田佳成 TIAN Jia-cheng

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司杭州院，杭州 310000）

0 引言

隨著我國高鐵運營里程的逐步增加以及城市不斷的外擴(kuò)發(fā)展，下穿高鐵橋梁的道路工程數(shù)量不斷增多。2018年4 月國家鐵路局頒布的《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB10182-2017）[1]（以下簡稱《下穿規(guī)程》）對于路基結(jié)構(gòu)、U 型槽結(jié)構(gòu)、樁板結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等不同道路下穿方案的適用條件及限制性因素都進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。我國高鐵設(shè)計時速達(dá)到了300~350km/h，2021 年6 月國家鐵路局頒布的《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測規(guī)程》（TB10314-2021）[2]對于高鐵橋墩的位移變化范圍做出了嚴(yán)格的規(guī)定，因此各種下穿方案對橋墩的位移影響成為極其重要的比選因素。

1 工程概況

新建某道路需從既有杭深鐵路某大橋的11#和12#墩之間下穿，11#和12#墩均位于淤泥質(zhì)地層上，由于淤泥質(zhì)地層的特性，下穿道路可能影響杭深鐵路的安全性。此外，靠近12#墩有一地方防洪堤壩，本工程設(shè)計仍保留?？紤]到施工作業(yè)時，需對既有防洪堤壩進(jìn)行部分開挖，可能造成堤壩失穩(wěn)，同步導(dǎo)致臨近高鐵橋墩發(fā)生變形，危及高鐵安全運營，現(xiàn)場位置示意如圖1。

圖1 現(xiàn)場位置示意圖

根據(jù)地勘資料，場地主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、細(xì)圓礫土、全風(fēng)化凝灰?guī)r等組成，地下水主要為為第四系孔隙潛水。各土層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

②-1 粉質(zhì)黏土層：灰黃色，軟可塑狀，干強(qiáng)度中等，韌性中等，具中等壓縮性。

②淤泥：灰色，流塑，切面較光滑，高韌性，干強(qiáng)度高，搖振無反應(yīng)，土質(zhì)不均。該層物理力學(xué)性質(zhì)較差，具高壓縮性。

③粉質(zhì)黏土層：灰褐色，硬可塑，干強(qiáng)度中等，中等韌性，切面較光滑，搖振無反應(yīng)，土質(zhì)不均。該層物理力學(xué)性質(zhì)一般，具中等壓縮性。

④細(xì)圓礫層：灰黃色，顆粒呈亞圓形、中風(fēng)化該層力學(xué)性質(zhì)好，但層頂埋深較深。

2 方案比選

本工程下穿鐵路段道路為直線，與鐵路中心線夾角為80°，涉鐵段總長84.0m，縱坡為0.65%，建成后鐵路橋下凈空＞5.7m。新建道路橫斷面布置為：3.0m 人行道+2.0m 非機(jī)動車道+14.0m 機(jī)動車道。

《下穿規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定：“下穿工程采用鉆孔樁時，其與高速鐵路橋梁基礎(chǔ)樁的中心距在軟黏土等不良土層時，不宜小于6 倍下穿工程樁徑”、“除橋梁外，其他下穿工程結(jié)構(gòu)邊緣線投影不應(yīng)侵入高速鐵路橋梁承臺”、“橋梁、樁板結(jié)構(gòu)、路基護(hù)欄外側(cè)與高速鐵路橋墩的凈距不宜小于2.5m”。

結(jié)合本工程地質(zhì)勘察報告，由于有不良土層（淤泥層，厚約5m），且路基填方高度較高（4.0～5.0m）（《下穿規(guī)程》規(guī)定“路基填筑高度不大于1m 且地基土承載力大于180kPa 時才可采用路基方式下穿”），道路不應(yīng)采用路基結(jié)構(gòu)下穿既有鐵路，因此對樁板結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)兩個方案進(jìn)行比選。

2.1 樁板結(jié)構(gòu)

樁板結(jié)構(gòu)布跨采用3×8.0m+3×8.0m+3×8.0m=72.0m（不含伸縮縫），寬度20.0m（包含兩側(cè)防撞護(hù)欄），板厚0.7m，下部結(jié)構(gòu)采用φ0.8m 鉆孔灌注樁[3][4]。

表2 方案比選表

樁板結(jié)構(gòu)防撞護(hù)欄外邊距離鐵路11#橋墩邊緣最近距離為3.51m, 距離鐵路12#橋墩邊緣最近距離為4.96m。最外側(cè)鉆孔灌注樁中心距離既有鐵路11#橋墩樁中心最近為5.16m, 距離既有鐵路12#橋墩樁中心最近為6.48m。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)

由于本工程堤壩放坡處橋梁支座不能埋入土中，布跨采用1-20.0m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁+（15.0+25.0+15.0）m混凝土連續(xù)剛構(gòu)形式。

下穿鐵路段橋梁上部結(jié)構(gòu)（15.0+25.0+15.0）m 混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋中支點梁高2.2m，中支點兩側(cè)各6.0m 范圍梁高采用折線進(jìn)行過度，跨中梁高1.0m，中支點寬度2.0m。下部結(jié)構(gòu)采用φ1.2m 鉆孔灌注樁。

橋梁防撞護(hù)欄外邊距離鐵路11#橋墩邊緣最近距離為3.51m，距離鐵路12#橋墩邊緣最近距離為4.96m。最外側(cè)鉆孔灌注樁中心距離既有鐵路11#橋墩樁中心最近為7.58m，距離既有鐵路12#橋墩樁中心最近為7.44m。

3 數(shù)值模擬分析

經(jīng)驗法只能對施工期間及結(jié)束后的高鐵橋墩位移、防洪堤壩穩(wěn)定性有一個大致的判斷，不能較準(zhǔn)確地估量出具體數(shù)值，也不能考慮三維運動狀態(tài)下的土體擾動行為對高鐵橋墩及防洪堤壩的影響，而數(shù)值模擬方法的出現(xiàn)使我們對土體及上部結(jié)構(gòu)物的位移變形特性的模擬變得簡單。通過有限元進(jìn)行分析時，主要有以下三個步驟：

①結(jié)構(gòu)離散化：結(jié)構(gòu)離散化就是將結(jié)構(gòu)分成有限個小的單元，單元與單元、單元與邊界之間通過節(jié)點連接。結(jié)構(gòu)離散化是有限元分析的第一步，關(guān)系到計算精度與計算效率，是有限元的基礎(chǔ)步驟，包括以下三個方面：選擇單元類型；網(wǎng)格劃分；節(jié)點編號。

②單元分析：通過對單元的力學(xué)分析建立單元剛度矩陣。

③整體分析：整體分析包括形成整體荷載列陣；形成整體剛度矩陣，得到總體平衡方程；引入邊界條件，求解總體平衡方程，求出節(jié)點位移。

表3 12# 橋墩頂累計位移匯總

表4 提壩累計位移匯總

本次數(shù)值模擬計算分析了在考慮下穿道路上部高速鐵路列車運營荷載作用下，防洪堤壩開挖、道路施工、道路運營等工況對既有杭深鐵路安全運營的影響，選取下穿道路施工涉鐵范圍內(nèi)的巖土體和結(jié)構(gòu)物建立有限元計算模型。為考慮模型邊界效應(yīng)的影響，選取該計算模型的尺寸為：長（y 向）90m，寬（x 向）90m，高（z 向）50m，模型長、寬尺寸的選取原則是約11#橋墩和12#橋墩縱橋向距離的3倍，高度尺寸的選取原則約為鉆孔灌注樁入土深度的1.5倍。模型邊界條件為靜力邊界條件，具體為：模型底部施加完全固定約束，側(cè)面施加法向固定約束，不施加切向約束；模型上表面為自由邊界，無約束。該計算模型的土體采用修正的Mohr-Coulumb 本構(gòu)模型模擬，高鐵橋墩及樁基、樁板結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型模擬。土體計算參數(shù)結(jié)合本工程地質(zhì)勘察報告、工程地質(zhì)手冊及當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)經(jīng)驗進(jìn)行選取，取值以偏安全為原則。

為從整體上把握兩個方案的實施對既有高鐵的影響，結(jié)合工程地質(zhì)條件等，選用有限元軟件MIDAS/GTS NX 建立數(shù)值計算模型，以樁板結(jié)構(gòu)下穿為例[5]，共設(shè)置了4 個工況，分別為：

①工況1：橋墩施工場地應(yīng)力場平衡；

②工況2：堤壩開挖；

③工況3：樁板結(jié)構(gòu)樁基施工；

④工況4：道路運營階段荷載施加。

在本次數(shù)值計算分析中，根據(jù)施工工序?qū)⒂嬎愎r主要劃分如下：首先，對施工前原場地進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計算，即初始地應(yīng)力場模擬，計算得到施工前地基土體的應(yīng)力與位移狀態(tài)，將位移場清零；隨后，鈍化橋墩樁基附近土體，激活樁單元、承臺單元和橋墩單元，模擬橋墩施工后的地應(yīng)力場，同樣保留應(yīng)力狀態(tài)，將位移場清零；隨后進(jìn)行防洪堤壩開挖，鈍化需要開挖部分的單元進(jìn)行模擬；然后，開展道路施工的模擬，即激活路面單元及相應(yīng)樁單元；最后，激活汽車荷載模擬道路運營對橋墩及堤壩變形的影響。

堤壩開挖后有向臨空面方向的位移，但在橋墩附近土體由于橋墩的自重影響，位移趨勢不明顯；開挖較深處回彈較大，且靠近臨空面土體豎向沉降更大，受影響范圍更廣。

從上述比較可知，無論方案一、方案二引起的橋墩墩頂在水平位移和豎向沉降均在高鐵橋墩位移（3mm）的要求范圍內(nèi)，但方案二橋面嵌入防洪堤壩的體積更大，即需要對堤壩的開挖量更大，引起的高鐵12#橋墩墩頂位移遠(yuǎn)大于方案一引起的位移。

4 結(jié)論和建議

本文以某道路下穿高鐵為例，首先介紹了《下穿規(guī)程》中各種方案的要求，然后著重闡述了“樁板結(jié)構(gòu)”與“橋梁結(jié)構(gòu)”在設(shè)計過程中應(yīng)重點考慮的內(nèi)容，最后通過有限元軟件分析了兩個方案對高鐵橋梁的影響。

主要結(jié)論如下：

①在滿足《下穿規(guī)程》相關(guān)橋墩凈距、樁間距等要求的基礎(chǔ)上，“樁板結(jié)構(gòu)”與“橋梁結(jié)構(gòu)”對高鐵橋墩的位移影響均在控制范圍；②方案比選應(yīng)著重根據(jù)不同項目的控制性因素，如周圍建筑物影響、造價預(yù)算等進(jìn)行考慮。

圖2 整體模型圖