道路下穿段工程建设对高铁桥梁基础的影响因素分析

赵振山

摘要：在社会经济的发展和城镇化建设规模的扩大中，城市道路和高速铁路也得到很大的发展，对相关的建设工作也产生了很大的影响。在我国的高速铁路当中，桥梁都是主要的承载结构，在其中肩负着极为重要的作用，因此在今后的交通线路发展当中，道路下穿既有高铁桥梁工程已经成为重要的工程方式。高速铁路的列车运营速度都比较快，而且高速铁路运输除了在特殊的情况下都是不能被中断的，因此对于运营中的高铁桥梁基础变位控制的要求就会比较高。但是道路下穿段运营这种方式，会对既有的高铁桥梁造成一定的影响，因此本文主要是对下穿道路的施工和运营可能产生的影响进行一定的分析，在这样的背景下，道路下穿段运营对既有的高铁桥梁基础影响进行了探究。

关键词：道路下穿;高铁桥梁;道路运营

随着城市和交通网的不断发展，城市道路与高速铁路之间的交叉已经成为主要的发展趋势，其中的桥梁工程更占据着主要的内容，是其主要的承载形式。下穿工程的施工对高铁桥梁桩基和土体的应力平衡进行了一定的改变，容易给高铁桥梁的墩台和上部结构造成位移和沉降性的问题，会在很大程度上影响到列车的正常运营。在下穿道路高铁工程的施工中，需要对前期的准备和后期的监测进行全面的重视，要对变形控制的要求进行满足，进一步的确保高铁列车的正常运营。

1 国内相关研究以及存在不足

陈彬科等人（2018）对下穿轨道工程中既有轨道的安全运营和新建下穿隧道施工方案的安全合理進行重视，对新建地铁下穿既有轨道车站工程的特殊性进行重视，将其作为基础内容来将重庆的某新建地铁下穿既有轨道车站最为主要的研究对象对其进行一定的研究，具体来说主要是利用MidasGTSNX仿真分析软件来对新建地铁进行仿真分析，然后采用上下台阶法对其进行有限元的计算和模拟，它主要是对轨道车站的结构变形和受力情况进行重视，然后获取其中的变化规律[1];易领兵等人（2018）对有限元软件进行一定的利用，对大断面暗挖隧道穿越京沪高铁北京特大桥的工程进行一定的分析，主要是对其中的桩基、承台、桥墩及桥面的位移变化规律进行一定的研究和分析[2];叶宇等人（2019）将沪昆铁路某隧道穿越沪昆高速公路工程作为主要的内容进行分析，主要是采用MidasGTSNX来对隧道与既有高速公路之间的不同相对位置进行一定的确定，然后对爆破施工可能会给高速公路路基和挡墙所能造成的影响进行一定的研究和分析[3];柴元四等人（2019）利用相似比理论来构建模型，通过模拟盾构开挖的方式来对扰动情况下的路基变形问题进行观察和分析[4]。

国内目前在高铁桩基沉降研究和监测中已经取得了一定的成果，但是在某些特定方面的研究依旧存在着不足。针对我国现有的高铁研究来看，大部分的研究还是由一些铁路相关院校和科研单位来进行攻克，但是还没有从顶层设计上进行入手对整个体系进行学习和研究，再加上我国国土范围比较广，地质也都各不相同，还没有形成一个统一的体系;另外，缺乏专门的城市道路桥梁下穿高铁引起的桩基变形研究，这在近些年城市都和高铁不断相交的发展趋势下是必须要重点关注的内容。因此对于下穿高铁项目来说，需要从各个方面出发来对其进行重点关注：一是要对仿真分析在此类项目的应用进行重视，要将体系建模和计算分析进行关注，如果不对其应用进行拓展，就很难通过统一的标准来对量化分析进行处理，再加上如果缺乏系统的资料收集和整理，也会给研究带来不利的影响。还要对后期数据与仿真的分析进行一定的验证，就目前的研究现状来说，这方面内容还处在一个比较落后的阶段，因此需要对这个方面的内容进行强化，做好相关的跟踪和验证，从而刚好的实现理论研究的优化和更新。

2 相关的工程案例基本概述

本文主要是将京沪高速的某一段作为重要的例子来进行具体的分析。铁路的孔跨试样主要是简支梁，并且不同的铁路段会有不同的孔，其跨度也会随着铁路里程的增加而出现一定的变化。一般来说，有些铁路段会设有一定的防护架，而有的则没有设置，主要可以将其分为三个方面的内容，分别是公路、国道和土路。本次京沪高铁工程桥长为80km左右，全程采用简支箱梁，桥墩采用单柱墩，桥墩基础采用钻孔灌注桩基础，桥上线路为双线。该工程的设计时速为350km/h，主要铺设的都是无缝线路和无砟轨道，对变形控制有着比较高的要求，这主要是因为高铁列车与普速列车不同，它具有更高的安全性和高速性的要求，对轨道结构的平顺性具有极大的要求，因此一定要对施工的沉降变形问题进行合理的控制，避免出现较大的问题。对于高铁桥梁来说，它的基础形式就是桩基础，因此在实施道路下穿工程的时候，需要对高铁桥梁桩基的沉降和变形问题进行重视。

3 建模和数值分析

3.1 外部荷载计算思路

要把承台顶面作为主要的分界面，将其分为上下两个部分的内容，然后再对其进行详细的计算和处理。总体来说，外部荷载的计算可以按照两个阶段的内容来进行操作：第一阶段是对路基填筑施工中桥梁基础变形问题进行重视，然后做好相关的计算工作;第二个阶段是对基础沉降的问题进行重视，对其可能会引起的桥墩变形进行一定的计算。另外，在计算的时候还要对高铁建设中列车荷载和桥跨恒载现象进行充分的考虑，对墩顶的最不利支座反力进行计算，还要对高铁建设中容易出现的风力和桥墩自重等方面内容进行充分考虑，对承台能承受的外力现象进行计算，对不利的荷载的现象进行计算。

3.2 公路钢架结构施工方案

想要对公路钢架结构施工方案设计的合理性进行保证，需要对公路钢架结构的连续板结构进行合理的设置，进而对建模工作进行模拟。首先，要对区域桩体混凝土浇筑进行重视，还要对桩成孔的制作工作进行重视，要按照这样的方式来完成其他区域的浇筑;其次，要对区域槽进行一定的挖掘，还要对梁自重进行预压，同时还要做好连续性的浇筑工程，并且要按照浇筑的顺序来对依次完成其他梁的浇筑工作。

3.3 有限元模型的建立

要建立起完整的有限元模型来对相关的数据进行计算，一般是对Abaqus软件进行利用，然后模拟仿真计算。对于Abaqus软件来说，它是一套功能强大的工程模拟软件，这种有限元法的模型构建拥有几个突出的特点：（1）能够对非线性问题进行求解，还可以在计算中对各种复杂的材料本构关系进行一定的模拟;（2）可以对非均质问题进行更好的处理，能够对各向异性问题进行一定的模拟;（3）具有比较强的适应性，能够对各种复杂边界的条件进行适应;（4）在前处理和后处理技术的不断发展下，能够对方案的比较和分析进行更好的处理，可以借助图形更快的计算出相关的结果，对工程方案的优化具有重要的促进性作用。一般来说，在岩土工程中比较适合采用有限元的方法进行模拟计算，目前来说利用ABAQUS软件能够进行土体和桥梁耦合的CAE有限元分析，这也是目前岩土领域的一个重要发展方向。

利用有限元建模的基本原则就是：首先是对既有的高铁桥梁结构物和各土层作为基本的初始状态，然后对土层的初始应力状态进行计算;其次是要将该应力状态作为主要的基础，在这样的基础上对运营阶段模型进行建立，然后对土层的应力及沉降变化情况进行计算，进而对土层变形在高铁桥梁基础的附加影响进行有效的考察，其中主要运用的土层包括黏土、粉砂、淤泥质黏土和粉质黏土等。

在进行工程建设的过程中，一定要对当地的地理情况和岩土工程情况进行重视，对其主要的参数进行合理的设置，对岩土使用的合理性进行有效保证。首先要对铁路桥梁上部结构进行一定的阶段，然后对计算得到的荷载施加在承台顶，然后对桩基所处的初始应力状态进行一定的计算，最后再对下穿段的施工和运营的数值进行模拟，要对下穿道路段的施工和运行进行重视，对其影响进行关注。在计算的过程中，需要对土体应变的本构理论进行积极利用，然后利用弹塑性模型做好对其的支撑工作。另外，还要对个结构部件与土体的相互作用进行重视，做好模型的构建。对于计算模型来说，一般是采用笛卡尔坐标系来进行计算，将负向的大里程设置为高铁纵向，分别设置x轴、Y轴和z轴，将铅直向上定为Z轴正方向，X轴按右手定则确定，Y轴按照高铁纵向方向进行确定，具体模型可以为图1所示。

4 计算结果的分析

4.1 对高铁桩身侧摩阻力造成较大影响

道路下穿段的运行会给运营荷载量造成影响，这会导致其出现增加的趋势，桩侧的摩擦力会在不同的时间出现不同的变化（表1所示），一般是随着桩深度的增加而出现桩侧摩阻力先减小后增大的趋势，因此需要将桩深为40m处的地方作为高铁桩建设的重要转折点，对减少桩身摩擦阻力具有重要意義。另外，还要对下穿段的开挖和浇筑工作进行重视，对桩摩擦阻力的预压和浇筑进行重视，控制好相关的摩擦力，防止对路基建设造成不利影响。

4.2 对高铁桥桩身的轴力造成较大影响

通过对具体的数据进行分析之后可以发现（表2），运行荷载的增加会随着下穿段开完施工的展开而出现不断增大的趋势。一般来说需要将桩深控制在40cm的范围之内，桩深轴力一般会随着桩深的增加而出现轴力的增加，但是在达到一定程度之后，还会出现逐渐减小的发展趋势。在进行开挖的过程中，需要对桩侧身轴力和下穿短钢架桩基的开挖进行重视，它们会给实际开挖造成很大的影响，因此需要对桩基开挖的具体因素和对桩侧的摩擦阻力进行明确。

4.3 对群桩基础土体变形造成影响

通过对高铁桥梁的具体建设情况进行一定的了解可以发现（表3），在对路基进行填筑的过程中容易给周围土体的造成沉降变形和荷载量的增加，等到路基填筑的施工完成之后就会给路基坡脚处造成不利的影响，其中比较容易出现的是土体沉降的问题，并且会随着运营的荷载量的增加而不断增大。通过进行一定的研究可以发现，运行荷载和路基填筑会给靠近桩基土体造成一定的影响，比较容易出现的是路基外侧外衣和土体向下的情况。

路基周围土体出现严重沉降变形的主要原因是路基的填筑，与坡脚的水平距离一般与沉降变形值之间会形成一定的衰减性曲线，一般来说，如果沉降变形比较小，那就说明与路基坡脚还存在一定的距离。等到路基填筑施工完成之后，路基坡脚的土体和群桩承台出土体会存在沉降的现象。在运营荷载不断增加的影响下，土体变形的情况也会出现一定的增大，而且随着路基填筑的完成，桩基顶部会出现竖向位移和回弹变形的情况，进而给桩基造成倾斜的问题，并且还会根据运营荷载量的增加而出现倾斜度增加的问题。把路基填筑的工作完成之后，需要对路基荷载进行重视，对可能会出现的桩基顶部水平位移进行合理处理。这些情况就可以清楚的说明，在路基修筑和运营荷载的作用中，桩基附近的地表下的土体会产生向下和向路基外侧的变形，容易造成桩基上部想路基倾斜的问题，会给桥梁施工的稳定性造成不利的影响。

5 结语

高铁建设正处在一个快速发展的重要时期，很多高速铁路段的新建工程都与既有的道路形成了一定的交叉点，这种情况对铁路运营的安全性会造成很大的影响，因此需要对其施工进行重点关注。本文主要是对城市道路下穿京沪铁路工程为主要的依托，将大量的施工资料和相关文献作为基础进行了分析，并且要在相关标准的基础上来对方案进行设计，然后采用有限元分析软件对其进行模型分析和计算分析。本次研究不仅可以在具体应有的研究上对我国轨道交通建设的发展进行促进，尤其是对我国高铁与城市交通节点方面的处理进行发展，其中的很多思路和方法都可以为后续的其他工程施工提供一些新的借鉴方法，对促进我国交通网络的稳定发展具有一定的作用。

参考文献：

[1]陈彬科，陈林杰，吴建辉，等.新建地铁下穿既有轨道车站施工方案研究[J].中外公路，2018（06）：186-189.

[2]易领兵，刘鹏，杜明芳，等.暗挖区间下穿施工对高铁桥的影响分析——以北京新机场线区间下穿京沪高铁北京特大桥工程为例[J].隧道建设（中英文），2018（S2）：126-135.

[3]叶宇，余春涛，刘新荣，等.某铁路隧道下穿高速公路爆破振动研究[J].地下空间与工程学报，2019（01）：219-225.

[4]柴元四.盾构下穿对既有铁路路基影响的模型试验研究[J].路基工程，2019（02）：120-124.