新建公路下穿高铁对既有高铁桩基的影响分析

毛 亚 平

(中铁第五勘察设计研究院集团有限公司郑州勘察设计院，河南 郑州 450000)

新建公路下穿高铁对既有高铁桩基的影响分析

毛 亚 平

(中铁第五勘察设计研究院集团有限公司郑州勘察设计院，河南 郑州 450000)

结合拟建高速公路连接线下穿郑西客运专线立交工程，建立了有限元模型，就新建高速公路对既有郑西客运专线桩基的沉降影响展开了分析，并研究了新建公路工程施工前后对高铁桩基沉降的影响，得出了一些有益的结论。

高速铁路，沉降分析，GTS，桩基

0 引言

自中国第一条高速铁路——京津城际高速铁路于2008年建成通车后，高速铁路进入全面迅速的发展时期；先后有郑西高铁、武广高铁、京沪高铁等建成通车。高速铁路的设计速度每小时达到300 km，故其对基础的沉降要求非常严格，以保证高速铁路运营的安全性。而公路网与铁路网的远景规划不尽一致，规划中的公路由于既有铁路网的存在，通常采用上跨或者下穿的立交方式穿越铁路线。当公路与高铁交叉时，一般采用下穿方式通过。新建的公路增加了既有高铁周围的荷载，改变了高铁桩既有的应力状态。

依据《高速铁路设计规范》[5]，静定结构无砟轨道高铁墩台的工后沉降值应小于20 mm，且其相邻桩墩台的沉降差应小于5 mm。很明显，当新建公路下穿高速铁路时应对既有高铁桩基进行受力分析，否则下穿高速铁路的公路有可能引起高铁桩基的沉降量超过《高速铁路设计规范》限制值，这将危害高铁运营的安全。

本文结合新建洛嵩连接线公路工程下穿郑西高铁客运专线立交工程，采用Midas/GTS有限元分析程序建立模型，开展对既有高铁的沉降分析。

1 工程概况

新建洛阳至嵩县高速公路连接线工程分幅设计，左幅下穿郑西客运专线洛河特大桥92孔，右幅下穿93孔。拟建工程采用“U”槽结构，“U”形槽结构长度为75 m，底板厚为0.5 m，边墙厚为0.5 m。宽度分别为22.75 m，下部基础为：15 cm厚C20混凝土垫层+30 cm厚三七灰土(换填)，交角90°。断面设计为双向六车道。

洛河特大桥92号～94号桩基为10根桩径为1.0 m的钻孔灌注桩，桩长分别为18.5 m，17.5 m和24.5 m，桩间距为2.8 m。根据岩土体物理力学性质及分布特征，各层岩土工程性能评价如表1所示。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

Midas/GTS程序应用性非常强，广泛应用于岩土工程中，可分析岩土工程学中2D和3D的变形、稳定性以及地下水渗流等，能够模拟复杂的工程地质条件，尤其适合于变形、稳定性分析、沉降分析等。

Midas/GTS中，本工程土体单元采用映射法划分单元网格，划分后单元为八节点的六面体单元，土体尺寸为100 m×35 m×40 m(分别为洛河特大桥的顺桥向、横桥向和土层厚度)，建立如表2所示的五个施工阶段；通过施工阶段的分析，建立有限元模型进行数值模拟计算，主要的简化如下：

1)初始应力场的模拟：根据勘察报告提供的不同土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度，计算基坑开挖前土体初始应力场分布；考虑了既有郑西铁路客运专线桥墩对初始应力场的影响。

2)连续介质的模拟：有限元数值计算中土体采用“摩尔—库仑(M—C)”土体弹塑性模型，郑西客专线铁路桥桩基础采用线弹性桩单元模型，同时建立摩擦界面单元(考虑了土体和桩结构之间的相互作用)。

3)边界条件：对计算土体的底面约束竖向z的位移，侧面分别约束横向x、纵向y的位移，地表为自由面；铁路桥桩基础约束z方向的转角。新建洛嵩高速公路与洛河特大桥空间位置图和建模分析图分别见图1～图3。

表1 地质土层资料表

表2 施工工序表

表3 洛河特大桥92号～94号桥墩中心处沉降量(一) mm

2.2 有限元分析

采用Midas/GTS建模，假定桩基初始应力场为零，采用“激活、钝化”模型中路面结构单元，改变桩基所在的应力环境；车辆荷载等效换算为均布荷载，以面荷载的形式作用于路面结构上；通过计算分析，得到各个阶段桩底沉降位移，如图4～图6所示。

从图4～图6断面云图中分析可知，洛河特大桥92号～94号桩基础在洛嵩高速公路建成及运营阶段新增加沉降值分别为0.694 mm，1.499 mm，0.574 mm，由以上有限元计算结果可以得到表3。

由表3可得图7，在不同阶段桩底竖向位移变化图。

从图7及表3中可知，洛嵩高速公路建成后，高铁桩基沉降值有所增加，但其值较小，均在《高速铁路设计规范》[5]限制值之内。同时，可知93号桩基沉降值稍大，主要原因在于93号桩基两侧均新增附加荷载值。

3 采用经验公式法计算沉降量

参考TB 10002.5—2005铁路桥涵地基和基础设计规范(以下简称为“规范”)，由规范可知：摩擦桩桩基的总沉降量可将桩基视作实体基础计算，其附加应力应为桩底平面处的附加应力[4]。

简化原理：把“U”槽结构自身恒载按应力扩散角原理，依次扩散至相应各个土层。洛河特大桥92号～94号基础为10根桩径1 m的摩擦桩，根据规范，我们把其简化为以边桩和角桩外轮廓连线构成的整体基础计算其整体沉降；按规范分层总和法的沉降计算公式，计算由新建公路引起的新增沉降量。

铁路桥基底及公路桥桩尖以下各层土的附加应力的计算参考规范[4]进行计算。按分层总和法计算基础沉降量均可简化为以下公式[4]：

依据规范的经验公式，求得新建公路新增荷载产生的附加应力值，可得到表4。

表4 洛河特大桥92号～94号桥墩中心处沉降量(二) mm

通过计算可知，92号～94号桩基新增加沉降值为0.727 mm，1.619 mm，0.653 mm。对比表3和表4可知，采用有限元软件计算与采用经验公式计算结果基本一致。

有限元法和经验公式法的计算存在差异，其主要原因在于：经验公式法未能考虑土的粘聚性，只是采用内摩擦角简化经验系数，且经验公式法计算基础底面以下同一土层各点的附加应力均相等。同时在计算新建左、右幅路面结构及车辆荷载引起93号桩基的沉降值时，只是附加应力简单的叠加，故其计算结果均较有限元数值计算结果偏大。

4 结语

通过以上的分析，可以得到以下几点结论：

1)以实际工程项目为背景，采用经验公式和大型有限元软件分别计算分析，较为详细的分析了下穿既有铁路的新建公路对既有高速铁路基础的影响，通过两种方法的计算分析，可知采用有限元法与经验公式法计算的结果基本一致。

2)计算结果表明，新建公路下穿郑西高速铁路对既有高铁桩基影响均较小，桩基沉降量均在《高速铁路设计规范》设计值之内。

3)公路下穿高速铁路时尽量避免下穿路基区段，下穿高速铁路桥区段应控制基础附加沉降的大小。

4)本论文的计算分析结果将结合实际施工作进一步深化，其结果对同类下穿高铁的公路工程起一定的借鉴作用。

[1] 包德勇.近距离交叠隧道施工影响的数值模拟[J].地下空间与工程学报，2011，7(1)：127-132.

[2] 刘志祥，郭永乐，周士霖.隧道下穿桥梁的桥墩稳定性未确知测度评价研究[J].中国安全科学学报，2011，21(4)：97.

[3] 徐而进，陈 伟，褚 峰．桩基沉降对紧邻地铁隧道的影响分析[J].结构工程师，2009(8)：119-123.

[4] TB 10002.5—2005，铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

[5] TB 10621—2009，高速铁路设计规范[S].

On analysis of influence of down-traversing express railway on existing express railway pile foundation under the newly-built roads

Mao Yaping

(ZhengzhouSurveyandDesignInstitute,ChinaRailwayNo.5SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

Combining with the plan for expressway connection line down-traversing Zhengzhou-Xi’an Passenger Special Line interchange project, the paper analyzes the influence of the newly-built expressway on the settlement of Zhengzhou-Xi’an Passenger Line, researches the influence of the road project on the settlement of the express railway pile foundation, and achieves some better conclusion.

express railway, settlement analysis, GTS, pile foundation

1009-6825(2015)07-0154-03

2014-12-23

毛亚平(1985- )，女，助理工程师

U213.1

A