余 清

(寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750001)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得舉世矚目的成就,尤其是公路、鐵路建設(shè)步入了前所未有的快速發(fā)展時(shí)期,但土地資源緊張、交通走廊帶稀缺也是我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)一直面臨的客觀現(xiàn)實(shí)。在交通走廊帶愈發(fā)緊缺的局面下,公路、鐵路的建設(shè)避免不了產(chǎn)生公鐵交叉。對于新建公路工程下穿既有鐵路時(shí),常采用穿越的方式有路基結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)和樁板結(jié)構(gòu)[1],但不論采用何種方式下穿,在原有地層施工或地面上增加荷載都不可避免地?cái)_動其原有的平衡狀態(tài),引起地層土體擾動,導(dǎo)致地層發(fā)生附加沉降及不均勻變形、土體水平位移等一系列巖土工程問題,進(jìn)而對臨近建構(gòu)筑物產(chǎn)生附加應(yīng)力,使其發(fā)生附加變形等結(jié)構(gòu)安全問題。

針對新建公路下穿鐵路橋梁的建設(shè)方案,國內(nèi)專家學(xué)者們進(jìn)行了不同方向的研究。湛敏等[2]以東臺市城際快速路工程下穿鹽通高鐵路項(xiàng)目為依托,通過對橋梁結(jié)構(gòu)、樁板結(jié)構(gòu)以及路基+半U(xiǎn)形槽復(fù)合結(jié)構(gòu)三種下穿方案進(jìn)行綜合評價(jià)對比,指出在新建公路下穿高鐵時(shí),應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程特點(diǎn)進(jìn)行方案比選。畢乾等[3]借助實(shí)際工程項(xiàng)目研究發(fā)現(xiàn),新建公路下穿既有鐵路時(shí),下穿構(gòu)筑物的施工會對鐵路橋墩產(chǎn)生一定的影響,而采取有效的工程防護(hù)措施可以大幅度減小其影響程度和范圍。賈一全[4]以一條新建二級道路穿越既有高速鐵路和在建高速鐵路為例,分析了采用樁板結(jié)構(gòu)方案和路基方案對既有高鐵的影響,結(jié)果表明,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。楊紅春[5]也通過對兩種下穿結(jié)構(gòu)(樁板結(jié)構(gòu)和路基結(jié)構(gòu))進(jìn)行研究分析,再次明確了采用樁板結(jié)構(gòu)更有利于對鐵路沉降變形的控制。樁板結(jié)構(gòu)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、受力明確,結(jié)構(gòu)剛度、穩(wěn)定性好,地質(zhì)條件要求低,對鐵路橋梁影響小等優(yōu)點(diǎn),在此類工程中應(yīng)用最為廣泛。

1 工程概況

1.1 工程介紹

灌陽至平樂高速公路位于廣西壯族自治區(qū)東北部區(qū)域,屬桂林市境內(nèi)。路線總體呈南北走向,路線起點(diǎn)與廈蓉高速公路灌陽至全州段相接,向南經(jīng)灌陽縣、恭城瑤族自治縣、平樂縣,終點(diǎn)與包茂高速公路陽朔至平樂段相接。項(xiàng)目采用四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)修建,設(shè)計(jì)速度120 km/h,路基寬度26.5 m,路線全長24.211 km,于K104+205位置與既有貴廣高鐵交叉。貴廣高鐵是連接貴陽市與廣州市的區(qū)際高速鐵路,設(shè)計(jì)速度300 km/h,于2014年底全線通車運(yùn)行。道路下穿貴廣高鐵處鐵路相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)行車速度250 km/h(預(yù)留進(jìn)一步提速條件),橋面為雙塊式無砟軌道,設(shè)計(jì)列車活載采用ZK標(biāo)準(zhǔn)活載,橋梁為雙線橋,線間距為4.8 m。擬建高速在貴廣高鐵高坡村苦竹河雙線大橋10～12號墩段下穿,苦竹河雙線大橋孔跨布置為1×24+10×32+2×24 m,橋長412.109 m,其中第11跨為32 m簡支箱梁,第12跨為24 m簡支箱梁,橋墩采用雙線圓端型實(shí)體墩,鉆孔柱樁基礎(chǔ),該段橋梁橋墩設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 高坡村苦竹河雙線大橋 10#～12#墩相關(guān)參數(shù)表

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報(bào)告可知,橋址區(qū)地層自上而下如表2所示。

表2 高坡村苦竹河雙線大橋 10#～12#墩相關(guān)參數(shù)表

場地內(nèi)地帶地表覆土較厚,局部丘坡基巖零星出露,未見明顯的構(gòu)造痕跡,段內(nèi)地層為單斜構(gòu)造,由于受附近斷層影響,巖層扭曲現(xiàn)象嚴(yán)重,巖層產(chǎn)狀主要為:N25°E/26°SE,N-S/35°E,N25°W/35°N,節(jié)理、裂隙較發(fā)育,節(jié)理產(chǎn)狀為:E-W/90°、N-S/90°、N65°W/90°。

1.3 設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目在K104+204.75(ZK104+202.00)處采用分離式路基利用既有橋孔下穿貴廣鐵路高坡村苦竹河雙線大橋,在第11、12跨處下穿,其中第11跨為32 m簡支箱梁,第12跨為24 m簡支箱梁。下穿貴廣高鐵采用(10+10+13+10+10)m樁板結(jié)構(gòu),公路與鐵路交角為86°,樁板結(jié)構(gòu)按正交設(shè)置。上部板結(jié)構(gòu)采用C40鋼筋混凝土,抗?jié)B等級P8。板厚0.9 m,板與樁連接處設(shè)置1.2 m×0.6 m加厚倒角。樁基采用C30水下混凝土結(jié)構(gòu),樁徑為1.0 m,樁長為20～23 m。下穿貴廣高鐵處橫斷面:設(shè)上下行雙向四車道,分左右兩側(cè)設(shè)置,左幅W=0.60(SS級防撞護(hù)欄)+12.05 m(行車道)+0.60 m(SS級防撞護(hù)欄)=13.25 m,右幅對稱設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)凈高均滿足《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002—2017)的要求。

2 有限元數(shù)值模型分析

2.1 模型概述

采用midas GTS NX三維有限元計(jì)算軟件,建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型,分析地層和結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形情況,采用施工階段法仿真分析公路橋梁樁基開挖、澆筑、板梁施工、橋面鋪裝及運(yùn)營各階段對既有高鐵橋梁的影響,依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)評定既有高鐵變形能否滿足運(yùn)營安全要求,以指導(dǎo)公路合理有序施工,保障鐵路運(yùn)營安全。計(jì)算模型縱向長100 m,橫向長120 m,模型底部取至地表以下50 m,涵蓋高鐵橋梁、公路樁板橋及其樁基。模型涵蓋地層主要有:粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化砂巖等地層。模型中樁、承臺、墩、梁、軌道板等主要構(gòu)件均采用實(shí)體單元,結(jié)構(gòu)均為彈性本構(gòu),地層為M-C彈塑性本構(gòu)。根據(jù)計(jì)算模型大小,綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精確度,共計(jì)劃分單元數(shù)201 447個(gè),節(jié)點(diǎn)82 149個(gè)。

2.2 計(jì)算參數(shù)及主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)計(jì)算參數(shù)。

根據(jù)本項(xiàng)目地勘報(bào)告并結(jié)合《工程地質(zhì)手冊》,地層參數(shù)取值如表3所示。

表3 地層計(jì)算參數(shù)

結(jié)合《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002—2017)及《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)計(jì)算中主要結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)取值如表4所示。

表4 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

(2)計(jì)算荷載。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)及《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 1001—2016),計(jì)算中主要荷載如下。

①各類結(jié)構(gòu)自重;②樁基開挖產(chǎn)生的地層釋放荷載;③公路車輛荷載:公路—Ⅰ級;④鐵路荷載:ZK荷載。

2.3 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

為保證本項(xiàng)目樁板結(jié)構(gòu)建設(shè)的可控性,并確保鐵路運(yùn)營的安全性,施工過程中應(yīng)對高鐵橋墩、軌道的變形進(jìn)行控制。依據(jù)《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(TB 10314—2021)等相關(guān)規(guī)范,同時(shí)參考以往類似工程經(jīng)驗(yàn),高鐵相關(guān)結(jié)構(gòu)變形管理值如表5、表6所示。

表5 軌道位移變形監(jiān)測預(yù)警值、報(bào)警值和控制值 單位:mm

表6 鐵路橋梁變形監(jiān)測預(yù)警值、報(bào)警值和控制值 單位:mm

2.4 有限元計(jì)算分析及主要步驟

下穿高鐵橋梁的樁板結(jié)構(gòu)樁基開挖及梁板上部結(jié)構(gòu)施工對地層產(chǎn)生擾動,進(jìn)而對鐵路橋梁產(chǎn)生影響,該過程空間幾何呈非線性,土體本構(gòu)呈非線性,土體與樁、柱結(jié)構(gòu)之間的作用也呈非線性,這使得系統(tǒng)高度非線性。土體、鐵路橋梁在重力場作用下,土體處于自然固結(jié)狀態(tài),具有初始應(yīng)力。在地質(zhì)條件一定的情況下,初始應(yīng)力的大小隨埋深線性分布。在公路橋梁施工作用下,土體受到開挖卸載及澆筑加載等作用,形成附加應(yīng)力,其應(yīng)力狀態(tài)不再隨埋深線性分布,其應(yīng)力狀態(tài)的變化也十分復(fù)雜。

為系統(tǒng)全面分析這一系統(tǒng)的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)變化過程。

從樁板結(jié)構(gòu)橋梁樁基開挖、澆筑、板梁施工、橋面鋪裝及運(yùn)營各階段整個(gè)計(jì)算模型步序共10步,典型計(jì)算工序如下所示。

階段1:模型初始應(yīng)力場,并位移清零。

階段2～4:鐵路實(shí)施完畢后應(yīng)力場平衡,并位移清零。

階段5～7:開挖公路樁板結(jié)構(gòu)下兩排邊樁1#～8#,開挖完畢后澆筑,再開挖板梁下中間樁9#～12#。

階段8～9:施做上部結(jié)構(gòu)及鋪裝。

階段10:施加運(yùn)營荷載(按車道滿鋪考慮)。

3 施工階段模擬計(jì)算

公路樁板結(jié)構(gòu)樁基開挖引起土體損失,造成樁周土體向臨空面移動,引起鄰近地層應(yīng)力調(diào)整,此外樁基、梁板等澆筑施工對地層進(jìn)行加載,使得橋梁周邊地層產(chǎn)生附加應(yīng)力,進(jìn)而造成鐵路橋梁變形,變形主要發(fā)生在公路樁板結(jié)構(gòu)的施工全過程中,同時(shí)要考慮施工完成后,貴廣高鐵施加運(yùn)營車輛荷載是否產(chǎn)生影響,即從施工階段5～10全過程。以下按照鐵路橋墩、軌道豎向位移及水平位移顯示計(jì)算結(jié)果。

3.1 鐵路橋墩變形計(jì)算

通過建立模型,對鐵路橋墩豎向、橫向、縱向三個(gè)方向5～10施工階段的位移進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖1所示(以鐵路橋墩豎向位移計(jì)算為例)。

圖1 第5～10施工階段鐵路橋墩豎向位移計(jì)算結(jié)果

3.2 鐵路軌道變形計(jì)算

通過建立模型,鐵路軌道豎向、水平方向5～10施工階段的位移進(jìn)行計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 鐵路橋墩位移分析

為分析公路樁板結(jié)構(gòu)樁基、板梁、鋪裝層及運(yùn)營荷載對高鐵橋墩的影響程度,分別在高鐵1#～3#橋墩頂、底各設(shè)定1個(gè)計(jì)算監(jiān)測點(diǎn),分析測點(diǎn)隨施工階段的變化,根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)位移值,繪制鐵路橋墩位移曲線圖(如圖2、圖3所示),評價(jià)高鐵橋墩在公路橋梁施工影響下的安全性。

圖2 高鐵橋墩頂測點(diǎn)豎向位移UZ曲線

圖3 高鐵橋墩底測點(diǎn)豎向位移UZ曲線

由高鐵橋墩頂?shù)诇y點(diǎn)豎向位移曲線變化趨勢可看出,鐵路橋墩在公路樁板結(jié)構(gòu)開挖、澆筑等卸載、加載等作用下,高鐵橋墩呈下沉趨勢,施工過程鐵路橋墩最大隆起0.088 mm,最大沉降1.58 mm;同樣可知鐵路橋墩在公路樁、板結(jié)構(gòu)開挖、澆筑等卸載、加載等作用下,鐵路橋墩橫橋向位移總體變化不大,最大水平位移為0.137 mm。鐵路橋墩在公路樁、板結(jié)構(gòu)開挖、澆筑等卸載、加載等作用下,鐵路橋墩順橋向發(fā)生輕微附加位移,最大水平位移為0.344 mm。

根據(jù)《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(TB 10314—2021)對鐵路路基豎向位移及水平位移校核如表7所示。

表7 鐵路橋墩變形校核表 單位:mm

4.2 鐵路軌道位移分析

為分析公路樁板結(jié)構(gòu)樁基、板梁、鋪裝層及運(yùn)營荷載對高鐵軌道的影響程度,分別在梁端部及梁中部設(shè)置計(jì)算監(jiān)測點(diǎn),分析測點(diǎn)隨施工階段的變化,根據(jù)每階段測點(diǎn)位移值,繪制鐵路軌道位移曲線圖(如圖4、圖5所示),評價(jià)鐵路軌道在公路橋梁施工影響下的安全性?？紤]軌道通過支座固定于軌道板上,因此軌道板變形與軌道變形近似一致。

圖4 高鐵軌道測點(diǎn)豎向位移曲線

圖5 鐵路軌道測點(diǎn)橫橋向水平位移曲線

由高鐵軌道測點(diǎn)豎向位移曲線變化趨勢可看出, 鐵路橋墩在公路樁、板結(jié)構(gòu)開挖、澆筑等卸載、加載等作用下,鐵路軌道總體呈下沉趨勢,施工過程鐵路軌道最大隆起0.085 mm,最大沉降1.58 mm;鐵路橋墩在公路樁、板結(jié)構(gòu)開挖、澆筑等卸載、加載等作用下,鐵路軌道橫橋向位移總體變化不大,最大水平位移為0.152 mm。

根據(jù)《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(TB 10314—2021)對鐵路路基豎向位移及水平位移校核如表8所示。

表8 鐵路軌道變形校核表 單位:mm

5 結(jié) 語

(1)通過建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型,采用施工階段法仿真分析公路橋梁樁基開挖、澆筑、板梁施做、橋面鋪裝及運(yùn)營各階段對既有高鐵橋梁的影響,可知在整個(gè)施工運(yùn)營過程中,鐵路橋墩豎向位移最大值為+0.088 mm(隆起值)和-1.58 mm(沉降值),水平位移最大值為0.344 mm,鐵路軌道豎向位移最大值為+0.085 mm(隆起值)和-1.58 mm(沉降值),水平位移最大值為0.152 mm,均滿足《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(TB 10314—2021)中規(guī)定的軌道豎向位移和水平位移的控制值(±2 mm),公路樁板結(jié)構(gòu)施工對高鐵影響可控。

(2)經(jīng)計(jì)算分析,盡管鐵路橋墩、軌道變形均能滿足規(guī)范要求,但下穿鐵路工程施工難度大,受限條件多,高鐵橋梁變形控制較為嚴(yán)格,為保證高速鐵路的運(yùn)營安全,施工過程中需對高速鐵路橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測,包括墩臺橫向、縱向水平位移和豎向位移監(jiān)測等內(nèi)容;實(shí)測值超過報(bào)警值時(shí)可采取停工、限速等措施。

(3)本研究僅闡述了采用樁板結(jié)構(gòu)下穿高速鐵路橋梁對橋梁的變形影響分析,對于其他環(huán)境條件下的公路下穿鐵路工程,應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程特點(diǎn),對不同的下穿方案進(jìn)行綜合比選,選擇最為合理經(jīng)濟(jì)的工程方案。