葛德書

(遼寧省公路勘測設(shè)計公司 沈陽市 110006)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，現(xiàn)有的城市交通網(wǎng)絡(luò)已不適應(yīng)發(fā)展需求，尤其是既有鐵路限制了城市發(fā)展布局，需采用上跨或下穿方式實現(xiàn)鐵路兩側(cè)的連通。受城市發(fā)展規(guī)劃及周邊建筑物等的限制，框構(gòu)橋、U型槽等下穿方案更為符合實際需求，但框構(gòu)橋、U型槽的修建會對既有鐵路路基或橋梁產(chǎn)生不利影響，為確保既有鐵路線路的安全運營，使用科學(xué)方法分析其影響成為項目決策的前置條件。通過實證研究，為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

焦作市東海大道位于焦作市城區(qū)東部，道路呈南北走向，北起焦輝路(國道207)，南至S104(國道327)，線路全長20.08km，規(guī)劃為城市主干路，是焦作市規(guī)劃三環(huán)路的重要組成部分，承擔(dān)焦作市的貨運交通和過境交通。道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為四幅路型式，具體斷面布置形式為：5m人行道及非機動車道+4.5m邊綠化帶+15m機動車道+7m中央分隔帶+15m機動車道+4.5m邊綠化帶+5m人行道及非機動車道。

東海大道于K6+852處與鄭焦鐵路交叉，鄭焦鐵路里程K58+974.4，交角為86.1°。于K6+822.7處與既有新焦線交叉，既有新焦線里程K0+842.7，交角為85.3°。既有新焦線為雙線電氣化鐵路，軌道為60kg/m鋼軌，無縫線路，Ⅲ型鋼筋混凝土軌枕(1667根/km)。既有新焦線為繁忙鐵路干線，工程位于修武-待王區(qū)間，該區(qū)間每日開行客車5對，貨車142對，其中旅客列車最高時速120km/h。框架橋處新焦上行K47+717.2位于直線段，線路縱坡為焦作方向(大里程方向)3.6‰的上坡，新焦下行K47+717.2位于直線段，線路縱坡為焦作方向(大里程方向)3.9‰的上坡。

東海大道下穿既有新焦線采用框架橋頂進(jìn)施工，既有新焦線框架橋工作基坑位于既有新焦線北側(cè)，基坑外緣至鄭焦鐵路距離約40m，且中間相隔既有新焦線鐵路路基，東海大道下穿鄭焦鐵路采用U型槽。新焦鐵路、鄭焦鐵路、框構(gòu)橋及U型槽的平面位置關(guān)系見圖1，立面位置關(guān)系見圖2。

圖1 新焦鐵路、鄭焦鐵路、框構(gòu)橋及U型槽的平面位置關(guān)系圖(單位：m)

圖2 新焦鐵路、鄭焦鐵路、框構(gòu)橋及U型槽的立面位置關(guān)系圖(單位：m)

框構(gòu)橋頂進(jìn)施工前，需于鄭焦鐵路北側(cè)開挖工作基坑，基坑四周設(shè)置止水帷幕，并沿橋梁兩側(cè)各200m范圍內(nèi)設(shè)置止水帷幕，配合橋下注漿的方式在基坑周圍形成閉合止水墻配合混凝土封底進(jìn)行止水處理?；谆炷练獾淄瓿珊筮M(jìn)行頂進(jìn)滑板、后背墻、后背樁及框架主體的施工?；臃浪盎靥幚硪妶D3。

圖3 基坑防水及基地處理示意圖

設(shè)計框架橋涵共計三部分：主體采用14.5m+(18.15+18.15)m+11m三孔布置框架橋。箱體銳角為86°。工作坑設(shè)置在線路北側(cè)，由北向南頂進(jìn)施工?？蚣茼敯搴駷?.05m，底板厚為1.25m，邊墻厚為1.05m，中墻厚為1.2m?？蚣軆舾叩拇_定考慮道路使用高度、箱體加肋影響、道路縱橫坡影響、道路路面厚度、道路下埋設(shè)管線影響和頂進(jìn)誤差等因素，按7.5m設(shè)計。橋下道路使用凈高不小于5.5m，框架總高9.8m?？蚣軜蜓罔F路方向總長為72.86m，沿道路中線方向總長16.05m，鐵路軌底距框架頂板頂面最小距離為0.8m(含保護(hù)層厚度)[1-3]。頂進(jìn)框架橋具體尺寸見圖4。

注：除高程單位為m，其余單位為cm

2 施工過程

項目的施工可分為兩個部分，即框構(gòu)橋頂進(jìn)和U型槽施工?？驑?gòu)橋的施工工序為：修建止水帷幕-基坑開挖-頂進(jìn)作業(yè)?？驑?gòu)橋施工完成后，進(jìn)行U型槽施工，為保證鄭焦鐵路橋梁的安全，U型槽施工需分為5個區(qū)域進(jìn)行，即開挖既有橋中心位置U型槽(1區(qū)域)；開挖完成后進(jìn)行U型槽施工，施工完成后將U槽內(nèi)填土至道路路面高程；待第一節(jié)U槽施工完成后進(jìn)行既有線左、右兩側(cè)U槽開挖(2和3區(qū)域)，隨著開挖進(jìn)行，在區(qū)域1已施工U型槽上壓重；開挖完成后進(jìn)行U型槽施工，施工完成后將U槽內(nèi)填筑路面至路面高程；待1、2和3節(jié)U槽施工完成后進(jìn)行4和5區(qū)域基坑同時開挖，隨著開挖進(jìn)行，在區(qū)域2和3已施工U型槽上壓重；開挖完成后進(jìn)行U型槽施工，施工完成后將U槽內(nèi)填土至道路路面高程；完成后將U型槽上壓重分批、對稱撤下。U型槽分段方式見圖5。

圖5 U型槽施工方案布置圖

3 風(fēng)險源分析

東海大道采用框構(gòu)橋下穿新焦鐵路，框架橋施工過程中，會對鄭焦鐵路(高速鐵路)既有橋梁結(jié)構(gòu)有一定影響。為了評估框構(gòu)橋施工方案的合理性，避免高速鐵路既有橋梁在框構(gòu)橋施工期間出現(xiàn)異常，需首先找出潛在風(fēng)險源，然后針對各風(fēng)險因素進(jìn)行分析研究。

經(jīng)風(fēng)險分析，潛在風(fēng)險源為框架橋頂進(jìn)下穿既有新焦線施工對鄭焦鐵路橋墩影響。針對潛在風(fēng)險源，對框架橋頂進(jìn)施工過程中由于土層受力狀態(tài)變化引起鄭焦鐵路橋梁橋墩位移變化進(jìn)行研究。

4 研究方法

目前，國內(nèi)外關(guān)于施工和運營引起地層變形的預(yù)測分析方法有很多種，主要有經(jīng)驗法、解析法、有限元法等。其中經(jīng)驗法及解析法多是針對地下工程施工引起地層變形的情況提出，而有限元法能考慮復(fù)雜的邊界條件，模擬復(fù)雜的巖土介質(zhì)的特性，能夠動態(tài)模擬工程的實際建造過程，模擬空間效應(yīng)和求解復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問題[4]。本項目針對施工和運營過程中，土層受力狀態(tài)變化引起鐵路橋墩位移變化，此部分，采用PLAXIS巖土有限元軟件，模擬框架橋頂進(jìn)下穿既有新焦線施工對鄭焦鐵路橋梁的影響，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范給出評價和建議。

5 框架頂進(jìn)模型建立及計算工況分析

5.1 既有新焦線框架頂進(jìn)模型

(1)土體

綜合考慮邊界效應(yīng)及計算效率，以橋梁2號橋墩中間為中心，240m×160m×85m范圍內(nèi)土體建立模型。

(2)單元的選取

土層采用實體單元；鄭焦鐵路橋墩和承臺采用實體彈性單元；鉆孔灌注樁采用樁單元模擬；頂進(jìn)框架采用板單元模擬。

(3)邊界及荷載

土體四周邊界采用水平約束，底邊界采用豎向約束；定義改變屬性邊界條件模擬橋墩、承臺、頂進(jìn)框架在施工過程中實體屬性改變的情況；鄭焦鐵路跨東海大道成橋荷載以面壓力荷載的形式分別施加于承臺頂。

模型劃分為114497單元，162885節(jié)點。計算模型見圖6。

圖6 結(jié)構(gòu)計算模型(框構(gòu)橋)

5.2 計算工況分析

具體計算工況如表1所示。

表1 計算工況

6 框架橋頂進(jìn)計算結(jié)果及分析

橋梁0～4號墩臺豎向位移和相鄰墩沉降差計算結(jié)果見表2。

由表2可知，既有新焦線框構(gòu)橋頂進(jìn)施工會使鄭焦鐵路橋墩產(chǎn)生位移，對2號墩影響最大。在框構(gòu)橋頂進(jìn)施工過程中，2號橋墩墩頂沉降最大發(fā)生在框架頂進(jìn)后，沉降為向上1.13mm；U型槽施工過程中，2號橋墩墩頂沉降最大發(fā)生在基坑開挖過程中，沉降為向上2.16mm；全部施工完成后，絕對沉降為向上0.38mm，相鄰墩沉降差為0.19mm。

表2 0～4號墩臺豎向位移計算結(jié)果(單位：mm)

參考《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》中3.0.3規(guī)定，本項目高速鐵路為有砟鐵路，墩臺頂位移限值為3mm，框構(gòu)橋施工對高速鐵路橋的影響小于規(guī)范規(guī)定限值[5]。

為確保鄭焦鐵路的運營安全，建議施工期間對既有橋梁進(jìn)行監(jiān)控測量。根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合規(guī)范要求及工程實際特點，綜合考慮施工誤差、測量儀器的監(jiān)測精度和列車行走對軌道、地面的隨機影響，確定變形控制值，建議將控制值的70%作為預(yù)警值，控制值的85%作為警報值。

7 結(jié)語

鐵路橋涵或公路橋涵等構(gòu)造物距頂進(jìn)法施工的框構(gòu)橋距離較近時，框構(gòu)橋的頂進(jìn)會對既有構(gòu)造物產(chǎn)生不利影響，為確保構(gòu)造物的安全運營，應(yīng)科學(xué)計算，以定量分析為主，定量與定性相結(jié)合，為決策者提供科學(xué)依據(jù)。