铁路路基下穿高速公路时支挡结构施工对邻近桥墩的影响分析

陈孝义

(中铁四院集团广州设计院有限公司，广东广州 510600)

随着国内交通网络越来越密,相互交叉的工程建设会越来越多，对既有建筑物安全性保证研究已成为头等大事，路基支挡结构的开挖必将引起周围地基中地下水位和应力场的改变，导致周围地基土体的变形，将对邻近高速铁路桥墩产生附加变形[1-2]。桥墩结构对变形和沉降尤为敏感，若变形或沉降超过允许值，讲对既有高速公路运营安全产生影响。因此本文结合广州枢纽东北货车外绕线铁路下穿增莞高速公路的案例，运用弹塑性有限差分方法，模拟铁路路基支挡结构桩基施工对邻近桥墩的影响[1-5]，以期得到一些有益的结论。

1 工程概况

1.1 施工内容

广州枢纽东北货车外绕线铁路K57+120～+150段路基以路堤通过，地貌属于冲积平原区谷地，地形较缓，地面标高一般3.1～3.8 m，相对高差0.5 m，区内交通较为便利。

铁路路基里程K57+120～K57+150段约30 m下跨增莞高速，与增莞高速桥梁斜交通过，其中增莞高速为双向四车道两承台四桥墩结构，公路与铁路夹角约为50°，铁路路肩标高为7.03 m，铁路地基处理桩顶标高为2.53 m，其中K57+120～K57+150段为既有广深III、IV线，既有路肩距桥台约11 m，增莞高速梁底标高为17.5 m。

既有广深III、IV线铁路为四股道，在外侧增建外绕线，为加宽填方路基，填方高约4～4.5 m，地基处理最近的钻孔桩距既有桩基距离为4 m，为受限路基，设悬臂式桩基承台挡墙收坡。悬臂式挡土墙基础采用桩基承台结构,桩基采用直径1.0 m钻孔灌注桩基础，间距2.85 m。由图1、图2可知，图中1号、2号桩离既有墩台较近约4 m，其施工可能对墩台造成影响，以下将对此进行分析。

图1 路基下穿增莞高速公路支挡结构平面

图2 路基下穿增莞高速公路支挡结构横断面

1.2 地层岩性及土层物理力学参数

场地主要地层岩性及土层物理力学参数从上至下如下所示：(1)0：Q4ml素填土，松散，岩土施工工程分级：I级；(2)0-1：Q4al+pl 淤泥质黏土，流塑，σo=80kPa；Ⅱ级；(2)1-3：Q4al+pl粉质黏土，可塑。σo=150kPa，Ⅲ级；(2)4-2：Q4al+pl细砂，饱和，稍密，σo=120kPa，Ⅰ级；(6)1-2：Edn含粉砂钙质泥岩，强风化，σo=300kPa，Ⅳ级；(6)1-3：Edn含粉砂钙质泥岩，弱风化，σo=400kPa，Ⅳ级。见表1。

表1 土层物理力学参数

2 数值建模

有限元软件Midas/GTS是将通用的有限元分析内核与岩土结构的专业性要求有机地结合而开发的岩土与隧道结构有限元分析软件。计算分析主要采用Midas/GTS中的应力分析模块，主要分析路基支挡结构桩基施工对邻近高速公路桥墩承台与桩基受力和变形的影响。

2.1 模型建立

根据平面布置图1及横剖面图2，建立三维有限元模型(图3、图4)，土层参数取值如表1所示，岩土体材料本构采用修正摩尔库伦模型。墩柱上的桥梁荷载，采用22 000 kN的分布力等效代替。计算模型在X、Y两个方向的两侧都施加水平约束，底部加竖向约束，顶面为自由面，不加约束。

图3 三维有限元整体模型示意

图4 三维有限元模型局部示意

2.2 荷载工况

计算过程中分别按1号桩钻孔开挖施工与桩混凝土浇灌，2号桩钻孔开挖施工与桩混凝土浇灌。数值计算过程如下。

2.2.1 1号桩钻孔施工

采用钝化1号桩钻孔所在位置的土体单元来模拟挖孔，采用在孔壁施加沿深度线性增加的分布压力来模拟泥浆护壁(图5)。

图5 1号桩钻孔施工示意

2.2.2 1号桩混凝土浇灌

激活1号桩钻孔所在位置的单元，并将单元材料属性改为混凝土，以此来模拟1号桩混凝土浇灌(图6)。

图6 1号桩混凝土浇灌示意

2.2.3 2号桩钻孔施工

采用钝化2号桩钻孔所在位置的土体单元来模拟挖孔，采用在孔壁施加沿深度线性增加的分布压力来模拟泥浆护壁(图7)。

图7 2号桩桩钻孔施工示意

2.2.4 2号桩混凝土浇灌

激活2号桩钻孔所在位置的单元，并将单元材料属性改为混凝土，以此来模拟2号桩混凝土浇灌(图8)。

图8 2号桩混凝土浇灌示意

3 计算结果

在铁路路基支挡施工前，对模型场地进行地应力平衡和初始位移清零[6-8]，以分析支挡结构灌注桩施工对高速公路桥梁墩台及桩基的影响。

3.1 原场地地应力平衡

原场地地应力平衡后竖向应力和位移清零见图9、图10。

图9 地应力平衡后竖向应力

图10 地应力平衡后位移清零

3.2 灌注桩施工对墩台影响

墩台最终水平向位移如图11、图12所示，由图可知桥梁墩柱最大水平位移值约3.6 mm(Y向位移约3 mm，X向约1.9 mm)发生在墩柱顶部，位移方向朝着1号、2号钻孔灌注桩方向。

图11 桥梁墩台Y方向位移

图12 桥梁墩台X方向位移

桥梁墩柱最终竖向位移如图13所示，由图可知最大竖向位移约1.3 mm，发生在承台外缘(靠近钻孔灌注桩侧)，墩柱顶部竖向位移约1 mm。

图13 桥梁墩台最终竖向位移

4 结论

随着相互交叉的工程建设日益增多，本文以广州枢纽东北货车外绕线铁路下穿增莞高速公路的案例，结合土层参数，基于有限元Midas/GTS软件建立了三维数值模型，研讨了桩基开挖及混凝土灌注等因素对邻近高速公路承台桩的变形影响进行了分析计算，得到如下结论：

(1)通过三维有限元数值分析可知，距离最近的1号桩、2号桩开挖及混凝土灌注过程中引起增莞高速公路桥墩的最大水平位移及最大竖向位移及部位：①桥梁墩柱最大水平位移值约3.6 mm发生在墩柱顶部，位移方向朝1号、2号钻孔灌注桩方向；②桥梁墩柱最大竖向位移约1.3 mm，发生在承台外缘(靠近钻孔灌注桩侧)，墩柱顶部竖向位移约1 mm，说明支挡结构桩基施工对邻近桥墩影响较小。

(2)后续施工过程中通过对既有桥墩的监测[9-10]，实际桥墩在最大水平位移为4.1 mm，最大竖向位移为1.8 mm，计算结果与现场实际情况符合，进一步印证了桩基施工引起附近的增莞高速公路桥墩的影响值较小。