浙江软土地区某河道开挖工程对既有铁路安全运营的影响

何俊松

【摘 要】 文章基于地勘资料和设计方案，采用Midas GTS NX有限元数值模拟的手段，对河道开挖施工过程中对邻近既有铁路大桥位移的影响进行了计算和分析，并根据计算结果对该工程进行安全评估。计算结果表明：河道开挖施工对既有铁路存在一定影响，但影响程度较小，满足现行规范要求。

【关键词】河道开挖; 既有铁路桥梁; Midas GTS NX; 有限元模拟上部结构位移

近年来，随着地方基础建设的快速发展，邻近既有高速铁路运营线的河道开挖工程日益增多[1]，由于河道在开挖过程中，使得高速铁路线下的土体区域受力平衡被打破，引起土体应力重分布，最终对高速铁路的路基和桥梁结构产生新的位移[2]，特别是在发达的东南沿海软若土地区（ 如杭州、上海等），其地层条件较差，既有高速鐵路线路旁进行河道开挖工程施工更易引起高速铁路路基的变形，从而危及到铁路的安全运营[3]。因此，需要在开挖施工前对既有铁路进行安全评估，并提出规避和降低不利影响的建议措施以供参考。本文基于三维有限元软件Midas GTS NX对杭州某河道开挖施工过程进行数值模拟，分析河道开挖对既有铁路的变形影响，并做出安全影响评估。

1 项目工程概况

1.1 河道开挖工程概况

河道开挖工程位于浙江省台州市境内，河道开挖的范围距离既有铁路最近约12 m，河道左岸开挖约98 m，右岸开挖约49.3 m，河道开挖处地表高程约5.34 m，此次河道开挖至河底高程-0.09 m，开挖深度约5.43 m。既有铁路跨河道处桥梁，设计为一座四线桥和单线桥，四线桥为直线桥，桥宽20 m，单线桥为曲线桥，曲线半径1 200 m，桥宽5 m，四线桥与单线桥间距为9 m。

1.2 既有铁路桥梁参数

既有铁路的等级为国铁I级，轨道为有砟轨道。铁路大桥孔跨型式为：（2-12 m）框架+（20+20）mT构+5（2-12m）框架。该桥框架部分采用预应力管桩（PHC500-B）进行加固，T构部分采用钻孔桩基础，T构边、中墩均为矩形实体墩，墩台下方与承台连接。大桥立面如图1所示，桩位平面布置如图2所示。（图中只画出距离本次河道开挖较近部分结构，即框架①、⑤、⑥，边墩②、④和T构③）。

1.3 土层条件

根据地勘资料，大桥所在位置土层物理力学参数见表1。

2 河道开挖设计方案

河道开挖工程设计方案在布置上，包括两岸河道开挖以及开挖后左岸新建护岸长度98 m，右岸新建护岸长度49.3 m。

30左岸河道向左侧开挖宽度约12 m，右岸河道向右侧开挖宽度约6 m，两岸均开挖至河底高程-0.09 m，开挖深度约5.43 m，从上至下依次采用1∶1.5放坡开挖+水平开挖+1∶2放坡开挖直至开挖到-0.09 m高程处，河道开挖后左岸采用浆砌块石挡墙和松木桩进行支护以及0.6 m厚的抛石护脚，右岸采用干砌块石挡墙以及0.6 m厚的抛石护脚，最后分别回填挡墙后部分土体，并在地表填筑至6 m高程修建路面，路面宽度为3 m。

3 河道开挖数值模拟分析

3.1 模型建立

利用Midas GTS NX软件对河道补偿施工过程对既有铁路影响进行三维数值模拟，模型选取既有铁路桥梁（包括单线和四线）的框架①、边墩②、T构③、边墩④、框架⑤、框架⑥处周围的岩土体和结构物作为模拟对象，模型尺寸为：顺桥向长度200 m（Y向）、横桥向宽度120 m（X向）、深度60 m（Z向），建立的模型如图3所示，模型中地层分布如图4所示。

3.2 模型边界条件

几何模型的边界条件分别设置为：底部施加完全固定约束，侧面施加法向固定约束，而切向方向不约束，模型的上表面为自由边界、无约束。

3.3 本构及参数选取

岩土体采用修正Mohr-Coulumb本构模型模拟，支护结构等结构体系采用弹性本构模型模拟[4]。岩土体计算参数参照地勘资料进行取值。

3.4 施工工况设置

施工过程模拟按照实际施工顺序分步进行，本次模拟设置工况如下（图5）：

工况1：场地初始应力场平衡;

工况2：既有铁路施工;

工况3：两岸河道开挖;

工况4：两岸挡墙、松木桩及抛石护脚施工;

工况5：两岸挡墙后回填及地表填筑施工。

3.5 河道开挖对桥梁位移的影响

河道开挖工程施工完成后，对既有铁路桥梁的上部结构产生的位移场如图6所示，桥梁上部结构顶部累计位移统计见表2。

由表中可以看出：既有铁路大桥最大累计水平位移发生在单线桥框架⑥，为-0.05 mm;最大竖向累计位移也发生在单线桥框架⑥，为-0.08 mm。

4 结论与建议

参照现行规范要求[5]和数值计算结果，河道开挖施工对既有铁路大桥（包括四线桥和单线桥）安全运营影响的结论如下：

（1）对于四线桥：最大橫桥向累计位移发生在框架①，位移为0.03 mm;最大顺桥向累计位移发生在框架⑥，位移为-0.04 mm;最大竖向累计位移发生在框架⑥，位移为-0.07 mm。四线桥上部结构的水平位移和竖向位移均满足规范限制3 mm要求。

（2）对于单线桥：最大橫桥向累计位移发生在框架⑥，位移为0.08 mm;最大顺桥向累计位移发生在框架⑤和⑥，位移为-0.04 mm;最大竖向累计位移发生在框架⑥，位移为-0.08 mm。单线桥上部结构的水平位移和竖向位移均满足规范限制3 mm要求。

根据分析结果，河道开挖对既有铁路存在一定影响，但程度较小，满足现行规范要求，现根据计算分析结果提出以下建议：

（1）在进行河道开挖施工时，应严格控制开挖速率，且必须进行分层开挖，建议开挖和填筑采用轻型机械，特别在横桥东侧30 m的范围，以减少对铁路的扰动。

（2）为尽量减小施工过程中河道开挖对铁路产生的不利影响，建议按开挖区到铁路的距离，采取由远及近的方式进行河道开挖。

（3）施工过程中以及施工过后应加强对铁路桥梁变形和位移情况的监测。

参考文献

[1] 刘建元，邱超.河道开挖对周边土体影响的数值分析[J].山西建筑，2018，44（31）：61-62.

[2] 肖旺.基坑开挖对临近城际铁路车站承台桩的影响评估分析[J].铁道勘测与设计，2018（4）：93-97.

[3] 禚一，张军，宋顺忱.软土地区基坑开挖对临近高铁影响数值仿真分析[J].铁道工程学报，2014（2）：41-47.

[4] 李梅芳，丰月华，夏华盛.河道邻近开挖对互通区桥梁及路基的影响分析[J].武汉交通职业学院学报，2020，22（3）：74-79.

[5] 国家铁路局发布《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[J].建筑技术开发，2018，45（2）：14.

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