公路下穿高速铁路桥梁的扰动性分析

公路下穿高速铁路桥梁的扰动性分析

张艳波，杨阳，李博洋

中国铁路呼和浩特局集团有限公司呼和浩特工务段 内蒙古呼和浩特市 010000

摘要：新建铁路下穿既有高速铁路桥梁施工既要保证既有高速铁路运行稳定又需满足施工质量和安全，因此，开展新建铁路下穿既有高速铁路桥梁施工风险评价研究具有重要的理论价值和实际意义。为了评估公路下穿对高铁桥梁的扰动和行车平顺性的影响，文章以蚌埠市治淮东路下穿京沪高铁段为工程背景，建立三维有限元模型，采用Mohr-Coulomb模型考虑土体的弹塑性本构关系，用数值模拟方法对采用桩板结构、桥墩围护钢板桩等工程措施后下穿施工对高速铁路桥墩的扰动进行计算分析。计算结果表明，公路下穿施工中高铁桥墩各方向的位移均小于1mm，能够满足规范要求。采用的工程措施能够有效地减小公路下穿施工对高速铁路桥墩的扰动，文章的计算方法可为类似工程项目提供参考。

关键词：下穿；高速铁路；扰动；三维有限元

中图分类号：U412文献标识码：A

随着城市基础设施建设的不断发展，公路、管道等市政工程下穿高速铁路的情况时有发生。在下穿过程中，填挖方的施工必然对高速铁路运营产生一定的扰动，如桥墩的附加沉降、土体水平位移、桩侧负摩阻力等一系列岩土工程问题[1]。下穿对高铁结构安全的影响特别突出，存在严重影响高铁结构安全的风险。因此，高速铁路沿线新建工程的施工及运营必须进行合理的分析计算，以减小其对高速铁路的影响，确保高铁营运安全^[1]。

1、数值计算模型

数值计算软件为大型有限元程序MidasGTS。有限元计算模型如图1所示，顺京沪铁路方向长220m，横桥向长100m，深度方向72m。

图1三维有限元模型

模型中铁路桥承台和桥墩离散为实体单元，桩基础用梁单元模拟，桩土接触设置界面单元。模型四个侧面均为法向约束，底部为竖向和纵横向约束。模型共计87，321单元，40，919个节点。X为顺桥向，以大里程方向为正；Z为沉降方向，以向上为正；Y为横桥向。

为了得到各施工阶段高速铁路桥墩的扰动计算结果，计算分9个荷载步进行，即：Step-1（初始）：高速铁路上部结构恒载施加在相应墩顶，地应力平衡；Step-2（工况1）：桥墩围护钢板桩施工；Step-3（工况2）：公路桩板结构基坑开挖；Step-4（工况3）：公路桩板结构施工；Step-5（工况4）：公路基坑回填；Step-6（工况5）：管道基坑开挖；Step-7（工况6）：管道施工；Step-8（工况7）：管道基坑回填；Step-9（工况8）：顶进管道施工^[2]。

2、高速铁路桥墩扰动计算结果及评价

2.1高速铁路桥墩扰动位移计算结果

主要施工工况下高铁桥墩的扰动计算结果为：

（1）公路桩板结构基坑开挖阶段，各高铁桥墩的主要位移为顺桥向和竖向位移。最大的顺桥向位移为-0.168mm，出现在2141#墩顶；最大竖向位移为0.014mm，位于2139#墩顶。

（2）管道基坑开挖阶段，各高铁桥墩的最大顺桥向位移为-0.840mm，出现在2140#墩顶；横桥向最大位移为0.053mm，出现在2141#墩顶；最大竖向位移为0.017mm，位于2137#墩顶。

（3）顶进管道施工阶段，各高铁桥墩的最大顺桥向位移为-0.523mm，出现在2140#墩顶；横桥向最大位移为0.051mm，出现在2141#墩顶；最大竖向位移为0.015mm，位于2137#墩顶。

2.2高速铁路桥墩扰动内力计算结果

公路下穿施工过程中，铁路桥墩桩基内力及桩侧摩阻力也将发生变化。淮河特大桥2137#~2141#角桩桩身轴力增量计算结果表明，各工况下桩基轴力最大增幅为225kN，出现在第8工况2139#桥墩的角桩。2139#桥墩角桩轴力增量随土层深度变化曲线。

2.3公路下穿高速铁路桥梁的安全评价

《高速铁路设计规范》规定桥梁墩台的横向线刚度应满足运营状态下列车安全和乘客舒适度要求，并检算墩台顶横向弹性水平位移。在活载、摇摆力、离心力等作用下墩顶横向水平位移产生的梁端水平折角不大于1.0‰弧度[9]。无砟轨道桥梁的工后沉降限值基本依靠轨道扣件进行调整，以调高量30mm的扣件为例，扣除施工误差后仅有不到20mm的可调量。《高速铁路设计规范》规定相邻桥墩工后沉降差不应超过5mm。由于公路下穿工程为新建工程，限值不包含其影响值，因此，应在原设计及施工富余量中考虑下穿工程导致的实际影响。

某地区下穿施工对高铁桥墩和桩基的影响较小，在京沪高铁2137#~2141#墩设计计算结果的基础上附加由于公路下穿产生的扰动，各墩水平位移和工后沉降仍能够满足《高速铁路设计规范》的要求。值得注意是，计算过程难以考虑大型机械的震动施工、临时堆放弃渣、弃土等施工影响，在下穿施工过程中需严格控制，避免施工机械对桥梁的碰撞及损伤，并加强对铁路桥墩变形的监测

^[3]。

结束语

本文通过某市治淮东路下穿京沪高铁段的数值分析，有如下结论：

（1）下穿高铁的公路荷载对高铁桥梁安全造成影响，主要在于附加的施工及运营期间荷载改变了原有地层结构中的应力，导致土层结构变形，沉降加大以及由此引发的软土地区高铁路基长期沉降和高铁桥梁桩基的负摩擦阻力等问题。

（2）将公路路基改为桩板结构，在铁路桥墩侧设置围护钢板桩等施工措施可以有效地减小公路下穿施工对高速铁路桥墩的扰动。围护钢板桩应深入可靠的持力层，以加强其锚固作用。

（3）三维有限元数值计算能够根据实际的土体性质分阶段模拟施工过程，可以获得较精确的地层及结构变形结果，在工程实际中具有良好的应用前景。

参考文献

[1]我国高速铁路桥梁的研究现状与发展趋势[J].闫龙彪，程泽农，韩冰，张楠.铁道建筑.2018(12)

[2]新建道路下穿高速铁路桥梁对高铁桥墩和桩基影响的分析[J].张旭.中小企业管理与科技(上旬刊).2018(05)

[3]相邻高速铁路桥梁的公路工程施工对其影响分析[J].刘玉洲.高速铁路技术.2017(01)