)的150號、152號橋墩發(fā)生背離工程方向的外傾式變形，變形最大值為-0.30 mm。在隨后的施工階段，由于加載作用，樁板結(jié)構(gòu)外側(cè)的150號、152號橋墩發(fā)生指向工程方向的內(nèi)傾式變形，變形最大值為-0.87 mm。位于樁板結(jié)構(gòu)中心位置處的151號橋墩，由于對稱作用，變形相對較小。經(jīng)仿真分析得出，149號～153號橋墩施工過程中的墩頂縱向滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》規(guī)范中規(guī)定的位移限值2 mm要求。

(2)單樁承載力

依據(jù)原設(shè)計施工圖初始資料，疊加新建結(jié)構(gòu)施工階段樁基附加承載力與樁基容許承載力比較結(jié)果見表6。

表6 樁基檢算結(jié)果 kN

3 監(jiān)測監(jiān)控

由于土的各向異性、流變性、應(yīng)力路徑的作用和時空效應(yīng)的特性[20]，以及在施工中由于地質(zhì)條件、荷載條件、材料性質(zhì)、施工技術(shù)和外界其他因素的復(fù)雜影響，可能導(dǎo)致仿真和實踐有出入，因此在仿真分析指導(dǎo)下須有計劃地進行現(xiàn)場監(jiān)測工作，以確保安全。

3.1 監(jiān)測方案

結(jié)合仿真分析結(jié)果，確定對施工影響范圍內(nèi)的5個橋墩墩臺橫向、縱向水平位移和豎向位移[9]3個方向逐墩進行觀測[21]。監(jiān)測范圍、基點和測點布置詳見圖6。

圖6 施工影響范圍內(nèi)高鐵橋墩監(jiān)測方案(單位：m)

3.2 實測數(shù)據(jù)

(1)監(jiān)測結(jié)果

現(xiàn)場監(jiān)測包括整個施工過程，整個施工過程直至監(jiān)測結(jié)束橋墩墩頂?shù)淖畲蟪两底冃螢?.03 mm，橋墩墩頂?shù)淖畲髾M向水平位移為0.88 mm，橋墩墩頂?shù)淖畲罂v向水平位移為0.75 mm，均滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》。由監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷，該樁板結(jié)構(gòu)施工過程對橋墩沉降變形影響較為敏感。

選取較為敏感的附加沉降變形數(shù)據(jù)進行詳細分析如下。

橋墩墩頂各施工階段的附加沉降量見表7。

表7 實測各施工階段附加沉降值 mm

根據(jù)實測結(jié)果，各施工階段橋墩墩頂變形符合先隆起后沉降的趨勢。臨近樁板橋的橋墩基礎(chǔ)變形明顯，樁板橋中間橋墩沉降變形最大，最大達1.03 mm。

各個橋墩的沉降變形，由圖7得出施工完成后至橋梁沉降數(shù)據(jù)穩(wěn)定時間約為15 d，且樁板橋路面結(jié)構(gòu)及荷載完成后橋墩沉降變形達到總沉降變形的65%，說明土體具有蠕變[22]的特點。

圖7 橋墩墩頂沉降時程曲線

選取151號橋墩各個施工階段沉降數(shù)值分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比，路基附加沉降的對比見表8。

表8 實測各施工階段附加沉降值 mm

由表8得出，仿真分析最終附加沉降結(jié)果為1.07 mm，實測最終附加沉降結(jié)果為1.03 mm，最終監(jiān)測結(jié)果和理論分析結(jié)果的一致性，證明了仿真分析結(jié)果的可靠性。理論分析數(shù)據(jù)波動為1.81 mm，實測結(jié)果數(shù)據(jù)波動為1.31 mm，證明理論分析數(shù)據(jù)波動性大于實測結(jié)果數(shù)據(jù)波動性。樁板橋路面結(jié)構(gòu)及荷載實測結(jié)果是相同施工階段仿真分析結(jié)果的62.6%，證明仿真分析是瞬時分析，各施工階段之間互不影響，而實際施工過程是連續(xù)動態(tài)的過程，由于地應(yīng)力緩慢釋放的作用存在各施工階段之間相互影響的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

采用有限元對樁板結(jié)構(gòu)下穿高鐵進行仿真分析，并將仿真分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比，得出如下結(jié)論。

(1)樁板結(jié)構(gòu)下穿施工導(dǎo)致影響范圍內(nèi)高鐵橋墩X、Y、Z三個方向不同程度的變形，變形大小分別為0.87、0.37、1.07 mm，實測數(shù)值分別為0.75、0.88、1.03 mm，均滿足新規(guī)范2 mm的指標約束條件，同時能滿足高鐵橋梁樁基受力要求；仿真分析結(jié)果和實測結(jié)果證明，在新規(guī)范指標約束，采用“以橋帶路”下穿高鐵簡支梁地段的設(shè)計、施工方案可行。

(2)施工完成后得到的實測附加沉降數(shù)值是實測最大附加沉降值的65%，施工完成后實測附加沉降數(shù)值是對應(yīng)施工階段仿真分析最大附加沉降值的62.6%，以上結(jié)果說明仿真分析具有瞬態(tài)特性且土體具有蠕變的特性。

(3)實測橋墩附加沉降最大值占仿真分析理論值的96.3%，仿真分析最終附加沉降為1.07 mm，實測最終附加沉降為1.03 mm，最終監(jiān)測結(jié)果和理論分析結(jié)果的一致性，證明了仿真分析結(jié)果的可靠性。理論分析數(shù)據(jù)波動為1.81 mm，實測結(jié)果數(shù)據(jù)波動為1.31 mm，證明理論分析數(shù)據(jù)波動性大于實測結(jié)果數(shù)據(jù)波動性。