沪通铁路路基下穿京沪高速铁路桥梁施工影响分析

谢浩

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

沪通铁路作为“八纵八横”高速铁路主通道之一“沿海通道”的重要组成部分［1-2］，其线路多次下穿京沪高速铁路、沪宁城际铁路等运营高速铁路。下穿运营高速铁路施工不仅会改变既有铁路基础的应力和变形分布，还会导致工程施工难度加大，对新建铁路的应力和变形状态也会产生影响，因而大大增加了此类工程的安全风险。因此，在建设过程中须要重点解决新建铁路施工安全和既有高速铁路运营安全相互矛盾的问题［3］。

针对上述问题，国内已积累了部分相关研究成果。李番［4］通过对钻孔桩施工过程进行有限元模拟计算，得出附近土体应力、土体水平和竖向位移等计算值的发展趋势与实测值基本一致。耿传飞［5］采用有限元法模拟钻孔施工引起周围土体应力变化，并根据土体应力沿深度变化规律，探讨了不同钻孔顺序下桥梁施工对既有桥的影响。李智彦等［6］采用数值模拟研究钻孔灌注桩在各步施工工序下对周围土体应力和变形的影响，指出基础开挖步是核心风险源，并提出在既有桥桩结构周围土体进行注浆加固。马文琪等［7］运用FLAC3D 软件分析隧洞与钻孔灌注桩桩间距、桩长对既有隧洞变形的影响规律，得出隧洞竖向位移与桩间距大致呈线性变化，桩长的变化对隧洞的影响表现出有峰顶的双段线，桩底高程宜避免位于隧洞拱顶与拱底之间；陈聪等［8］对地铁隧道下穿既有铁路桥梁进行了有限元数值模拟，结果表明采用注浆加固和隔离桩防护可有效控制地表沉降和桩基位移。

本文以沪通铁路安亭下行疏解线新建路基下穿运营京沪高速铁路为工程实例，采用ABAQUS 软件进行三维有限元数值模拟，研究沪通铁路新建路基施工全过程对京沪高速铁路的影响。

1 工程概况

新建沪通铁路安亭下行疏解线采用单线有砟轨道路基，设计时速200 km，于DK131+063.94—DK131 +144.94段下穿运营京沪高速铁路，临近453#墩、454#墩（运营里程K1285+370—K1285+403，设计时速350 km无砟轨道桥梁结构），夹角约62°，与京沪高速铁路桥墩承台最小净距离2.2 m，如图1所示。下穿地段京沪高速铁路桥梁基础采用桩基础（10根），桩径1.0 m，桩长55～57 m。沪通铁路新建路基采用桩板结构加固，桩长40 m，桩径0.8 m，如图2所示。

图1 下穿地段平面位置示意（单位：m）

图2 下穿地段地基加固措施（单位：m）

2 计算模型与参数

2.1 计算模型

采用ABAUQS 软件建立下穿地段的三维数值模型［9-11］。沪通铁路安亭下行疏解线与京沪高速铁路斜交，考虑最不利状态和建模方便，计算模型以最近的距离（2.2 m）与既有京沪高速铁路路线垂直下穿，如图3所示。

图3 安亭下行疏解线下穿京沪高速铁路三维有限元模型

2.2 计算参数

土体的应力应变通常具有非线性、弹塑性、剪胀性、各向异性等特性，其本构关系是有限元分析的核心。为使模拟计算更精确的同时减小计算量，本文选用HS 硬化模型（Hardening Soil Model）模拟开挖影响较大的浅层土体；开挖影响较小的深层土体采用摩尔库伦模型模拟；桩板结构为钢筋混凝土结构，采用线弹性模型，弹性模量取28 GPa，泊松比取0.167。计算参数见表1、表2。

表1 浅层土体HS硬化模型参数

表2 深层土体摩尔库伦模型参数

3 数值模拟结果分析

3.1 桩基施工对京沪高速铁路的影响分析

桩基施工主要包括桩孔开挖和混凝土浇筑。

3.1.1 桩基施工对京沪高速铁路桥墩的影响

受桩孔开挖应力释放的影响，京沪高速铁路桥墩墩身发生水平位移和沉降，而在钻孔浇筑结束后，墩身变形基本恢复至施工前的状态，计算结果见表3。可知，桩孔开挖阶段最大水平位移均发生在墩底，京沪高速铁路453#，454#桥墩最大水平位移分别为0.410，0.526 mm。桩孔开挖阶段两墩沉降差最大为1.704 mm，钻孔桩混凝土浇筑阶段沉降差最大为0.092 mm。

表3 桩基施工阶段京沪高速铁路桥墩变形

TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》规定，无砟轨道相邻桥墩沉降差不应大于5 mm；铁运〔2012〕83号《高速铁路无砟轨道线路维修规则》规定，250（不含）～350 km/h线路轨道静态几何尺寸容许偏差经常保养值不应超过4 mm，即新建路基施工造成既有京沪高速铁路桥墩水平和竖向变形不应超过4 mm。由此可知，桩基施工阶段，对京沪高速铁路桥墩变形的影响满足规范要求。

3.1.2 桩基施工对京沪高速铁路桥面板的影响

由于相邻两桥墩发生差异沉降，桥面板发生向453#桥墩的倾斜。钻孔桩桩孔开挖、混凝土浇筑时京沪高速铁路桥面板坡率分别为0.054%，0.003%。根据TB 10002—2017 规定，无砟轨道桥梁相邻墩台梁端水平折角不应大于1%rad，该桥面板坡率远低于规范限值。

3.1.3 桩基施工对京沪高速铁路桩基础的影响

爱美之心人皆有之。在当今社会中，越来越多的青少年喜欢使用唇膏、指甲油、粉底液、眉笔等化妆品来打扮自己。却不知道，化妆品作为一种日用品，含有多种添加剂，可导致青少年性早熟、身材矮小等多种内分泌疾病。

选取京沪高速铁路453#桥墩下靠近沪通铁路新建路基一侧的单桩进行分析，桩位如图4 所示。沪通铁路桩基施工过程中桩基础的水平位移见图5。

图4 分析桩位示意

图5 桩基施工阶段京沪高速铁路桥墩桩基础水平位移

由图5 可知，桩孔开挖时京沪高速铁路桩基础发生向孔内的水平位移，最大为0.45 mm，而钻孔桩混凝土浇筑施工完成后，京沪高速铁路桩基础变形基本恢复。受泥浆护壁作用的影响，浅部桩周应力释放小于桩底，使得京沪高速铁路桩基础在该深度（新建桩基础桩底深度）附近发生最大水平位移。

综上，桩孔开挖过程中，地基桩周土体水平方向会产生一定的松弛，将对地基桩周一定范围内土体和结构物产生影响，混凝土浇筑过程则逐渐抵消了这部分影响。

3.2 筏板施工对京沪高速铁路的影响分析

筏板施工主要包括筏板基坑开挖和筏板混凝土浇筑。

3.2.1 筏板施工对京沪高速铁路桥墩的影响

筏板施工阶段京沪高速铁路桥墩变形见表4。受筏板基坑开挖应力释放的影响，京沪高速铁路桥墩墩身发生向坑内的水平位移和沉降，而在筏板混凝土浇筑结束后，桥墩变形基本恢复。筏板基坑开挖阶段相邻桥墩沉降差最大为2.511 mm，筏板混凝土浇筑阶段沉降差最大为0.658 mm。可见，筏板施工阶段变形较桩基施工阶段更为明显，但仍能满足TB 10002—2017和铁运〔2012〕83号的要求。

表4 筏板施工阶段京沪高速铁路桥墩变形

3.2.2 筏板施工对京沪高速铁路桥面板的影响

筏板施工阶段基坑开挖、混凝土浇筑时京沪高速铁路桥面板因桥墩差异沉降引起的坡率分别为0.079%，0.021%，远低于TB 10002—2017限值。

3.2.3 筏板施工对京沪高速铁路桩基础的影响

筏板基坑开挖阶段坑底土体应力释放向上隆起变形，周围土体发生向坑内的水平位移，引起京沪高速铁路桥墩桩基础发生水平位移，最大水平位移发生位置受应力扩散的影响稍低于坑底深度，位于桩顶以下3～5 m 深度内，为1.801 mm，见图6。筏板混凝土浇筑施工完成后，京沪高速铁路桩基础变形基本恢复。

图6 筏板施工阶段京沪高速铁路桥墩桩基础水平位移

综上，筏板基坑的开挖对运营京沪高速铁路的影响与桩基施工相似，存在土体的应力释放，对附近土体的应力、应变、位移产生影响。不同的是，筏板基坑开挖虽然深度较浅但是面积较大，影响范围深度较为集中，筏板混凝土浇筑后的土压力增大比桩基施工阶段要明显。

3.3 路基填筑施工对京沪高速铁路的影响分析

路基填筑施工相当于对运营京沪高速铁路附近地基进行加载，其产生的附加压力会导致地基土体应力、位移产生变化，进而影响京沪高速铁路桥梁结构。

3.3.1 路基填筑施工对京沪高速铁路桥墩的影响

路基填筑施工阶段京沪高速铁路桥墩变形见表5。可知，在填土荷载作用下京沪高速铁路相邻桥墩沉降差最大为1.867 mm。水平变形和相邻桥墩差异沉降较桩基施工阶段更为明显，但小于筏板基坑开挖阶段；竖向变形稍大于筏板施工阶段，满足TB 10002—2017和铁运〔2012〕83号的要求。

表5 路基填筑施工阶段京沪高速铁路桥墩变形

3.3.2 路基填筑施工对京沪高速铁路桥面板的影响

经分析计算，路基填筑施工阶段京沪高速铁路桥面板因桥墩差异沉降引起的桥面板坡率最大为0.059%，远低于TB 10002—2017限值。

3.3.3 路基填筑施工对京沪高速铁路桩基础的影响

路基填筑施工过程中京沪高速铁路桥墩桩基础水平位移见图7。可知，最大水平位移发生在距桩顶约41 m 深度处（新建桩基础桩底深度处），为0.482 mm，稍大于桩孔开挖阶段，小于筏板基坑开挖阶段。

图7 路基填筑施工阶段京沪高速铁路桥墩桩基础水平位移

4 现场监测数据分析

为确保京沪高速铁路在施工阶段的运营安全，验证理论数值分析的可靠性，施工过程中针对453#墩、454#墩的沉降进行了全过程监测，结果见图8。新建路基于2015年5月17开始施工准备，6月6日—9月24日为桩基施工阶段，453#墩、454#墩沉降先增大后减小，最大沉降分别为 1.004，0.547 mm；9 月 25 日—12 月 3 日为筏板施工阶段，453#墩、454#墩沉降先增大后减小，最大沉降分别为2.057，0.835 mm；12月3日—1月8日为路基填筑施工阶段，453#墩、454#墩沉降逐渐增大，施工完成后趋于平缓，最大沉降分别为1.961，1.122 mm。453#墩和454#墩在施工各阶段的沉降变化规律与数值模拟结果基本接近，但沉降最大值较数值模拟结果偏小。这表明数值模拟结果基本可靠，但略偏于保守。

图8 京沪高速铁路桥墩施工阶段沉降监测结果

5 结论

1）下穿地段桩基施工、筏板施工和路基填筑施工均会对运营京沪高速铁路桥墩产生一定影响，施工全过程中桥墩水平位移、沉降和相邻桥墩沉降差理论上最大值分别为2.484，3.798，2.511 mm，均满足《铁路桥涵设计规范》和《高速铁路无砟轨道线路维修规则》的要求。

2）京沪高速铁路桥面板坡率受新建路基施工影响程度较小，远低于规范限值。

3）桩孔开挖阶段受泥浆护壁作用的影响，浅部桩周应力释放小于桩底，京沪高速铁路桩基础最大水平位移发生在新建路基桩底深度附近；筏板开挖阶段，京沪高速铁路桩基础最大水平位移发生位置受应力扩散的影响稍低于坑底深度，位于桩顶以下3 ～5 m深度范围内；路基填筑阶段，京沪高速铁路桩基础最大水平位移发生在新建路基桩底深度处，这是由于桩基和筏板施工完成后加固区刚度远大于下卧层，地基变形主要通过下卧层传递。

4）筏板基坑开挖对京沪高速铁路桥墩和桩基础的水平变形影响最为显著，路基填筑对京沪高速铁路桥墩沉降的影响更加明显。

5）钻孔桩和筏板混凝土浇筑阶段，京沪高速铁路桥梁和桩基础变形基本恢复，表明钻孔桩和筏板混凝土浇筑可有效抵消桩孔开挖和筏板基坑开挖对京沪高速铁路桥梁、桩基础的不利影响。

6）453#墩和454#墩在施工各阶段的沉降变化规律与数值模拟结果基本接近，但沉降最大值较数值模拟结果偏小，数值模拟结果基本可靠，但略偏于保守。