某出水明渠下穿工程对既有铁路桥墩的影响分析

江 攀

(西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)

随着我国经济的快速发展，各类工程的建设进程日益加快，但由于地域限制，新建工程常常临近既有工程，为了确保新建工程的合理设计及既有工程的安全，常常要分析此类交叉工程之间的相互影响[1]。由于涉及到广大乘客的安全，新建工程对既有铁路的影响更是研究的重点[2]，近年来，大量河道出于对通航及防洪等因素的考虑，需要进行改造，当其与既有铁路出现相互交叉时，必须对河道改建工程进行安全评估，分析其对既有铁路造成的影响[3]。本文以某一出水明渠工程下穿既有铁路桥梁为背景，对河道工程的设计方案进行介绍，并分析其对既有铁路桥梁的影响，可为日后类似工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

1.1 原河道概况

原河道位于合肥市境内，河底宽度9～14 m，河底高程约8.4 m，河道边坡为土质边坡，边坡坡率1∶1.2～1∶1.8，无其他防护措施。堤坝顶标高为12.5～13.5 m，周围地势标高为11～12 m，地形较平坦。

1.2 既有铁路桥墩概况

既有铁路为无砟轨道，出水明渠与该铁路相交2#～3#墩间。桥梁相邻各跨均为32 m简支箱梁结构，重力式实心墩，桩基接承台基础。桥位处地形起伏不大，梁底高程约26.9 m。

1.3 出水明渠工程设计方案

出水明渠工程长60 m，主要包括岸线整治及河道疏浚，平面上由R=90 m、R=60 m的曲线及一段直线组成。工程采用桩接U槽结构作为永久堤防，U槽内填充级配碎石，总宽5 m，底板厚0.6～1.0 m，边墙高3 m。下基础采用φ1.0 m的钻孔桩，桩间距7 m×3 m，桩长18 m。河道边坡均采用框架梁护坡防护，河底采用0.5 m厚的浆砌片石铺砌至河底设计标高7.84 m。钢混框架梁横截面尺寸0.4 m×0.3 m，采用2.5 m×2.5 m的矩形窗格布置，窗格内砌筑浆砌片石。

1.4 土层条件

根据地勘资料，场地土层物理力学参数见表1。

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

选取下穿工程涉铁范围内的岩土和结构物，采用数值模拟方法计算下穿出水明渠对铁路桥墩的影响，既有铁路桥墩包括1#～4#墩。利用Midas NX建立三维有限元模型，考虑边界效应的影响，模型总长度138 m(顺桥向/X向)、宽度90 m(横桥向/Y向)、深度85 m(竖向/Z向)，建立的三维计算模型如图1所示。

表1 土层物理力学参数

图1 三维计算模型

2.2 模型边界条件

模型的边界条件分别为：上表面自由边界，侧面施加法向位移约束，底部施加完全固定约束。

2.3 本构及参数选取

土体采用修正Mohr-Coulumb本构模型[4]，计算参数按照地勘资料选取。

2.4 施工工况设置

根据实际施工情况，本次模拟共设置5个工况：工况1初始应力场平衡、工况2近2#墩侧河堤整平挖方、工况3U槽底板挖方及钻孔桩施工、工况4U槽施工及填筑、工况5河道疏浚及垫层铺砌，部分典型工况如图2所示。

图2 典型施工工况模拟

2.5 出水明渠下穿工程对铁路桥墩的影响

通过有限元模拟，出水明渠下穿工程施工后，既有铁路桥梁各墩顶X、Y、Z方向的累计位移统计见表2、表3及表4。

表2 墩顶顺桥向(X向)累计位移 单位：mm

由上表可以看出，既有铁路桥墩墩顶最大累计水平位移及竖向位移均发生在2#墩，分别为0.42 mm、-0.20 mm。

表3 墩顶横桥向(Y向)累计位移 单位：mm

表4 墩顶竖向(Z向)累计位移 单位：mm

综合上述结果可得，出水明渠下穿工程对既有铁路桥墩墩顶的总体影响较小，墩顶累计位移小于相关规范中无砟轨道2 mm的一般取值，满足受下穿工程影响的高速铁路桥梁墩台顶位移限值要求[5]。

3 结论

本文以某出水明渠工程下穿一既有铁路桥梁为背景，对此下穿工程的方案设计进行了介绍，并分析了该工程对既有铁路桥墩的影响。分析表明，本工程通过采取合理的设计方案及防护措施，保证了出水明渠下穿施工后，对既有铁路桥梁墩顶的累计位移影响较小，位移值均未超限，设计方案可行。同时，由于各阶段施工过程中的影响难以计算，如出现钻孔桩施工时对软土承载特性的影响等情况，建议在施工中加强对铁路桥墩的变形监测，所有施工过程需严格控制。