新建桥梁施工对既有高速铁路桥梁的影响

周乐平， 陈俊波， 姚 进， 孙 远

(1. 中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司， 湖北 武汉 430014； 2. 郑万铁路客运专线河南有限责任公司， 河南 郑州 450016；3. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

随着我国铁路网的不断完善，将会出现越来越多的新建铁路桥梁与既有高速铁路桥梁交叉或并行的情况。新建铁路桥梁的施工会不可避免地对既有高速铁路产生影响，从而给高速铁路的运营带来安全隐患[1]。

邻近既有高速铁路修建的工程会干扰附近地层原有的平衡状态，引起附近地层应力重分布和变形，构成对周边既有结构和设施的附加荷载，使其发生附加变形。刘东等[2,3]对跨越既有高速铁路桥梁的施工技术进行了探究；李龙剑等[4～6]研究了基坑开挖对邻近桥梁桩基的影响；Pan等[7,8]分析和探讨了地面堆载引起的既有桥梁桩基础的沉降和变形；左亚飞等[9,10]分析了新建工程下穿高速铁路的影响。从以上分析可以看出，目前的研究大多集中在新建公路工程、基坑开挖等对既有高速铁路桥梁、邻近桩基的影响，而新建铁路桥梁施工对既有高速铁路桥梁的影响研究还很少，但是这种新建铁路桥梁工程量大、施工要求高，按照TB 10621-2014《高速铁路设计规范》[11]中的规定：静定结构墩台基础的工后均匀总沉降不应大于20 mm，相邻墩台最终沉降差不应大于5 mm。根据铁运[2012]83号《高速铁路无砟铁道线路维修规则》(试行)[12]的规定：250(不含)～350 km/h线路轨道静态质量容许偏差管理值要求轨向偏差及轨道高低(10 m弦测量的最大矢度值)应小于2 mm；250(不含)～350 km/h线路轨道动态质量容许偏差管理值要求高铁轨道纵向变形应小于4 mm，横向变形不超过5 mm。因此，新建铁路桥梁的施工对既有高速铁路桥梁的影响更为复杂，从而对这种影响的研究是很有必要的。

本文依托新建郑万铁路河南段联络线特大桥与既有郑西贯通线交叉及并行段工程背景，利用有限差分法，模拟联络线特大桥与郑西贯通线交叉及并行段施工对既有郑西高铁桥梁桩基础及上部结构的影响，从而为类似工程的施工提供参考。

1 工程概况

新建郑万铁路是西南地区与中原、华北地区之间的干线铁路，是国家快速铁路网的组成部分，同时也是联系中原地区和西南地区的主要高速客运通道，兼顾沿线城际及旅游客流运输。郑万铁路是重庆地区通往华北华中地区的快速客运主骨架；对补充完善我国铁路“四纵四横”客运专线网，构建沿长江经济带现代综合交通运输体系具有重要战略意义。新建郑州至万州的铁路河南段站前工程联络线特大桥位于郑州市经济开发区，桥梁中心里程ZWSLDK3+331.47，桥全长6117.77 m。桥址内地势平坦，所经之处大部分为农用地、房屋。郑西贯通线正线起于郑州东站，向南跨越陇海铁路，转向西跨越京广铁路，南水北调中线工程、西南环城高速，接入荥阳站。郑西贯通线采用无砟轨道，设计最高速度为350 km/h，运行速度小于300 km/h。新建郑万铁路与郑西贯通线郑西跨南水北调总干渠特大桥交叉。

郑万铁路河南段联络线特大桥140#—144#墩(DK5+073.040—DK5+414.460)采用32+138+138+32 m斜拉桥上跨郑西贯通线，142#，143#桥墩分别位于郑西贯通线两侧，交叉处郑万铁路里程DK5+299.890，郑西贯通线里程K557+860.402，交叉角度17.2°。交叉段铁路相对位置关系如图1所示。

图1 交叉段铁路相对位置关系/m

郑万铁路河南段联络线特大桥143#—145#墩(DK5+381.690—DK5+447.365)及160#—171#台(DK6+033.060—DK6+393.660)临近郑西贯通线。并行段铁路位置相对关系如图2所示。

图2 并行段铁路相对位置关系/m

2 数值模拟分析

2.1 分析方法及模拟过程

本文运用有限差分软件FLAC3D进行数值模拟与计算。交叉段的计算模型土体尺寸为300 m×450 m×200 m；并行段的计算模型土体尺寸为120 m×100 m×90 m，考虑到计算机的模拟速度及模拟结果的精确性，在靠近桥墩、桥塔开挖面的土层网格划分应适当加密，而远离桥墩开挖面的土层则相应稀疏。因此，交叉段的模型共划分了804310个实体单元，158657个节点；并行段的模型共划分了303745个实体单元，85029个节点。分别按新建铁路桥梁施工工序建立主要的施工阶段，并通过施工阶段的分析，建立三维实体有限元模型进行数值模拟计算，整体计算模型如图3，4所示。

图3 交叉段的计算模型

图4 并行段的计算模型

(1)初始应力场的模拟

根据地勘钻孔资料及高铁竣工资料提供的不同土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度，地质土层的主要物理力学参数如表1所示；考虑了既有郑西高铁桥墩对初始应力场的影响。

表1 土层物理力学参数

(2)连续介质的模拟

有限差分数值计算中土体采用“莫尔-库伦(M-C)”土体弹塑性模型，郑西高铁铁路桥、新建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)；FLAC3D中pile单元能与土体自动耦合，且能较好地模拟土体和桩之间的相互作用。郑西高铁及新建铁路桥的桥墩及上部结构采用弹性实体单元模拟。

(3)边界条件的模拟

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、新建铁路桥桩基础约束z方向的转角。

(4)施工阶段的模拟

1)通过有限差分软件的“激活单元、杀死单元”模拟联络线特大桥142#主塔斜拉桥段斜跨郑西高铁工程施工对既有郑西高铁桥基础27#—37#桥墩桩基础及上部结构的影响。施工模拟阶段如表2所示。

表2 交叉段施工工序

2)通过有限差分软件的“激活单元、杀死单元”模拟联络线特大桥169#—171#桥墩临近郑西高铁工程施工(选取最不利断面，承台边缘距离营业线桥下栅栏2.4 m)、运营对既有郑西高铁桥基础0#—2#桥墩桩基础及上部结构的影响。施工模拟阶段如表3所示。

表3 并行段施工工序

2.2 计算结果

2.2.1交叉段

(1)基础沉降量

通过建模分析，得到各施工阶段既有桥梁桥墩及上部结构的竖向位移云图。限于篇幅，只取工序Phase 4，Phase 11，Phase 12，如图5所示。图中从左至右依次为既有铁路桥27#～37#桥墩。

图5 既有铁路桥27#—37#桥墩及上部结构沉降云图/m

从以上既有铁路桥桥墩及上部结构沉降位移云图可知，新建铁路桥梁施工过程及运营阶段对既有桥桥墩影响较大为28#，29#，30#，33#，34#，35#，考虑工后沉降的累计沉降量，经过统计汇总分析，基础沉降量的结果如表4所示。

表4 新建桥梁交叉段引起的铁路桥沉降

(2)水平变形值

通过建模分析，得到各施工阶段既有桥梁桥墩及上部结构的横向及纵向位移云图。限于篇幅，横向位移云图取工序Phase 10，Phase 11，如图6所示；纵向位移云图取工序Phase 6，Phase 10，如图7所示。图中从左至右依次为既有铁路桥27#～37#桥墩。

图6 既有铁路桥27#—37#桥墩及上部结构横向位移云图/m

图7 既有铁路桥27#—37#桥墩及上部结构纵向位移云图/m

从以上既有铁路桥桥墩及上部结构横向及纵向位移云图可知，新建铁路桥梁施工过程及运营阶段对既有桥桥墩影响较大为28#，29#，30#，33#，34#，35#，故分别统计以上各桩基变形结果，如表5，6所示。

表5 新建桥梁交叉段引起的铁路桥墩桩基累计横向变形值 mm

表6 新建桥梁交叉段引起的铁路桥墩桩基累计纵向变形值 mm

(3)桩基承载力

新建铁路桥梁及运营后的列车荷载对结构下的土体产生压缩，并产生向下的摩擦力，即负摩擦力。负摩擦力的存在使桩基的极限承载力降低，沉降量增加，对工程较为不利。桩侧摩阻力计算较为复杂，而对于既有铁路桥梁考虑铁路修建及运行前后对桩基础的影响，这里从桩基础轴力变化的幅值来考察。因为新建桥修建对于场地土是一个持续加载的过程，因此，考虑最后一个施工阶段即通车运营阶段与高铁桥梁自身桩基轴力进行比较。通过FLAC3D计算，可得到27#—37#桥墩桩基础在新建桥梁施工前和运营阶段其轴力的变化。限于篇幅，下表仅列出从工序Phase 2～Phase 11阶段，33#，34#，35#铁路桥墩桩基承载力。

表7 交叉段铁路桥墩桩基承载力 kN

2.2.2并行段

(1)基础沉降量

通过建模分析，既有桥梁桥墩及上部结构的竖向位移云图如图8所示。图中从左至右依次为既有铁路桥0#～2#桥墩。

图8 既有铁路桥0#—2#桥墩及上部结构竖向沉降云图/m

从以上既有铁路桥桥墩及上部结构竖向沉降位移图可知，新建铁路桥梁施工过程及运营阶段对既有桥桥墩影响较小，考虑施工后沉降的累计沉降量，经过统计汇总分析，基础沉降量的结果如表8所示。

表8 新建桥梁并行段引起的铁路桥沉降统计

(2)桩基承载力

考虑最后一个施工阶段即通车运营阶段与高铁桥梁自身桩基轴力进行比较，通过FLAC3D计算，可得到0#—2#墩桩基础在新建桥梁施工前和运营阶段其轴力的变化，桩基承载力的结果如表9所示。

表9 并行段铁路桥墩桩基承载力 kN

2.3 结果分析

2.3.1交叉段

(1)基础沉降量

由表4可知，引起既有郑西高铁桥桥墩最终沉降量最大值发生在“Phase 12新建铁路桥运营”阶段的33#墩，该施工阶段的最大沉降为18.01 mm，小于墩台均匀总沉降20 mm的要求，最大差异沉降为1.59 mm，小于墩台差异沉降5 mm的要求，最大10 m弦为0.50 mm，小于要求的轨向偏差及轨道高低(10 m弦测量的最大矢度值)2 mm的要求。

(2)水平变形值

由表5可知，桥梁最大横向位移发生在 “Phase 11新建铁路桥斜拉桥上部结构转体”和“Phase 12新建铁路桥运营”的34#桥墩，最大值为0.52 mm，小于横向变形限值5 mm，满足规范要求。

由表6可知，桥梁最大纵向位移发生在 “Phase 11新建铁路桥斜拉桥上部结构转体”和“Phase 12新建铁路桥运营”的33#桥墩，最大值为0.45 mm，小于纵向变形限值4 mm，满足规范要求。

(3)桩基承载力

由表7可知，桩基轴力变化幅度最大为132.7 kN，施工阶段及运营后郑西高铁桥的单桩轴力仍小于单桩设计承载力，满足规范要求。

2.3.2并行段

(1)基础沉降量

由表8可知，引起既有郑西高铁桥桥墩最终沉降量最大值发生在“Phase 7新建铁路桥运营”阶段的1号墩，该施工阶段的最大沉降为14.60 mm，小于墩台均匀总沉降20 mm的要求，最大差异沉降为0.49 mm，小于墩台差异沉降5 mm的要求，最大10 m弦为0.07 mm，小于要求的轨向偏差及轨道高低(10 m弦测量的最大矢度值)2 mm的要求。

(2)桩基承载力

由表9可知，桩基轴力变化幅度最大为38.7 kN，影响较小，施工阶段及运营后郑西高铁桥的单桩轴力仍小于单桩设计承载力，满足规范要求。

3 结论及建议

(1)联络线特大桥32+138+138+32 m斜拉桥的修建对既有郑西高铁桥梁有一定影响，桥墩基础及上部结构变形量、桩基承载力满足规范限值的要求，但引起的桩基础沉降量偏大，需要施工期间严格按照要求进行施工，合理安排工期，不得出现沉降速率过大的情况，以保证施工期间既有铁路的安全运营。

(2)联络线特大桥临近郑西高铁的施工对既有郑西高铁桥梁影响较小，桥墩及上部结构沉降量、桩基承载力满足规范限值的要求。

(3)施工期间对27#—37#桥墩进行变形监测，并根据监测资料的分析，判断铁路桥梁变形，对铁路运营安全进行预警。一旦监测异常，应立即停止施工，启动事故应急预案处理。对观测变形超标的桥墩，分析产生原因，研究对策，提出整改措施后再进行施工，以保证铁路运营的安全。

(4)各个施工阶段对铁路桥墩进行监测，验证和校核理论计算结果，并根据对观测资料的分析，判断铁路桥梁变形，对铁路运营安全进行预警。