高速公路拓宽下穿京沪高铁三维有限元分析

於 慧 （现代建筑设计集团上海申元岩土工程有限公司，上海 200040）

0 前言

随着我国高铁的快速建设，对城市的分隔作用也日益明显，城市高速公路建设时不得不穿越已建成或正在建设的高铁，通常以路堤填筑、隧道及高架桥的形式实现城市高速公路的连接功能，而这些建设往往会对邻近的高铁桩基产生一定的影响。在软土地区，高速铁路无砟轨道对沉降及承载力的控制[1]极其严格，相关学者[2-5]对此展开了研究，徐干成[6]等以北京地铁14号线盾构区间隧道为背景，对下穿京津城际铁路段的施工过程进行三维数值模拟，计算表明对下穿段一定范围内的土体进行注浆加固可以有效控制盾构隧道施工引起的既有铁路纵向和横向沉降及不均匀沉降；李悄[7]等通过PLaxis的数值分析方法分析了新建公路采取不同结构形式对高速铁路的影响；李耐振[8]等以德大线下穿京沪高速铁路为背景，从工程投资、下穿工程措施、城市规划、环境保护、养护维修等多方面对德大线改线下穿和原位下穿京沪高速铁路两个方案进行了必选；程雄志[9]等的研究表明采用联合加固方法可以有效减少盾构穿越高速铁路路基引起的沉降。盾构穿越后实测最大、沉降量为0.7mm，与数值计算结果相近，能确保高铁运营安全。以往的研究表明，新建公路以路基形式下穿时，应尽量减少填方，并采用轻型筑堤材料，减轻路基填料影响。

本文以京沪高铁沿线苏州段某公路拓宽为工程背景，建立高速公路拓宽下穿京沪高铁的ABAQUS三维有限元模型，就高速公路拓宽对高铁桥墩及基础面的变形、高铁桩基的力学特性及高速公路的变形展开分析，从而完善公路拓宽下穿高铁的理论依据，为类似工程的设计施工提供参考意义。

1 工程概况

开泰路是高铁新城内一条南北向生活性干道。其中K2+278.23～蠡太路段落附近需要穿过京沪高铁桥墩墩号38#和39#，段落全长约1.3km。原道路划分为6.8m中央绿化带+2×7.5m车行道+2×15m绿化带，现由于发展需要，道路需要扩建，改造后路幅总宽51.8m，四幅式断面形式，路幅布置为绿化带5m+人行道2m+绿化带1.5m+非机动车道3m+机非分隔带3m+机动车道7.5m+中央分隔带6.8m+机动车道7.5m+机非分隔带3.5m+非机动车道5m+绿化带1.5m+人行道2m+绿化带3m（如图1所示）。

图1 开泰公路拓宽横断面图

图2 开泰公路下穿京沪高速铁路模型平面图

2 有限元计算模型

2.1 模型建立

以开泰公路下穿京沪高速铁路的拓宽工程为背景，根据地质资料，路基下分布有较深的淤泥质粉质黏土，压缩性高，强度低，土质较差，层厚15m。老路车行道路面结构层的厚度为60.5cm，新建段落车行道路面结构总厚度61.6cm，人行道路面结构总厚度为29.5cm。

为避免边界效应的影响，本次分析长度方向选取距离开泰公路宽度3倍距离，宽度方向选取高铁桥墩中心到道路中心距离的3倍，因此计算区域的尺寸取为长210m，宽120m，深度120m（如图2所示），其下假设为刚性不透水层。模型底面采用全部约束，约束x，y，z三个方向的位移，侧表面约束轴向位移，顶面为力边界约束。根据计算区域及研究问题的需要，为了研究桩的作用，高铁及桩的部位单元网格划分较密，其他部位逐渐变疏。用Sweep法和Advancing front算法划分网格，整个路堤的单元形状都为Hex和Hex-D，模型网格划分共得到49579个单元，46258个节点。模型中，土体采用C3D8R单元模拟（如图3所示）。

图3 有限元网格

2.2 材料本构关系

地基土和路堤土均采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，桩为线弹性体。土层计算参数由土工试验得到（见表1）。计算中弹性模量根据土体压缩模量换算而得。场地土层分布特点如下：②1层粉质粘土：浅灰色，软塑为主。系中等偏高压缩性，低强度土层，工程性质一般。②2层粉质粘土：青灰色，可塑为主。系中等压缩性，中等强度土层，工程性质中等。③1层粘土：黄褐色，可塑。系中等压缩性，中高强度土层，工程性质较好。③2层粉质粘土：灰黄色，可塑为主。系中等压缩性，中等强度土层，工程性质中等。④1层粉土：灰黄～灰色，很湿，稍密～中密。系中等压缩性，中等强度土层，工程性质一般。④2层粉砂：灰色，饱和，中密状为主。系中低压缩性，中高强度土层，工程性质较好。⑤层粉质粘土：灰色，软塑。系中高压缩性，中低强度土层，工程性质一般。⑥1层粘土：暗绿色～褐黄色，可～硬塑。系中等压缩性，中高强度土层，工程性质较好。⑥2层粉质粘土：灰绿～灰黄色，可塑为主。系中等压缩性，中等强度土层，工程性质中等。⑦1层粉质粘土：灰色，软塑为主。系中高压缩性，中低强度土层，工程性质一般。

路面结构层的平均重度为22 kN/m3。其中弹性模量E参考地区工程经验及相关文献研究成果，取为勘查报告中压缩模量Es的3～5倍[10-12]，有限元计算可取大值。

土层物理力学指标 表1

2.3 接触面处理

高铁桥梁桩与桩周土体的变形模量相差很大，在一定的荷载条件下有可能在两者的接触面上产生错动滑移。这时，应该在桩-土之间设置接触面单元，以更好的反映桩-土之间的变形情况。模型中，高铁桩基与桩周土、路面结构层与土体之间均设置接触面，以模拟桩-土之间的黏结、滑移、脱离，且认为分析过程中桩-土间的摩擦系数不变。接触面法向模型为“硬”接触，摩擦特性为Penalty，摩擦系数为tan0.75φ，接触面调节系数为2%。

2.4 模型工况

根据地质资料，该标段老路堤于2004年建成通车，模型中假设地基已经在老路堤荷载作用下固结已基本完成。初始地应力平衡时，先假设高铁桩和地基具有相同的重度，连同老路堤一起平衡，在第二步时将高铁桩基多余的重度及墩顶的高铁荷载施加上去，这样能较好的模拟地基的初始应力状态以及便于后续分析新路堤填筑对高铁桩基的影响。

ABAQUS中提供了生死单元，根据施工的先后顺序，将整个计算分析过程分为四个工况步（step），即：

step1初始地应力计算形成自重应力场；

step2添加既有高铁及高铁荷载（根据京沪高速铁路设计荷载，按最不利1000kN施加）；

step3开泰路非机动车道和人行道开挖；

step4开泰路非机动车道和人行道结构层填筑（填筑至原道路标高）；

图4 墩身高度水平位移（m）

图5 墩身高度竖向位移（m）

图6 基础顶面截面示意图

图7 基础顶面1-1截面水平位移（m）

图8 基础顶面1-1截面竖向位移（m）

图9 基础顶面2-2截面水平位移（m）

step5通车运营（参照道路设计荷载非机动车荷载按3.5kN/m2；人行道均按2.5kN/m2考虑）。

3 计算结果分析

3.1 高铁桥墩的变形

下穿道路对桥墩上部结构的影响表现为墩身的竖向和水平向的变形。根据三维数值分析，选取高铁墩号38#号作具体分析来判断对高铁桥墩的影响。

由图4和图5可知，38#号桥墩墩顶的水平位移较小，且运营期增加较少，不会对高铁的运营产生影响，如施工期X（高铁运行方向）的水平位移为0.55mm，运营期为0.68mm，位移方向均为向道路中心线内侧方向；墩身的竖向位移随墩身长度的变化较稳定，墩顶运营期的竖向位移和墩底的竖向位移均为0.41mm，方向竖直向下；水平位移由墩顶往墩底方向逐渐减少，运营期X向墩顶位移为0.68mm，墩底位移为0.45mm。

3.2 高铁基础面承台的变形

图7～图10为基础顶面1-1截面和2-2截面的变形汇总表，截面选取时以靠近开泰公路的点为原点，分别选取两个方向进行分析，1-1截面为与开泰公路轴线垂直的截面，2-2截面为与开泰公路轴线平行的截面，都选取内侧点为起始点（如图6所示）。

以38#桥墩基础底面为例：

①高铁基础面1-1截面的x向的水平变形为0.43mm，y向的水平变形为-0.13mm，且随着离开泰公路距离的增加变形较为稳定；

②高铁基础面1-1截面竖向变形为0.26～0.57mm，随着距离开泰公路距离的增加竖向变形减少显著，这主要是由受道路荷载的影响减少引起的。

③高铁基础面2-2截面与开泰公路轴线平行，水平位移和竖向位移变化稳定，其中X向水平位移为0.45mm，Y向水平位移为-0.13m，Z向竖向位移为0.41mm。

图10 基础顶面2-2截面竖向位移（m）

3.3 高铁桩基力学特性

高铁桩基的轴力和负摩阻力变化如图11和图12所示，可见施工和运营工况时浅部土层出现负摩阻力，桩基的摩阻力变化值在-0.5kPa～5.3kPa。最大摩阻力发生在地面下约70m处，浅部摩阻力变化较缓，深度摩阻力变化较陡。

图11 桩身轴力变化图（kN）

图12 桩身摩阻力图（kPa）

3.4 开泰公路路面变形

图13 运营期工况竖向变形云图（m）

图14 各工况地面竖向变形曲线图（m）

图13为运营期工况竖向变形云图，如图所示道路两侧的变形大致对称，道路的竖向变形呈现“波浪型”分布，竖向变形主要发生在拓宽的非机动车道和人行道。

选取施工和运营工况下，两高铁基础之间的地面竖向变形进行分析，由38#基础边指向39#基础边，如图14所示。最大变形发生在离高铁桥墩39#的非机动车道施工期的最大变形为2.22mm，运营期变形为4.28mm。

4 结论

①对高铁基础变形影响

根据数值分析，高铁桥墩基础主要产生沉降变形，最大沉降变形为0.41mm，但竖向位移随墩身长度的变化较稳定；桥墩墩顶水平变形最大，为0.68mm。高铁承台基础与开泰公路轴线垂直的截面水平变形为0.43mm，y向的水平变形为-0.13mm，且随着离开泰公路距离的增加变形较为稳定；竖向变形为0.26～0.57mm，随着距离开泰公路距离的增加竖向变形减少显著。

高铁承台基础与开泰公路轴线平行的截面水平位移和竖向位移变化均较为稳定，其中X向水平位移为0.45mm，Y向水平位移为-0.13m，Z向竖向位移为0.41mm。

高铁基础竖向变形值呈对称关系，两桥墩不产生不均匀沉降。

②对高铁基础桩基承载力的影响

根据数值分析，高铁桩基础桩底轴力增加20.84kN，施工和运营工况时浅部土层出现负摩阻力，桩基的摩阻力变化值在-0.5kPa～5.3kPa。考虑到桩的安全系数以及桩的承载力，此变化值对桩基承载力的影响可以不计，对桩端产生一定附加应力，但影响桩基础的沉降变形很小。

③对开泰公路路面变形的影响道路的竖向变形呈现“波浪型”分布，竖向变形主要发生在拓宽的非机动车道和人行道；施工期的最大变形为2.22mm，运营期变形4.28mm。

④保持原有道路地面的标高，在下穿道路在距离高铁线左右各50m范围内不增加道路填土造成的施工荷载，可以减少施工工况条件对高铁基础的沉降影响。

⑤在不能减小道路的填筑高度的情况下（包括新建道路的路面结构），可以采用刚性路基控制下穿道路的施工荷载和车辆运营荷载。

⑥在道路施工时控制高能量级的压实机械、增加分层压实的次数来控制施工过程中的机械超载。

⑦在施工过程中加强对高铁桥梁的监测，做到信息化施工。