賈一全 JIA Yi-quan

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司杭州院，杭州 730050）

0 引言

隨著交通路網(wǎng)的不斷完善及擴(kuò)展，道路與鐵路在平面上的交匯越來(lái)越多，目前大致分上跨、下穿、平交三種模式。其中道路下穿鐵路模式中，往往受限條件眾多，如鐵路橋下凈空、道路與鐵路中心線交角、地質(zhì)情況以及鐵路安全保護(hù)范圍等因素，導(dǎo)致道路下穿鐵路橋的形式多樣化。規(guī)范[1]中列出在道路下穿既有鐵路橋梁情況下，受橋下凈空、地質(zhì)條件等因素影響，按梁橋、樁板、路基順序選擇道路過(guò)軌形式。

而目前較為常用的下穿既有鐵路橋形式為樁板結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)造價(jià)相對(duì)低，施工工藝成熟，受力合理，且完工后道路運(yùn)營(yíng)對(duì)既有鐵路的影響較小，尤其在地質(zhì)條件相對(duì)較差的情況下，頗受歡迎。文獻(xiàn)[2]中通過(guò)具體的工程實(shí)例分析了樁板結(jié)構(gòu)下穿既有高鐵橋梁中其附加荷載、撞擊力對(duì)橋墩的影響；文獻(xiàn)[3]通過(guò)三維有限元模擬分析了簡(jiǎn)支梁橋和樁板結(jié)構(gòu)對(duì)高速鐵路橋的影響；文獻(xiàn)[4]以具體工程實(shí)例通過(guò)對(duì)前期規(guī)劃、施工預(yù)控措施以及工程管理等方面進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[5]結(jié)合具體施工過(guò)程詳細(xì)分析了樁板結(jié)構(gòu)各施工工況對(duì)鐵路橋墩的影響。

本文以樁板結(jié)構(gòu)結(jié)合路基形式下穿既有鐵路實(shí)際工程案例，通過(guò)建立三維有限元數(shù)值模型，分析整個(gè)施工全過(guò)程對(duì)既有鐵路橋梁的變形影響。

1 工程概況

新建公路等級(jí)為二級(jí)，寬21m，雙向四車(chē)道，由西向東分別穿越既有高速鐵路1處，在建高速鐵路1處以及普速鐵路1處，穿越處鐵路均為橋梁區(qū)段，道路中心線與既有高速鐵路中心線交角為63°。穿越處既有鐵路橋梁均為連續(xù)梁橋的主跨，其中在建橋梁均尚未架梁。由于穿越處土層起伏較大，沿道路方向，由西向東淤泥層厚度由16m逐漸變化至4m，且既有高速鐵路橋下凈空僅有5.32m（道路凈空按≥5.0m控制），故選擇樁板結(jié)構(gòu)下穿既有高速鐵路，路基形式下穿在建鐵路橋梁。

其中樁板結(jié)構(gòu)采用兩聯(lián)，尺寸為（3×15+2×15）m，總長(zhǎng)75m，樁基采用直徑1.0m鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

路基段軟土地基處理采用直徑為60cm水泥攪拌樁復(fù)合地基，樁中心間距1.0m，平面呈矩陣式布置，單樁樁長(zhǎng)4m~16m。

2 數(shù)值建模

根據(jù)現(xiàn)行法律法規(guī)、規(guī)范要求，道路下穿既有鐵路工程中，鐵路變形控制值需在一定范圍內(nèi)，嚴(yán)禁一切行為導(dǎo)致既有鐵路變形超過(guò)控制值。該項(xiàng)目所在鐵路區(qū)間范圍內(nèi)為高速鐵路，無(wú)砟軌道，故鐵路橋墩水平、豎向位移以及橋墩相鄰沉降差的變形控制標(biāo)準(zhǔn)均為2mm。

采用有限元軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析該樁板結(jié)構(gòu)結(jié)合路基段全過(guò)程施工中對(duì)既有、在建鐵路橋的影響,地質(zhì)土層參數(shù)如表1所示。模型中土體采用常規(guī)的修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)，橋梁實(shí)體則采用彈性本構(gòu)。樁基礎(chǔ)均添加樁界面單元，用來(lái)模擬樁基施工過(guò)程中與樁周土體的相互作用效果。模型的整體尺寸為：X方向190m，Y方向140m，Z方向60m。

表1 地質(zhì)參數(shù)表

計(jì)算結(jié)果顯示，該涉鐵段道路工程實(shí)施的全過(guò)程對(duì)既有鐵路、在建鐵路均產(chǎn)生變形影響。而路基段軟基處理工況中，對(duì)既有、在建鐵路橋的影響相對(duì)樁板結(jié)構(gòu)施工對(duì)鐵路的影響較大。

圖1 道路下穿既有鐵路平面圖

圖2 軟基處理形式

其中既有高鐵最大變形量位于3#墩處，墩頂最大值為橫橋向0.586mm，順橋向0.305mm，沉降變形為0.314mm，承臺(tái)最大值為橫橋向0.492mm，順橋向0.270mm，沉降變形為0.337mm；在建鐵路橋梁最大變形位于高鐵8#墩處，墩頂最大值為橫橋向4.086mm，順橋向6.337mm，沉降變形為3.068mm，承臺(tái)最大值為橫橋向1.484mm，順橋向2.110mm，沉降變形為4.422mm。

圖3 三維數(shù)值模型

表2~表3中列出了全過(guò)程施工模擬計(jì)算中每條鐵路橋梁墩、承臺(tái)頂累積變形最大值。

表2 全過(guò)程施工累積變形量（墩頂）

表3 全過(guò)程施工累積變形量（承臺(tái)頂）

與鐵路變形控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照，既有鐵路變形累計(jì)值均在控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，而在建高鐵8#、9#墩承臺(tái)相鄰沉降差為5.24mm，其值超出了高速鐵路無(wú)砟軌道靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值5mm。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

樁板結(jié)構(gòu)施工中對(duì)既有鐵路橋的影響主要在結(jié)構(gòu)樁基施工中，故規(guī)范[1]中對(duì)新建樁基距離既有鐵路承臺(tái)樁基的距離有相關(guān)要求。而軟基處理中采用的形式，深度，范圍均對(duì)土體會(huì)產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)，從而影響鄰近鐵路橋發(fā)生變形。

本工程中，在普速鐵路橋下路基段由于地質(zhì)情況相對(duì)較好，沒(méi)有采取復(fù)合地基處理措施，但該段填筑高度相對(duì)較大，最大填筑高度約2m，而路基壓實(shí)過(guò)程中施工機(jī)械的振動(dòng)也會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生影響，從而引起鐵路橋墩、臺(tái)的變形。故結(jié)合數(shù)值模型結(jié)果，提出兩種優(yōu)化方案。

①結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

根據(jù)工程實(shí)際條件，取消軟土復(fù)合地基處理措施，道路下穿既有、在建高鐵段均采用樁板結(jié)構(gòu)形式。

②軟基處理優(yōu)化。

下穿在建高鐵橋處仍采用路基形式，軟基處理保留直徑0.6m水泥攪拌樁以及樁長(zhǎng)不變，但在確保地基承載力滿足相關(guān)要求的情況下，將水泥攪拌樁平面布置形式調(diào)整為三角梅花形布置形式，且樁間距為1.3m，路基填筑段選用輕質(zhì)泡沫混凝土。

將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行數(shù)值建模分析，優(yōu)化前后對(duì)在建高鐵橋墩的變形影響見(jiàn)表4~表5所示。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，以樁板結(jié)構(gòu)形式下穿鐵路橋梁施工過(guò)程中對(duì)既有鐵路橋的變形影響大大降低。而軟基處理優(yōu)化后，其相鄰橋墩承臺(tái)沉降差為4.26mm，相鄰橋墩沉降差為2.074mm，均滿足高速鐵路無(wú)砟軌道靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限制標(biāo)準(zhǔn)，但全過(guò)程施工中仍舊是軟基處理工況對(duì)鐵路橋梁影響相對(duì)較大。

表4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

①道路下穿既有鐵路橋梁時(shí)，在受橋下凈空、地質(zhì)情況的影響下，優(yōu)先采用樁板結(jié)構(gòu)形式。

②通過(guò)三維數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，道路采用軟基處理施工階段對(duì)既有鐵路橋梁的影響較大，其相鄰橋墩承臺(tái)的沉降差超出了高速鐵路無(wú)砟軌道靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值5mm。而若在保證地基承載力滿足的情況下，優(yōu)化軟基處理的布置方式或形式，則可以大幅度降低軟基處理施工中對(duì)既有鐵路橋的變形影響。

③由于高鐵橋梁變形控制較嚴(yán)格，為保證鐵路安全運(yùn)營(yíng)，結(jié)合數(shù)值分析以及以往類(lèi)似工程的施工情況來(lái)看，樁板結(jié)構(gòu)全過(guò)程施工中對(duì)既有鐵路橋的影響較小，在可控范圍內(nèi)，但新建樁基距離既有鐵路橋梁樁基須確保安全距離。