市政框构桥施工对高铁高架桥的影响分析★

魏 盼

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

0 引言

基坑开挖会对其周围建筑物产生一定的影响，对临近基坑建筑物变形的控制是基坑工程施工中的重点和难点[1]。高速铁路列车运行对变形要求很苛刻，为了确保高铁安全运营，避免交叉工程施工带来的不利影响，高速铁路建设过程中会提前为其他工程预留施工措施[2]。

目前，国内外对隧道、基坑施工对临近高架桥的影响做了大量研究。一些学者结合实际工程案例对盾构隧道下穿高架桥对桥墩变形及桥桩受力变化等进行了研究。另外一些学者对明挖基坑下穿高架桥进行了相关研究，如陈福建等[3]介绍了无锡地铁1号线金城路站基坑围护设计、监测方案，分析了监测数据，得出了下穿高架桥段基坑开挖过程中桩体的变形、基坑周边地表沉降、支撑轴力、临时立柱及高架桥墩竖向位移的变化规律；赵雨军[4]以南京某地铁深基坑邻近既有高架桥为工程背景,通过建立深基坑与高架桥的三维空间模型,探究不同的支护参数和基坑开挖顺序对邻近高架桥墩顶的位移变化规律；Finno等[5]在考虑群桩效应的基础上，利用数值模拟方法对群桩在基坑开挖时的响应特性进行了分析，并与现场采集的工程数据进行对比，得出土体变形有时会在基坑开挖时超过预期值，而此时对群桩的承载力影响并不那么显著；殷顺浪等[6]以重庆地铁环线渝鲁车站至五里店车站区间临近冲压厂高架桥的明挖区间基坑工程为背景，利用有限元软件建立三维有限元模型，通过模拟计算，得到了基坑开挖对临近高架桥墩台的影响，并分析了基坑开挖对桥墩和墩台位移变化规律，根据分析结果提出了相应的施工建议；张静元等[7]依据某实际公路下穿高铁高架桥工程，利用Midas-GTS有限元软件模拟基坑开挖过程，分析在高铁高架桥正常运营情况下，基坑开挖不同深度对桥梁墩顶、桩基础和周围土体的影响，以确保铁路桥梁的安全运营。

但市政框构桥下穿高铁桥桩施工过程中，基坑工程施工对高铁桥墩变形规律的研究几乎没有，本文以新机场高速公路地下综合管廊下穿京沪高铁框构桥为依托工程，通过数值模拟方法分析基坑工程施工对高铁桥墩变形及桥桩内力的影响规律[8-15]。

1 工程概况

1.1 工程地质及水文条件

管廊框构结构主要位于②3层粉质黏土、②0层粉细砂、②2层黏土及③0层粉土。勘察期间地下20 m范围内未揭露地下水，场地土对混凝土具有微腐蚀性；对混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性；场地土对钢结构具有微腐蚀性。

1.2 工程位置关系

新机场高速公路地下综合管廊在京沪高铁处采用2+1舱分别下穿高铁高架桥，交叉角度90°,其断面净空分别为2.6 m,3.9 m及2 m。基坑支护结构距离521#桥墩为7.43 m，距离522#桥墩为7.37 m,7.43 m，距离523#桥墩为7.37 m。工程位置关系图如图1，图2所示。

1.3 框构桥施工

京沪高铁框构桥采用顶进方式在既有京沪高铁桥墩之间穿过，长40 m；两框构桥之间为机场管廊现浇段，长度为96.796 m。框构桥与现浇段之间设置30 mm变形缝。基坑围护桩分别采用φ800 mm@1 200 mm及φ1 250 mm@1 500 mm灌注桩，桩顶设置800 mm×800 mm冠梁；基坑内支撑采用一道600 mm×800 mm钢筋混凝土支撑，水平间距6.0 m左右。

框构桥施工分为以下3个阶段：1)施作京沪高铁顶进段基坑灌注桩、京沪高铁地基加固处理、施作现浇段基坑围护桩并进行顶进桥施工；2)在顶进基坑内施作现浇管廊、开挖现浇段基坑并施作现浇段管廊；3)回填覆土、管廊工程收尾。

2 监测方案及数据

2.1 测点布置及监测

对北京新机场高速综合管廊GLSO3标段521#，522#，523#桥墩测点进行了监测工作，每个桥墩布置2个测点，共6个测点，监测点布置如图3所示。

框构桥施工前，安装测点，并取得初始值；施工过程中，全天监测，监测数据发生较大变化时，增加监测频率；穿越施工结束后，继续监测，直到监测数据趋于稳定后停止监测。

2.2 施工位移监测及分析

桥墩变形监测按照监测方案执行，对框构桥穿越高铁高架桥整个施工过程进行监测，监测数据如图4所示。

由以上监测数据可以看出：框构桥施工过程中，桥墩竖向位移整体趋势是先沉降，后隆起，最后趋于稳定；桥墩水平位移变化值较竖向位移较小。框构桥下穿施工过程中，桥墩的最大竖向位移统计如表1所示。桥墩最大水平位移统计如表2所示。

表1 桥墩竖向监测位移最大值统计表 mm

表2 桥墩水平监测位移最大值统计表 mm

3 数值模拟

3.1 计算假定

本文采取Midas/GTS有限元软件对框构桥穿越高铁高架桥施工过程进行数值模拟分析。计算时假定土体为连续介质，土体结构均采用实体单元模拟；在模型底部施加竖向固定位移约束，模型四周约束为各面的法向位移约束，地表为自由面；土体采用Mohr-Coulomb准则，其余结构考虑在弹性范围内工作，采用线弹性本构关系[15]。

3.2 计算模型及参数设置

建立新机场高速公路地下综合管廊下穿京沪高铁高架桥三维计算模型，模型以沿京沪高铁方向为X轴，与高铁垂直方向为Y轴，竖直方向为Z轴，三维模型网格划分效果图如图5所示。数值模拟计算参数如表3所示。

表3 土层物理参数

3.3 模拟工况

数值模拟工况的选取，主要模拟分析框构桥施工对高架桥桥墩变形的影响，并与监测数据进行对比分析。再分析框构桥基坑的支护结构与高速铁路桥墩承台的不同距离对桥墩变形的影响。

根据设计资料，支护结构距离桥墩承台的距离为7.37 m～7.43 m。根据TB 10182—2017公路与市政工程下穿高速铁路技术规程规定，下穿工程基坑的支护结构与高速铁路桥墩承台距离不宜小于3 m,所以模拟方案以2.5 m为一个递减单位，按照7.43 m，4.93 m，2.43 m 3种距离来设置模拟方案，即：

方案一：支护结构与高速铁路桥墩承台距离7.43 m。

方案二：支护结构与高速铁路桥墩承台距离4.93 m。

方案三：支护结构与高速铁路桥墩承台距离2.43 m。

3.4 计算结果分析

分别针对以上3种模拟方案按照以下工序进行数值模拟计算。工序1～工序9：初始状态、围护桩施工、地基加固处理、开挖顶桥基坑、顶进框构桥施工、顶进基坑内施作现浇管廊、开挖现浇段基坑、施作现浇段管廊、回填覆土。框构桥施工过程中桥墩竖向及水平变形如图6，图7所示。

由图6可以看出：支护结构距离高速铁路桥墩承台距离越小，桥墩竖向变形越大。方案一中最大竖向位移为-0.91 mm，方案二中最大位移为1.42 mm，方案三中桥墩竖向最大位移为-2.52 mm。综上所述，当距离小于3 m时，桥墩竖向变形大于规范TB 10182—2017公路与市政工程下穿高速铁路技术规程规定限值2 mm。

由图7可以看出：支护结构距离高速铁路桥墩承台距离越小，桥墩水平变形越大。方案三中最大水平位移为-0.88 mm，方案二中最大水平位移-1.67 mm，方案三中最大水平位移为-2.83 mm。综上所述，当距离小于3 m时，桥墩水平变形大于规范TB 10182—2017公路与市政工程下穿高速铁路技术规程规定限值2 mm。

桥墩竖向及水平最大位移统计如表4，表5所示，并与监测数据进行对比。

表4 桥墩最大竖向位移统计表 mm

表5 桥墩最大水平位移统计表 mm

对比监测数据和方案一计算结果可以看出数值模拟计算结果与监测数据存在一定误差，尤其是基坑围护桩施工时误差较大。造成这种误差的主要原因有：1)数值模拟计算工序无法完全与实际施工工序相吻合；2)数值模拟计算简化了施工过程中的某些施工工法。

在框构桥施工期间，地层位移变形影响范围内的桥桩距离基坑越近，变形越大，如图8所示为不同施工方案时521#桥桩水平位移。可以看出，距离基坑最近的桩基段，主要产生向基坑一侧的水平正向位移。桥桩在埋深4.2 m～6.0 m范围内变形最大(注：该处基坑开挖深度为5.7 m，桩顶埋深为4.2 m)，埋深6.0 m～15 m范围内，桥桩水平变形较为明显，埋深大于15 m时，桥桩水平变形基本不受施工影响。

4 结论与建议

通过对框构桥穿越高铁桥桩工程案例进行有限元建模计算，并与施工期间取得的监测数据进行比较分析，本文得到如下结论：

1)分别对基坑支护结构距离高速铁路桥墩承台距离7.43 m，4.93 m，2.43 m三种施工方案进行数值模拟，分析邻近基坑桥墩变形情况，结果表明，基坑的支护结构与高速铁路桥墩承台距离不宜小于3 m。

2)分析框构桥施工对桥桩水平变形的影响，得出施工对桥桩水平变形影响范围为15 m，桩身埋深大于15 m时，其水平变形几乎不受施工影响。

3)框构桥穿越施工会造成高铁桥桩产生竖向及水平位移。在采用合理的围护结构设计方案和施工步序的条件下，施工引起的高铁桥桩纵向及水平位移均可满足变形控制指标要求。

4)将框构桥从一个大断面化为两个小断面，从高铁桥梁两跨下穿越，可有效减小框构桥穿越对高铁桥桩产生的影响。

5)经过有限元分析计算，并与施工期间取得的监测数据比较，可以发现，框构桥这样相对较大断面的结构穿越高铁桥桩产生的影响都可以满足高铁对桥桩位移的变形控制指标要求，电力、燃气、供水等管线穿越高铁桥桩工程，在保证与高铁桥桩距离的条件下，不应对高铁桥桩的受力及位移产生较大的影响。

目前上述管线被要求采用定向钻施工的形式穿越高铁桥桩，是完全不必要的。这些工程将产生巨大的人力、物力浪费，建议取消此类要求。