道路下穿段对高铁桥梁结构的影响研究

孙连强

（盛德路桥建设有限公司，山东 高密 261500）

高速铁路列车运营速度快、安全程度高，所以成为很多人出行的首选。为满足人们对出行速度、便利性等各方面要求，我国开始建设高铁工程。在建设高铁工程的过程中，施工单位容易遇到施工难题，即如何避免道路下穿段对高铁桥梁结构的不良影响。为保证高铁工程建设质量，主要通过采取外部荷载计算、钢筋结构评估和有限元模型建立等方法，科学评估道路下穿段对高铁桥梁结构的影响。而在确定无不良影响后，才可以开展高铁工程施工活动。另外，还需要在施工的过程中合理把控施工环节，保证工程建设质量。与此同时，还需要注重总结道路下穿段高铁工程项目建设施工经验，为后续顺利推进施工活动奠定坚实基础。

1 工程案例介绍

本次以京沪高铁工程的某一段作为工程案例研究分析对象，工程桥长81 km。在该工程中，使用了钻孔灌注桩技术，建设桥墩，以提高工程的支撑能力，保证行驶的安全性。工程设计的速度为350 km/h，便于提高车辆通行速度，缓解交通运输压力。

2 道路下穿段高铁工程项目建模和数值分析

2.1 外部荷载计算思路

在研究道路下穿段对高铁桥梁结构的影响时，有必要明确外部荷载计算思路，提高计算水平，从而为工程建设提供可靠的支持。在工程项目建设中，要关注承台顶面。通常情况下，主要将承台顶面划分为上下2 个部分内容[1]。随后，就可以计算与处理2 部分内容，从而得到可靠的结论。通常情况下，外部荷载计算主要分为2个阶段。为提升外部荷载计算水平，应当充分把握这2个计算阶段的计算工作。

阶段一：计算桥梁基础变形。变形时需要评估路基填筑施工活动，了解与路基填筑施工相关的信息数据。阶段二：计算基础沉降。将与高铁工程相关的沉降因素作为计算内容。此外，要注重计算列车荷载、桥跨恒载、墩顶的最不利支座反力等。高铁桥墩的重量以及在开展施工过程中风力、承台能承受的外力等均是影响高铁桥梁承载力的因素[2]。因此，还需要将这些作为外部荷载计算的关键点。

2.2 公路钢架结构施工方案

公路钢架结构对于高铁工程建设具有一定的影响。通过构建科学的公路钢架结构施工方案，有助于保证公路钢架结构施工活动顺利推进，提升公路钢架结构性能。所以，有必要高度重视公路钢架结构施工方案构建工作。公路钢架结构施工方案构建的要点如下。

1）规范区域桩体混凝土浇筑、桩成孔制作等工作，保证混凝土浇筑效果，增强结构性能。

2）重视区域槽挖掘、梁自重预压等诸多工作。在这种情况下，就能确保公路钢架结构施工效果。

2.3 有限元模型的建立

在分析道路下穿段对高铁桥梁结构的影响时，要格外重视有限元模型的建立工作，科学计算数据。在建立有限元模型前，应选择合适的软件。Abaqus 软件常被应用在有限元模型建立中，对于保证有限元模型建立水平，保证计算的科学性、准确性等均具有重要的意义。因此，本次应用Abaqus 软件分析道路下穿段对高铁桥梁结构的影响[3]。在应用有限元模型分析时，需要遵守以下基本原则，从而确保分析效果。

1）确定起始状态，并对其进行计算。将原有的高铁桥梁结构和原土层作为基本的起始状态展开计算，得出相应的应力。

2）计算原土层的应力和沉降量变化情况。起始状态的应力结果作为此阶段计算的依据。其中，需要利用起始状态应力结果，结合运营需求、运营目标等，构建科学的模型。之后，需要做好土层的应力及沉降方面的计算工作。土层变形是受到多种因素影响的，所以需要从不同的方面分析影响土层变形的因素，以规避问题，防止土层发生变形。其中，可以探究高铁桥梁基础影响土层变形的因素，便于科学规避土层变形问题。

3）结合原土层的应力和沉降量计算结果，分析黏土、淤泥质黏土、粉质粘土和粉砂等土层变形在桥梁的附加影响因素。

在建设高铁工程时，需要深入实际施工地点，了解实地施工地点情况。要重视了解岩土工程情况，合理设置相关参数，科学使用岩土。开展此项工作的要点如下。

1）确定铁路桥梁基础以上的部分既上部结构；2）对承台顶施加荷载（计算所得荷载量）；3）桩基位置起始应力状态的计算；4）对下穿段的施工和运营进行模拟、评估。

为保证计算效果，有必要深入研究土体应变的本构理论，结合理论分析数据，保证数据分析水平。除此之外，还需要使用弹塑性模型，做好支撑工作[4]。笛卡尔坐标系在数据计算中发挥着重要作用，所以本次运用笛卡尔坐标系进行计算，将负向的大里程设置为高铁纵向，分别设置X 轴、Y 轴和Z 轴，将铅直向上定为Z 轴正方向，X 轴按右手定则确定，按照高铁纵向方向确定Y 轴，具体形成的计算模型如图1 所示。

图1 有限元整体模型

3 道路下穿段高铁工程项目计算结果的分析

3.1 对高铁桩身侧摩阻力造成较大影响

由表1 可知，在桩深度增加的情况下，会导致桩侧摩阻力随之发生变化。一般而言，会先出现桩侧摩阻力减少的现象，之后会出现桩侧摩阻力增大的现象。而桩长40 m 则是桩侧摩阻力从减小到增大的转折点。所以，要注重控制桩长。为提高高铁工程建设效果，还需要做好道路下穿段的开挖工作，同时需要做好浇筑施工活动。在这种情况下，比较容易合理控制桩侧摩擦力，避免影响路基建设活动，保证高铁工程建设水平。

表1 桩侧摩阻力变化

3.2 对高铁桥桩身的轴力造成较大影响

由表2 可知，在下穿段开控施工活动的开展，运行荷载也会随之增加。桩深在40 m 左右时，桩深与轴力两者成正比。但是在深度的增加时，会出现轴力减小的现象，即在一定的桩深范围内，桩深与轴力两者成反比。在高铁桥梁建设时，还需要注重处理桩深与轴力两者之间的关系。另外，要控制对桩侧身轴力和下穿短钢架桩基的开挖工作，最大限度确保开挖效果。而在桩基开挖的过程中，一定要结合实际情况、工程建设目标等，积极开展调查研究工作，同时积极观察周围环境，及时发现影响桩基开挖的因素，从而科学解决桩基开挖问题。通过开展这些工作，就能提高高铁桥梁工程施工水平。

从表1、表2 中可以看出：下穿段的开挖施工以及运营荷载的施加，随着桩深度的增加桩侧摩阻力先减小后增大，桩深40 m 处为转折点。相城大道下穿段刚架桩基开挖和浇筑对桩侧摩阻力的最大影响为3.1%，刚架连续板基槽开挖、预压和浇筑对桩侧摩阻力的最大影响为12.1%（由于连续板的浇筑在模拟中整体考虑，此影响值偏大），下穿段施工完成后运营荷载对桩侧摩阻力的最大影响为8.0%。

表2 桩身轴力变化

3.3 对群桩基础土体变形造成影响

由表3可知，距承台左角点距离与水平位移、沉降之间的关系。详细如下所述，路基是高铁桥梁工程施工的重要组成部分。在路基施工的过程中，需要填筑路基。随着填筑量的增加，周围土体的荷载量会随之增加。而在荷载量超过一定程度后，周围土体就容易出现沉降变形，导致其低于以前的高度。其中，在完成路基填筑施工后，路基坡脚处容易发生不良变化。比如，会发生土地沉降的问题。如果荷载量持续性增加，那么土地沉降的幅度将会进一步增加。总而言之，运行荷载、路基填筑会给靠近桩基土体产生一定的影响，即引起土地下沉。

表3 群桩基础顶面位移

坡脚的水平距离与沉降变形值两者呈现一定的衰减性曲线。依据两者的关系，则可以更好地判断路基坡脚距离。其中，在沉降变形程度比较小的情况下，可以判断距离路基坡脚还是存在一些距离的。随着路基填筑施工的完成，运营荷载相较于初始明显增加。在运营荷载不断增加的情况，路基坡脚的土体和群桩承台处土体就容易发生更为严重的沉降。与此同时，桩基顶部容易出现竖向位移和回弹变形情况，如果不能及时做好桩基顶部维护工作，就容易出现桩基倾斜问题，从而影响桩基承载力及桥梁建设的稳定性。基于此，更加需要高度重视路基填筑施工与路基坡脚的土体和群桩承台处土体、桩基等之间的关系，及时准确地计算路基荷载，科学评估路基荷载对工程质量的影响，从而采取合理的策略，排除不良隐患，确保桥梁工程建设水平。

4 结束语

综上所述，在社会经济快速发展的背景下，高铁成为了我国重点建设的工程项目。为提高高铁工程建设水平，有必要充分把握高铁工程建设活动。研究发现，在高铁工程建设中会出现下穿道路的情况。如果不注重分析道路下穿段对高铁桥梁结构的影响，缺乏构建完善的高铁桥梁施工方案，就容易影响工程建设水平。因此，要高度重视研究道路下穿段对高铁桥梁结构的影响，科学地优化工程建设方案。应用有限元分析软件可以更好地分析道路下穿段对高铁桥梁结构的影响。因此本次将有限元分析软件作为分析工程的工具，得出了研究结论，即对高铁桩身侧摩阻力造成较大影响，对高铁桥桩身的轴力造成较大影响对群桩基础土体变形造成影响。基于此，应当结合研究数据及研究结论，合理地把控高铁桥梁施工活动，防止道路下穿段对高铁桥梁结构产生消极影响。