摘要 為了準(zhǔn)確分析新建市政橋梁下穿工程對(duì)在建高鐵橋梁的影響，采用Midas GTS NX來(lái)建立三維空間模型，分析市政橋梁下穿工程施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程對(duì)在建高速鐵路既有橋墩變形的影響。研究表明：下穿橋梁搭設(shè)支架并現(xiàn)澆箱梁、通車(chē)運(yùn)營(yíng)階段對(duì)在建高鐵既有橋墩變形影響較大，施工便道施工與通行、樁基施工過(guò)程對(duì)在建高鐵既有橋墩變形影響較小，墩臺(tái)施工、修建過(guò)水渠及蓋板涵并通水過(guò)程對(duì)在建高鐵既有橋墩變形影響非常小，市政橋梁下穿施工及運(yùn)營(yíng)各階段，對(duì)在建高鐵既有橋墩變形的影響均處于可控范圍。

關(guān)鍵詞 高速鐵路；橋梁下穿；位移變形；有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào) U443.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）07-0078-03

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路事業(yè)的迅猛發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)絡(luò)日趨完善，截至2021年末，全國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到4萬(wàn)公里[1]。同時(shí)，隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷深入，各城鎮(zhèn)市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到了快速發(fā)展，新建工程與高速鐵路交叉的情況也時(shí)有發(fā)生。為了確保高鐵橋梁的結(jié)構(gòu)安全，需要下穿橋梁對(duì)在建高速鐵路橋梁的影響進(jìn)行分析。在下穿高速鐵路橋梁的項(xiàng)目中，施工主體多以管道、道路、橋梁等為主，目前也要相關(guān)學(xué)者做了一些分析研究工作[2-5]。

該文依托新建科院北路下穿在建福廈高鐵項(xiàng)目，通過(guò)數(shù)值模擬分析的方法研究新建市政橋梁施工及運(yùn)營(yíng)階段對(duì)在建高鐵橋梁的影響，為類(lèi)似下穿工程的實(shí)施提供一些參考。

1 工程概況

在建福廈高鐵是我國(guó)“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)中東南沿海高速鐵路的重要通道，項(xiàng)目北起福建省福州市，途經(jīng)莆田市和泉州市，南至廈門(mén)市和漳州市，連接起福建省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)，設(shè)計(jì)速度為350 km/h，采用無(wú)砟軌道。該次被下穿前埔特大橋橋跨布置為（36×32+2×24+4×

32）m簡(jiǎn)支箱梁。

新建科院北路為城市主干路，雙向六車(chē)道，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，項(xiàng)目下穿在建福廈高鐵前埔特大橋是重要的交叉節(jié)點(diǎn)工程。在交叉節(jié)點(diǎn)工程處，科院北路以橋梁的形式從福廈高鐵前埔特大橋35#～38#墩間分四幅下穿。

2 下穿方案設(shè)計(jì)

考慮涉鐵交叉相關(guān)要求，并考慮道路運(yùn)營(yíng)舒適性、施工方便、造價(jià)等方面的因素，同時(shí)注意造型美觀，與周?chē)沫h(huán)境協(xié)調(diào)，科院北路采用PC現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)形式下穿在建福廈高鐵。下穿橋梁由主線左橋、主線右橋、輔道左橋和輔道右橋共4幅組成，橋跨布置均為（20+30+20）m現(xiàn)澆箱梁。

科院北路下穿福廈高鐵橋采用雙向六車(chē)道，4幅橋橋長(zhǎng)均為77 m，主線左橋和主線右橋橋?qū)捑鶠?3.38 m，輔道左橋橋?qū)挒?.815 m，輔道右橋橋?qū)挒?0.815 m。其中，輔道左橋于前埔特大橋37#墩～38#墩之間下穿，交叉處前埔特大橋上部結(jié)構(gòu)為1×24 m簡(jiǎn)支箱梁，交叉角度86.3°，交叉處最小凈空8.23 m。主線左橋于前埔特大橋36#墩～37#墩之間下穿，交叉處前埔特大橋上部結(jié)構(gòu)為1×24 m簡(jiǎn)支箱梁，交叉角度86.5°，交叉處最小凈空7.88 m。主線右橋于前埔特大橋37#墩～38#墩之間下穿，交叉處前埔特大橋上部結(jié)構(gòu)為1×32 m簡(jiǎn)支箱梁，交叉角度86.5°，交叉處最小凈空7.87 m。輔道右橋于前埔特大橋37#墩～38#墩之間下穿，交叉處前埔特大橋上部結(jié)構(gòu)為1×32 m簡(jiǎn)支箱梁，交叉角度85.9°，交叉處最小凈空8.15 m。

同時(shí)，為了科院北路下穿福廈高鐵橋施工需要，在平行于高鐵橋墩2側(cè)設(shè)置2條施工便道，距離高鐵橋墩位置約為10 m。此外，為了滿足科院北路下穿福廈高鐵橋排水要求，在既有路基下設(shè)置1.8 m×1.6 m的蓋板線外涵，涵長(zhǎng)約16 m，在下穿福廈高鐵前埔特大橋34#墩～35#墩之間設(shè)置明溝，明溝頂凈寬2.8 m，底凈寬1 m，高1.5 m。

3 計(jì)算分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

為了更有針對(duì)性地對(duì)新建市政橋梁下穿在建高速鐵路橋梁的影響進(jìn)行分析，需要對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目下穿方案的詳細(xì)分析，下穿橋梁施工及運(yùn)營(yíng)階段主要存在6個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)一是便道施工對(duì)在建高鐵既有橋墩的影響。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)二是下穿橋梁樁基施工對(duì)在建高鐵既有橋墩的影響。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)三是下穿橋梁承臺(tái)與橋墩施工對(duì)在建高鐵既有橋墩的影響。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)四是下穿橋梁澆筑施工及通行對(duì)在建高鐵既有橋墩的影響。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)五是34#～35#墩間施工過(guò)水涵及水溝并通水狀態(tài)對(duì)在建高鐵既有橋墩的影響。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)六是橋梁運(yùn)營(yíng)對(duì)在建高鐵既有橋墩的影響。

3.2 計(jì)算方法

該次研究采用數(shù)值模擬分析的方法，對(duì)科院北路下穿福廈高鐵橋施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程對(duì)福廈高鐵樁基、承臺(tái)及橋墩的影響進(jìn)行分析。該次數(shù)值模擬分析采用Midas GTS NX進(jìn)行仿真建模，并分析交叉處的高鐵樁基、承臺(tái)及橋墩變形的變化規(guī)律，以此對(duì)其下穿工程施工對(duì)高速鐵路橋梁的影響作出評(píng)價(jià)。

3.3 有限元模型建立

為了能夠考慮了土體開(kāi)挖后土體硬化效應(yīng)，較好地描述土體和巖體在土體開(kāi)挖與回填作用下的力學(xué)響應(yīng)，該次有限元分析采用的巖體破壞準(zhǔn)則為修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)準(zhǔn)則，并根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告取用相應(yīng)巖土體物理力學(xué)參數(shù)。

科院北路下穿福廈高鐵橋全長(zhǎng)77 m，橋面寬度合計(jì)約46 m，與之相交的高鐵橋墩為34#～39#墩，共計(jì)6個(gè)橋墩。為了能夠很好地確保計(jì)算結(jié)果不受邊界效應(yīng)的影響，該次有限元計(jì)算模型尺寸中的深度需取到基巖層，長(zhǎng)度及寬度需取到核心計(jì)算區(qū)域結(jié)構(gòu)體范圍2倍以上，故該次所取計(jì)算模型尺寸為長(zhǎng)寬高分別為200 m×160 m×50 m，并據(jù)此建立了圖1所示有限元模型。

為了全面分析科院北路下穿福廈高鐵橋施工前后對(duì)前埔特大橋樁基、承臺(tái)及橋墩的影響，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施工程中的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，該次計(jì)算設(shè)置了如下8個(gè)施工階段：

（1）高鐵橋梁樁基、承臺(tái)和橋墩成橋狀態(tài)。

（2）下穿橋梁施工便道施工與通行。

（3）下穿橋梁樁基施工。

（4）下穿橋梁承臺(tái)與橋墩施工。

（5）下穿橋梁搭設(shè)支架并現(xiàn)澆箱梁。

（6）下穿橋梁澆筑完成成橋狀態(tài)（支架已拆除）。

（7）下穿橋梁修建過(guò)水渠及蓋板涵并通水階段。

（8）橋梁運(yùn)營(yíng)階段。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合該項(xiàng)目的6個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果提取將重點(diǎn)圍繞各施工階段中高鐵橋梁樁基、承臺(tái)及橋墩的變形進(jìn)行，并標(biāo)記墩頂最大值。通過(guò)分析計(jì)算，各施工階段高鐵橋墩墩頂各方向最大累計(jì)位移如表1所示。各施工階段各墩頂累計(jì)位移變化圖如圖2所示。

結(jié)合主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)科院北路下穿福廈高鐵橋施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程數(shù)值模擬分析，可得到如下計(jì)算結(jié)果：

（1）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)一（下穿橋梁便道施工階段）：下穿橋梁施工便道施工與通行過(guò)程中對(duì)高鐵橋墩變形影響較小，引起墩頂最大豎向累計(jì)位移為0.173 mm，位于37#墩；墩頂最大縱向水平累計(jì)位移為0.130 mm，位于35#墩；墩頂最大橫向水平累計(jì)位移為0.196 mm，位于37#墩。

（2）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)二（下穿橋梁樁基施工階段）：下穿橋梁樁基施工過(guò)程中對(duì)高鐵橋墩變形影響較小，引起最大的墩頂最大豎向累計(jì)位移為0.314 mm，位于37#墩；墩頂最大縱向水平累計(jì)位移為0.265 mm，位于38#墩；墩頂最大橫向水平累計(jì)位移為0.245 mm，位于37#墩。

（3）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)三（下穿橋梁承臺(tái)與橋墩施工階段）：下穿橋梁承臺(tái)與橋墩施工過(guò)程中對(duì)高鐵橋墩變形影響非常小，引起墩頂最大豎向累計(jì)位移為0.377 mm，位于37#墩；墩頂最大縱向水平累計(jì)位移為0.344 mm，位于38#墩；墩頂最大橫向水平累計(jì)位移為0.293 mm，位于37#墩。

（4）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)四（下穿橋梁澆筑施工階段）：下穿橋梁搭設(shè)支架并現(xiàn)澆箱梁階段對(duì)高鐵橋墩變形影響相對(duì)較大，引起的墩頂最大豎向累計(jì)位移0.815 mm，位于37#墩；墩頂最大縱向水平累計(jì)位移為0.755 mm，位于38#墩；墩頂最大橫向水平累計(jì)位移為0.394 mm，位于38#墩。

（5）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)五（施工過(guò)水涵及水溝并通水狀態(tài)）：修建過(guò)水渠及蓋板涵并通水過(guò)程中對(duì)高鐵橋墩變形影響非常小，引起的墩頂最大豎向累計(jì)位移0.609 mm，位于37#墩；墩頂最大縱向水平累計(jì)位移為0.614 mm，位于38#墩；墩頂最大橫向水平累計(jì)位移為0.330 mm，位于38#墩。

（6）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)六（橋梁運(yùn)營(yíng)階段）：橋梁運(yùn)營(yíng)階段對(duì)高鐵橋墩變形影響相對(duì)較大，引起墩頂最大豎向累計(jì)位移為1.156 mm，位于37#墩；墩頂最大縱向水平累計(jì)位移為1.111 mm，位于38#墩；墩頂最大橫向水平累計(jì)位移為0.308 mm，位于38#墩。

根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182—2017）中3.03條規(guī)定，下穿工程無(wú)砟軌道影響高速鐵路橋梁墩臺(tái)頂橫向水平位移、縱向水平位移和豎向位移限制均為±2 mm[6]。由高鐵橋梁墩臺(tái)頂各方向位移結(jié)果可知，橋梁下穿各施工及運(yùn)營(yíng)階段引起的墩頂最大豎向累計(jì)位移、縱向水平累計(jì)位移和橫向水平累計(jì)位移分別為1.156 mm、1.111 mm、0.394 mm，均小于2 mm，滿足規(guī)范相應(yīng)要求，上述各風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)均處于可控范圍。

4 結(jié)論與建議

（1）科院北路下穿福廈高鐵橋施工及運(yùn)營(yíng)階段對(duì)在建高鐵既有橋墩的影響均處于可控范圍，引起的福廈高鐵既有橋墩墩頂最大豎向累計(jì)位移為1.156 mm，最大縱向水平累計(jì)位移1.111 mm，最大橫向水平累計(jì)位移0.394 mm，均滿足位移限制要求。

（2）下穿橋梁搭設(shè)支架并現(xiàn)澆箱梁、通車(chē)運(yùn)營(yíng)階段對(duì)在建高鐵既有橋墩變形影響較大，施工便道施工與通行、樁基施工過(guò)程對(duì)在建高鐵既有橋墩變形影響較小，墩臺(tái)施工、修建過(guò)水渠及蓋板涵并通水過(guò)程對(duì)在建高鐵既有橋墩變形影響非常小，施工及運(yùn)營(yíng)各階段，對(duì)在建高鐵既有橋墩的影響均處于可控范圍。

（3）福廈高鐵前埔特大橋?yàn)樵诮üこ?，根?jù)有限元分析結(jié)果，因施工引起的墩頂最大豎向位移為1.156 mm。若該工程在福廈高鐵前埔特大橋架梁前完成，可由高鐵施工單位通過(guò)利用墊石厚度來(lái)調(diào)整；若在架梁后鋪軌前完成，可通過(guò)利用軌道結(jié)構(gòu)精調(diào)來(lái)調(diào)整。

（4）在下穿橋梁施工過(guò)程中，需加強(qiáng)施工過(guò)程安全管理，對(duì)受影響的在建高鐵既有橋墩應(yīng)實(shí)施全過(guò)程監(jiān)測(cè)，并采取可行的防護(hù)方案，如出現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時(shí)停止施工并進(jìn)行相應(yīng)處治。

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