浅谈桩板结构在高速铁路技术中的应用

吴洪锦

【摘要】当前，高速铁路作为现代化的交通运输标志，在中国得到了迅猛发展，为人们的交通运输及生活提供了极大的便利，也为我国的经济发展做出极大的贡献。但是随着经济的发展，高速铁路与城市的规划发展也存在着相互制约的一面，因此本文根据实际工程案例浅谈桩板结构在高速铁路技术中的应用。

【关键词】高速铁路；桩板结构；安全评估；梁格法；震动效应；发展趋势

一、 概述

随着我国经济的快速发展，人民生活水平的日益提高，交通運输对高速铁路的依赖将会更加突出，因此我国建设高速铁路有其必然性且前景广阔。高速铁路虽然大大提高了运行的速度和效率，给城市的发展提供了不可替代的作用，但由于其建设费用昂贵及技术标准苛刻，高速铁路的存在往往又制约了城市的规划发展。高速铁路一旦建成便不可逆转，随着城市的发展需要，城区发展联合，规划道路需要横穿高速铁路，根据铁道部令规划道路应与高速铁路立交，立交主要有上跨和下穿两种形式。当前城区高速铁路主要有路基和立交桥两种形式，由于采用路基形式对城市的发展制约很大，因此城区高速铁路主要采用立交桥形式，本文主要根据合肥G206公路（南岗至上派段）改建工程实际情况浅谈桩板结构在高速铁路技术中的应用。

二、工程概况

合肥G206改建工程全线长度19.8公里，道路等级为城市主干路，道路红线为60-70米，道路在中心里程K7+170处下穿沪蓉铁路。道路穿越位置处为沪蓉铁路合武线上派河特大桥，沪蓉铁路为国铁Ⅰ级双线电气化铁路，设计最高时速200Km/h，客货共线。

G206公路在0#桥台～4#桥墩之间穿越沪汉蓉铁路，采用新建（9+10+9+9）m混凝土桩板结构，分四幅布置，两侧路幅宽7.5m，中间路幅宽15.5m，道路路面至上派河大桥梁底净高≥5.5m。

桩板立面图和结构平面图如下：

三、桩板结构设计

根据上海铁路局颁发的上铁工发2011320号文要求，高速铁路桥墩的位移变化值超过1mm时预警、超过2mm时应报警。由于高速铁路对桥墩的位移限制要求高，采用普通路基下穿，运营荷载势必会对桥墩造成偏载，偏载带来的桥墩位移值往往过大，因此下穿高速铁路常采用桩板结构形式，将运营荷载通过桩基传到地基深层，消除运营荷载对高速铁路桥墩的影响。下穿桩板结构对高速铁路桥墩影响主要来自两方面，一是施工荷载（主要含土方开挖、钻孔桩施工、桩板施工、附属设施施工等），二是运营荷载（主要含车道荷载、人行荷载）。

（一）安全评估

高铁立交桥建成运营后，桥墩及地基往往达到相对稳定平衡，桥墩两侧回填土及其他外部作用效应也已达到平衡，如果在桥墩附近新增建设工程往往会打破原有平衡造成偏载，一旦因偏载造成位移值过大势必影响高铁运营安全，后果将是非常严重的，因此高铁桥下下穿桩板结构施工安全是控制中的重点。依据铁路局要求，高速铁路桥下施工必须有安全评估报告，能确保桩板结构在施工和运营阶段高铁运营的安全。针对G206项目，其安全评估分析简要如下：

1、施工阶段

①用Plaxis 2D建立二维有限元模型，模拟高铁桥墩下施工对铁路桥墩和桩基的影响，其中主要分析工况有：

（1）堆土清理对铁路桥墩和桩基的影响。

（2）基坑开挖对铁路桥墩和桩基的影响（含最不利开挖和开挖完成两工况）。

（3）板浇筑对铁路桥墩和桩基的影响。

图3-1计算模型图

根据计算模型工况中变位影响最大的是基坑最不利开挖阶段，其变位值如下：

桥墩编号 墩顶竖向

（mm） 墩顶顺桥向

（mm） 承台编号 桩基最大顺桥向位移

（mm）

1# 0.06 -0.40 1# -0.63

2# 0.07 0.66 2# 0.90

3# 0.00 0.09 3# 0.09

变位值在1mm内均能满足施工对高速铁路安全运营位移变化值要求。

②用Plaxis 3D Foundation 建立道路钻孔桩施工三维有限元模型，模拟计算钻孔桩施工对沪汉蓉高架桩基的影响。模型对实际方案进行了简化，只模拟了最危险的部分，即距离铁路桩基距离为8D（D为道路桩基直径）以内的钻孔灌注桩施工对铁路桩基的影响。

图3-2钻孔桩施工计算模型图

根据计算模型其变位值如下：

桥墩

编号 竖向

（mm） 横桥向

（mm） 顺桥向

（mm） 承台编号 桩基横桥向

（mm） 桩基顺桥向

（mm）

1# -0.01 -0.01 -0.02 1# -0.01 -0.02

2# -0.03 -0.06 -0.14 2# -0.05 -0.12

3# -0.02 -0.01 0.01 3# -0.01 0.01

变位值在1mm内均能满足施工对高速铁路安全运营位移变化值要求。

2、运营阶段

用Plaxis 2D建立二维有限元模型，模拟道路运营对铁路桥墩和桩基的影响。道路运营计算模型图如图3-3所示。

图3-3计算模型图

3、铁路桥墩和桩基的最终变形结果

桥墩编号 竖向位移

（mm） 横桥向位移

（mm） 顺桥向位移

（mm） 承台编号 桩基最大顺桥向位移

（mm）

1# -0.04 -0.01 -0.75 1# -0.96

2# -0.07 -0.06 -0.04 2# 0.30

3# -0.09 -0.01 0.32 3# 0.47

根据铁路桥墩和桩基的最终变形情况可以判断，下穿桩板结构施工及运营对沪蓉高铁运营安全影响较小，设置桩板结构是合理可行的。当然计算模型和软件有很多种，这里只提供一种方式，不论采用何种计算模式设计者应根据工程的具体情况评估各种可能对高速铁路运营存在安全隐患的工况。

（二）桩板结构设计

安全评估合格后进行桩板结构设计，桩板结构是由桩与板直接结合坐落在地基土上，桩间不设置系梁的结构，因此桩与板间连接合理较为重要，现采用部分桩钢筋伸入板内，桩板间采用沥青油毛粘隔断。由于桩板结构不设置预应力，且桩板下回填土无法压实，因此桩板间距及跨度不应设置过大，且计算中可以不考虑土体对桩板的影响。考虑到桩板实体结构且由多条车道荷载组合形式，因此桩板结构按杠系体系计算可能偏差较大，故建议按梁格法或实体模型计算。计算模型如下：

图3-5 MIDAS梁格模型图

通过模型，需要验算板梁纵、横向承载能力极限状态和正常使用阶段极限状态。承载力能力极限状态主要有（1）抗弯承载能力验算（2）抗剪承载能力验算。正常使用阶段极限状态主要有（1）裂缝宽度验算（2）挠度验算。只列举梁格中最大的纵梁应力和裂缝如下：

2号纵梁格抗弯承载力和裂缝验算（kN.m）

由于桩板结构中只有部分桩钢筋直接伸入桩板内，用沥青油毛粘隔断，因此模型计算中桩与板的震动效应值得设计人员充分考虑。常规作法，设计人员可以根据项目具体情况和实验数据，通过提高移动荷载系数来考虑，系数大小应根据具体工程。当然梁格法也有不足，由于梁格法依照平截面假定，因此它考虑不了剪力滞后效应。对于少横隔梁的结构假如需要计算其剪力滞效应的话可以使用空间有限元分析软件计算。

结束语

本文结合结构设计针对高速铁路下桩板结构进行了简单阐述。由于城市经济和高速铁路的迅速发展，将会出现更多下穿高速铁路立交。由于工程建设规模较大，费用较高，且对高速铁路运营存在安全隐患，为减少风险和节约成本，高速铁路建设规划时应同步考虑城市远期规划，预留城市立交条件，并在高速铁路建设的同时建设城市立交，虽然短期建设成本增加，但从长远来看不仅可以避免重复建设、节约建设成本，还能大大降低安全风险。笔者认为，高速铁路建设同步建设远期城市立交的形式将会是发展趋势。

参考文献：

[1]《铁路营业线施工安全管理文件汇编》（2013年度文件集）

[2]戴公连：《桥梁结构空间分析设计方法与应用》 人民交通出版社 2001年

[3]《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）

[4]《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）

[5]葛俊穎：《桥梁工程软件midas CIVIL使用指南》 人民交通出版社 2013年