新建铁路下穿对运营高铁桥梁变形影响研究

2021-07-19解建超

铁道勘察 2021年3期

解建超

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

1 概述

随着我国新建工程下穿运营高铁工程越来越多,而运营高铁对工后变形较为敏感,为了确保高铁运营的安全,已有许多学者进行相关研究。蒋小锐等基于珠三角新塘经白云机场至广州北站城际铁路区间隧道下穿武广高铁花都特大桥这一实际工程,探讨隧道下穿高铁工程的控制标准及施工控制措施,并结合轨道变形及车辆系统动力响应分析,研究施工期间高速铁路限速运行措施[2];白兰兰结合软土地区地铁上部修建市政道路路基,提出轻质EPS联合轻质U形槽的设计方案,对断面形式、U形槽结构进行计算分析[2];徐俊娥以松软土地基条件下市政道路以路堑U形槽下穿京津城际刚构桥为例,通过数值模型分析设计施工方案[3];夏春燕结合公路下穿京沪高铁,通过ABAQUS模型分析新建道路桩板结构施工对高铁桩基负摩阻力、桩身轴力和差异沉降的影响[4];储胡照以市政道路下穿城际铁路桥梁为例,采用“桥梁博士”对比分析采用高桩板方案和多跨门式刚构桥方案的弯矩分布[5];曾思坡对城市道路下穿运营高铁桥梁采用桩板结构的方案进行分析,在桩基嵌入岩石的情况下,通过理论计算,分析新建道路荷载及车辆撞击力对高铁桩基承载力的影响[6];张磊结合铁路下穿高速公路桥梁,在压缩层较厚,但是有岩石地基的情况下,对比分析采用“双侧悬臂墙+复合地基”与桩基U形槽方案的优缺点[7-8];张文斌结合城际铁路下穿杭甬高铁桥梁,通过Midas/GTS有限元,研究了桩板结构及简支梁两种结构形式下穿对高铁桥墩承载力和沉降的影响[9]。

不难看出,已有新建工程下穿高铁桥梁大多以桩板结构或以桥梁结构形式下穿,而以U形槽下穿的情况较少,在已有研究成果的基础上,结合工程实际,针对新建铁路高填路堤下穿对高铁桥梁变形影响进行研究。

2 工程概述

新建豆双汊周联络线铁路为Ⅰ级铁路,下穿段津保高铁桥梁为有砟铁路,设计时速250km,相交角度为66°,该处高铁梁跨为32m,梁底距地面高16.80m。受跨河跨路影响,下穿津保段线路纵断面高程无法进一步降低,轨面距地面6.8m,拟采用路基形式通过。为减少对既有津保桥梁的影响,拟采取“钻孔桩+U形槽”通过,该结构整体性强、施工工艺可靠、对土体扰动小[10-11]。U形槽采用C40钢筋混凝土结构,侧墙高4.8m,顶宽0.4m,底宽1.1m,底板宽12.1m,厚1.0m,U形槽底部采用C40钢筋混凝土钻孔灌注桩加固,钻孔灌注桩与U形槽刚结,钻孔灌注桩桩径1.0m,设计桩长分别为25m、35m和45m,桩纵、横向间距4.5m,线位中心与桥梁承台最小间距7.3m(见图1～图3)。若采用EPS(密度为20～30kg/m3)进行路基填筑,可大幅减少上部结构荷载,但抗压强度仅100～180kPa,且压缩模量小,难以满足铁路运输要求[12]。泡沫轻质混凝土作为一种轻质的路基填料,湿重度为600～700kg/m3,抗压强度不小于1.0MPa,在帮宽既有高铁路堤中得到大量应用[11]。以下分别采用普通路基填料和泡沫轻质混凝土填料进行对比研究。

图1 下穿高铁平面位置(单位:m)

图2 下穿高铁横断面(高程单位:m;其余:cm)

图3 下穿高铁现场

下穿位置地层由上至下主要为:①黏土:黄褐色,软塑,σ0=90kPa;②粉质黏土:褐灰色,流塑,σ0=90kPa;③粉质黏土:灰黄色,软塑,σ0=120kPa;④粉质黏土:黄褐色,软塑,σ0=140kPa;⑤黏土:褐黄色,硬塑,σ0=140kPa;⑥粉质黏土:褐黄色,软塑,σ0=160kPa;⑦黏土:黄褐色,软塑,σ0=160kPa;⑧粉质黏土:黄褐色,软塑,σ0=180kPa;⑨粉质黏土:黄褐色,硬塑,σ0=200kPa。

在深厚松软土地区,新建铁路下穿对既有铁路桥的影响比较复杂,以下通过ABAQUS有限元软件建立“钻孔桩+U形槽”及既有桥梁三维模型,分别研究路堤桩基U形槽桩基设计长度为25m、35m、45m时,采用普通填料和轻质混凝土对既有高铁桥梁的变形影响。计算中,初始位移为0,地基土和路基填料服从M-C非线性弹性变形规律,通过建立铁路桥梁模型计算土层应力及位移,分析U形槽及轨道列车荷载作用下对铁路桥梁的影响。

3 模型建立

3.1 材料参数

模型主要材料和地层力学参数见表1、表2。

表1 主要材料力学参数

表2 地层力学参数

模型计算中,地层弹性模量是影响计算结果的关键参数之一,弹性模量一般按压缩模量的倍数选取,通过复核模量法沉降计算结果反推模型压缩模量的倍数。

采用复合模量法计算地基变形,地基内的应力分布按各向同性均质线性变形体进行计算[13]。

式中,s为地基最终变形量/mm;s′为按分层总和法计算出的地基变形量;n为沉降计算深度范围内所划分的土层数;p0为路堤基底附加应力;zi、zi-1为路堤基底至第i层土、第i-1层土底面的距离;¯αi、¯αi-1为路堤基底计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数;Ψs为沉降计算经验系数,根据地区沉降观测资料及经验确定。

当数值模型采用3倍压缩模量时,其计算结果与复核模量法计算结果对比见表3。

表3 路基沉降计算结果

由表3可知,地层弹性模量取3倍压缩模量时,数值模型与复核模量法计算结果较为接近,故本次数值模型采用3倍压缩模量。

3.2 模型尺寸

为保证计算模型的收敛性和准确性,断面计算范围为:横向取U形槽边墙外55m,沿线路方向取45m,地基土层厚70m。

图4 模型尺寸(单位:m)

3.3 几何模型

4 结果分析

4.1 U形槽及桥墩的沉降

图7～图9为U形槽沉降计算,从图7～图9可以看出,采用普通填料时,随着桩长加长,桩基U形槽与周围土体呈现出更强的整体下沉趋势,桩长较短时,局部沉降更为明显。U形槽自身沉降对比见表4。

图5 模型网格

图6 桩长25m模型

图7 桩长25m时U形槽沉降云图(单位:m)

图8 桩长35m时U形槽沉降云图(单位:m)

图9 桩长45m时U形槽沉降云图(单位:m)

从表4可以看出,不同设计桩长下,轻质混凝土填料可明显减少U形槽自身沉降。随着桩长的加长,沉降减小,更多的荷载传递到深层压缩系数较低的土层。

表4 U形槽自身沉降 mm

普通填料与轻质混凝土填筑下,不同设计桩长时引起桥墩的附加沉降见表5。

表5 桥墩附加沉降 mm

从表5可以看出,采用轻质混凝土填料可降低铁路对高铁桥墩的沉降影响,桩长越短,轻质混凝土的作用越明显,填筑轻质混凝土使桥墩沉降减小了38%～41%。TB10002.1-2017《铁路桥涵设计规范》规定,设计时速250km及以上有砟轨道静定结构墩台基础工后沉降限值为墩台均匀沉降30mm,相邻墩台沉降差15mm[14]。采用普通填料时,桥墩附加沉降较大,桩长25m、35m时难以满足差异沉降要求。桩长45m或采用轻质混凝土填料时,桥墩附加差异沉降为规范限值的40%～67%。桩长大于35m且采用轻质混凝土填筑时,附加差异沉降为规范限值的40%～53%。

TG/GW116—2013《高速铁路有砟轨道线路维修规则》中轨道高低平顺性规定见表6～表8[15]。

表6 轨道静态几何尺寸容许偏差管理值 mm

表8 桥墩竖向附加折角 rad

对于有砟轨道,假定轨道沿铁路方向为无限长的柔性结构,当变形量较小时,轨道变形与桥面变形一致,可认为轨道变形控制与桥梁变形控制相同。据此可将轨道静态高低偏差管理值转换为容许折角[16]。

对比表7和表8,桥墩竖向附加折角小于作业验收容许折角的50%。新建路基在两桥墩的中心穿越,引起两桥墩的附加沉降相同,故造成线路折角较小。

表7 轨道静态几何尺寸容许折角 rad

4.2 桥墩水平位移

TB10002.1—2017《铁路桥涵设计规范》规定,设计时速200km及以上铁路墩顶横向水平位移引起的桥面处梁端水平折角不应大于1‰ rad,采用普通填料时,桥墩水平位移数值模拟计算见图10～图13。

图10 桩长25m桥墩水平位移(单位:m)

图11 桩长35m桥墩水平位移(单位:m)

图13 桥墩水平位移变形(放大150倍)

从图10～图12可以看出,采用普通填料时,桩长25m、35m、45m时,根据线路交叉66°角度关系,计算得到,路堤及列车荷载作用下墩顶最大横向附加位移分别为9.7mm、7.7mm、6.1mm;根据桥墩的横向相对位移及简支梁桥墩间距32m,计算得到桩长25m、35m、45m时,附加折角分别为 0.91‰ rad、0.72‰ rad、0.57‰ rad(均满足规范限值1‰ rad)。不难看出,桩长由25m加长到35m时,墩顶横向水平位移减小2mm;桩长由35m加长到45m时,墩顶横向水平位移减小1.6mm。新建铁路与既有高铁的交叉角度为66°,桥墩沿高铁线路横向位移较小,而沿高铁线路纵向位移较大。