既有铁路下方涵洞内新建箱涵施工方案

2021-08-13曹鹏飞胡俊浩石钰锋

科技和产业 2021年7期

曹鹏飞，胡俊浩，李建，石钰锋

（1.南昌轨道交通集团，南昌 330038；2.华东交通大学土木建筑学院，南昌 330013）

由于铁路线路运行速度快，列车的运行对铁路线路横向、竖向变形要求非常高。在既有铁路附近施工对地层的扰动会影响到铁路正常运营，而列车运行产生的附加荷载也会对施工造成一定影响［1-4］。在既有铁路临近施工必须慎重选择合理方案，为此，针对某既有铁路下方涵洞内新建箱涵工程的设计施工方案开展研究，以期为今后类似的工程提供借鉴。

1 工程概况

某市政道路涵洞与既有铁路线路正交，现拟在涵洞内新建雨水箱涵，需对既有涵洞下方路基进行开挖后进行雨水箱涵建设，完成后回填恢复原市政道路。

既有涵洞结构由两个两孔钢筋混凝土箱涵组合而成，新建箱涵处于车行道下方，其顶板紧贴道路顶面，考虑到箱涵顶板荷载较大，箱涵为双孔矩形暗渠形式，采用混凝土现浇施工。既有铁路为单线有砟轨道结构，铁路路基断面为梯形，路基断面上边宽10 m，下边宽19 m，路基高度为3 m。新建箱涵施工位置及尺寸参数断面图如图1、图2 所示。

图2 既有涵洞施工开挖区域与铁路线路纵断面图

雨水箱涵建设不可避免地对既有涵洞及上方铁路造成影响，为此需要开展方案研究。

2 设计方案比选

2.1 方案初步拟定

针对本工程的具体情况，施工方初步提出了以下两个方案。

方案1：挖除新建雨水箱涵区域的土体，直接浇筑雨水箱涵结构。施工作业区域如图3 所示。

图3 施工作业区域

方案2：在雨水箱涵两端外露侧预先建立桩径为1.2 m，嵌入深度为3 m 的桩基，再浇筑雨水箱涵结构。桩基与新建雨水箱涵的位置关系如图4所示。

图4 桩基与新建雨水箱涵位置关系

既有涵洞上方为运营铁路线路，新建箱涵的施工在既有涵洞内部进行，由列车荷载带来的影响必须纳入考虑。为此，通过数值模拟手段，分别分析在有、无列车荷载的作用下，两种施工方案对上方铁路的影响，以此来选择合理的施工方案。列车荷载按照规定采用《铁路路基设计规范》（TB 10001—2016），将列车和轨道荷载全部作为静荷载计算，换算成具有一定高度和分布宽度的土柱，计算时将路基面上的轨道静载和列车竖向荷载一起换算成与路基土体容重相同的矩形土体，选取的换算土柱宽度为3.2 m，高度为3.4 m［6］。

2.2 计算比选

2.2.1 模型建立及参数选取

采用大型数值计算软件FLAC3D建立三维数值模型，根据实际工程情况，模拟采用以下假设：①既有涵洞下部土体均为水平层状均质土体；②不考虑地下水位；③初始地应力计算仅考虑自重应力，不考虑构造应力；④假定既有铁路的路基与轨道结构变形一致［5］。

为更加真实地模拟现场的实际情况及消除边界影响，模型长度定为100 m，宽度为30 m，高度为30 m。土体和铁路路基采用摩尔-库仑本构模型，既有涵洞、新建雨水箱涵、路面均采用线弹性本构模型，所有单元均为实体单元。计算模型如图5 所示。材料物理力学参数见表1。

图5 计算模型

表1 材料物理力学参数

2.2.2 计算结果

考虑到本工程在既有铁路下方进行施工，施工过程中铁路路基的竖向变形值是工程重点关注的指标。分别在基坑开挖完成后及雨水箱涵建立后对铁路路基路肩处的变形数据进行提取。

1）铁路路基变形（无列车荷载作用）。不施加列车荷载时，施工对铁路路基的影响如图6 所示。由图6 可知，两种方案下，施工对铁路路基的影响都主要表现为路基土的隆起，且隆起主要集中在基坑开挖的过程中，最大隆起为3.1 mm。浇筑混凝土箱涵和回填土体时，铁路路基的隆起有所减小，最终隆起不到1 mm。可见新建雨水箱涵的施工对上方铁路影响不大。

图6 方案1 与方案2 铁路路基变形对比（无列车荷载作用）

对此，本文认为是因为施工是在既有涵洞内进行的，既有涵洞作为钢筋混凝土结构，起到了预支护的效果，与直接在地层进行开挖卸荷不同，在涵洞内施工对上方铁路的影响十分有限。

2）铁路路基变形（有列车荷载作用）。在有列车经过时，必须考虑在列车荷载作用下施工对铁路运营的影响。通过换算土柱法施加均布荷载在铁路路基上，施工对铁路路基的影响如图7 所示。

由图7 可知，考虑列车荷载时，铁路路基的变形主要表现为沉降形式，既有涵洞上方的铁路路基沉降相对较少，这是由于既有涵洞对其上方土体起到了支护作用。而位于既有涵洞两侧的土体由于没有这样的支护，沉降曲线斜率突然变大，沉降值增幅明显，最大沉降为1.9 mm。

图7 方案1 与方案2 铁路路基变形对比（有列车荷载作用）

通过对比发现，无论是采取方案1 还是方案2 的方法对雨水箱涵进行施工，铁路路基的变形曲线基本是重合的，这说明有没有采用桩基对新建雨水箱涵进行支承对上方铁路影响的差别不大。考虑到方案1 更加经济且能缩短工期，这里初步选择方案1 作为施工方案。下面分析用方案1 的方法进行施工是否会对既有涵洞结构造成较大破坏。

3）既有涵洞受力情况（方案1）。提取在有列车经过时既有涵洞的最大主应力，最大主应力云图如图8 所示。

图8 既有涵洞最大主应力云图

由图8 可知，既有涵洞的最大主应力基本都为压应力，只在局部有拉应力出现，压应力最大值约为5 MPa，小于C30 混凝土的抗压强度设计值20.1 MPa，拉应力最大值约为0.93 MPa，小于C30混凝土的抗拉强度设计值2.01 MPa，满足强度要求。在既有涵洞的边角处，应力突然增大，有应力集中现象出现，在具体施工中，应当加强对既有涵洞结构的监测，确保施工顺利进行。

3 实施效果

3.1 现场监测结果

结合数值分析结果和工程的实际情况，本工程最终选择无桩基支护的方案进行施工。

根据设计文件和现场情况，铁路路基监测点布置在路肩处，每5 m 布置一个，共布设测点18 个，测点布置图如图9 所示。测点布置线与数值模拟中的监测线位置一致，将最终监测结果和方案1 的数值模拟结果进行对比分析，两者的变形曲线如图10所示。

图9 监测测点布置

图10 实测与模拟路基沉降曲线对比

由图10 可以看出，铁路路基数值模拟整体变形趋势和实际监测的变形规律是一致的，监测值与考虑列车荷载作用的模拟值吻合较好，说明在铁路下方施工必须要考虑列车荷载，这也验证了模型的合理性。监测值整体差异沉降更小，这是由于实际工程中对铁路采取了相应的保护措施。实际监测的变形在1 mm 左右，整体差异沉降非常小。