高速公路桩板结构下穿既有高铁桥梁对桥梁变形的影响分析

余 清

(宁夏公路勘察设计院有限责任公司,宁夏 银川 750001)

随着我国经济的飞速发展,交通基础设施建设取得举世瞩目的成就,尤其是公路、铁路建设步入了前所未有的快速发展时期,但土地资源紧张、交通走廊带稀缺也是我国交通基础设施建设一直面临的客观现实。在交通走廊带愈发紧缺的局面下,公路、铁路的建设避免不了产生公铁交叉。对于新建公路工程下穿既有铁路时,常采用穿越的方式有路基结构、桥梁结构和桩板结构[1],但不论采用何种方式下穿,在原有地层施工或地面上增加荷载都不可避免地扰动其原有的平衡状态,引起地层土体扰动,导致地层发生附加沉降及不均匀变形、土体水平位移等一系列岩土工程问题,进而对临近建构筑物产生附加应力,使其发生附加变形等结构安全问题。

针对新建公路下穿铁路桥梁的建设方案,国内专家学者们进行了不同方向的研究。湛敏等[2]以东台市城际快速路工程下穿盐通高铁路项目为依托,通过对桥梁结构、桩板结构以及路基+半U形槽复合结构三种下穿方案进行综合评价对比,指出在新建公路下穿高铁时,应结合实际工程特点进行方案比选。毕乾等[3]借助实际工程项目研究发现,新建公路下穿既有铁路时,下穿构筑物的施工会对铁路桥墩产生一定的影响,而采取有效的工程防护措施可以大幅度减小其影响程度和范围。贾一全[4]以一条新建二级道路穿越既有高速铁路和在建高速铁路为例,分析了采用桩板结构方案和路基方案对既有高铁的影响,结果表明,道路下穿既有铁路桥梁时,在受桥下净空、地质情况的影响下,优先采用桩板结构形式。杨红春[5]也通过对两种下穿结构(桩板结构和路基结构)进行研究分析,再次明确了采用桩板结构更有利于对铁路沉降变形的控制。桩板结构因其具有结构简单、受力明确,结构刚度、稳定性好,地质条件要求低,对铁路桥梁影响小等优点,在此类工程中应用最为广泛。

1 工程概况

1.1 工程介绍

灌阳至平乐高速公路位于广西壮族自治区东北部区域,属桂林市境内。路线总体呈南北走向,路线起点与厦蓉高速公路灌阳至全州段相接,向南经灌阳县、恭城瑶族自治县、平乐县,终点与包茂高速公路阳朔至平乐段相接。项目采用四车道高速公路标准修建,设计速度120 km/h,路基宽度26.5 m,路线全长24.211 km,于K104+205位置与既有贵广高铁交叉。贵广高铁是连接贵阳市与广州市的区际高速铁路,设计速度300 km/h,于2014年底全线通车运行。道路下穿贵广高铁处铁路相关技术标准桥梁基础设计行车速度250 km/h(预留进一步提速条件),桥面为双块式无砟轨道,设计列车活载采用ZK标准活载,桥梁为双线桥,线间距为4.8 m。拟建高速在贵广高铁高坡村苦竹河双线大桥10～12号墩段下穿,苦竹河双线大桥孔跨布置为1×24+10×32+2×24 m,桥长412.109 m,其中第11跨为32 m简支箱梁,第12跨为24 m简支箱梁,桥墩采用双线圆端型实体墩,钻孔柱桩基础,该段桥梁桥墩设计相关参数如表1所示。

表1 高坡村苦竹河双线大桥 10#～12#墩相关参数表

1.2 工程地质条件

根据地勘报告可知,桥址区地层自上而下如表2所示。

表2 高坡村苦竹河双线大桥 10#～12#墩相关参数表

场地内地带地表覆土较厚,局部丘坡基岩零星出露,未见明显的构造痕迹,段内地层为单斜构造,由于受附近断层影响,岩层扭曲现象严重,岩层产状主要为:N25°E/26°SE,N-S/35°E,N25°W/35°N,节理、裂隙较发育,节理产状为:E-W/90°、N-S/90°、N65°W/90°。

1.3 设计方案

本项目在K104+204.75(ZK104+202.00)处采用分离式路基利用既有桥孔下穿贵广铁路高坡村苦竹河双线大桥,在第11、12跨处下穿,其中第11跨为32 m简支箱梁,第12跨为24 m简支箱梁。下穿贵广高铁采用(10+10+13+10+10)m桩板结构,公路与铁路交角为86°,桩板结构按正交设置。上部板结构采用C40钢筋混凝土,抗渗等级P8。板厚0.9 m,板与桩连接处设置1.2 m×0.6 m加厚倒角。桩基采用C30水下混凝土结构,桩径为1.0 m,桩长为20～23 m。下穿贵广高铁处横断面:设上下行双向四车道,分左右两侧设置,左幅W=0.60(SS级防撞护栏)+12.05 m(行车道)+0.60 m(SS级防撞护栏)=13.25 m,右幅对称设计。设计净高均满足《铁路桥涵设计规范》(TB 10002—2017)的要求。

2 有限元数值模型分析

2.1 模型概述

采用midas GTS NX三维有限元计算软件,建立三维地层-结构模型,分析地层和结构的实际变形情况,采用施工阶段法仿真分析公路桥梁桩基开挖、浇筑、板梁施工、桥面铺装及运营各阶段对既有高铁桥梁的影响,依据现有规范、标准评定既有高铁变形能否满足运营安全要求,以指导公路合理有序施工,保障铁路运营安全。计算模型纵向长100 m,横向长120 m,模型底部取至地表以下50 m,涵盖高铁桥梁、公路桩板桥及其桩基。模型涵盖地层主要有:粉质粘土、强风化泥岩、中风化泥岩、中风化砂岩等地层。模型中桩、承台、墩、梁、轨道板等主要构件均采用实体单元,结构均为弹性本构,地层为M-C弹塑性本构。根据计算模型大小,综合考虑计算时间和计算精确度,共计划分单元数201 447个,节点82 149个。

2.2 计算参数及主要技术标准

(1)计算参数。

根据本项目地勘报告并结合《工程地质手册》,地层参数取值如表3所示。

表3 地层计算参数

结合《铁路桥涵设计规范》(TB 10002—2017)及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)计算中主要结构物理力学参数取值如表4所示。

表4 结构计算参数

(2)计算荷载。

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)及《铁路路基设计规范》(TB 1001—2016),计算中主要荷载如下。

①各类结构自重;②桩基开挖产生的地层释放荷载;③公路车辆荷载:公路—Ⅰ级;④铁路荷载:ZK荷载。

2.3 变形控制标准

为保证本项目桩板结构建设的可控性,并确保铁路运营的安全性,施工过程中应对高铁桥墩、轨道的变形进行控制。依据《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》(TB 10314—2021)等相关规范,同时参考以往类似工程经验,高铁相关结构变形管理值如表5、表6所示。

表5 轨道位移变形监测预警值、报警值和控制值 单位:mm

表6 铁路桥梁变形监测预警值、报警值和控制值 单位:mm

2.4 有限元计算分析及主要步骤

下穿高铁桥梁的桩板结构桩基开挖及梁板上部结构施工对地层产生扰动,进而对铁路桥梁产生影响,该过程空间几何呈非线性,土体本构呈非线性,土体与桩、柱结构之间的作用也呈非线性,这使得系统高度非线性。土体、铁路桥梁在重力场作用下,土体处于自然固结状态,具有初始应力。在地质条件一定的情况下,初始应力的大小随埋深线性分布。在公路桥梁施工作用下,土体受到开挖卸载及浇筑加载等作用,形成附加应力,其应力状态不再随埋深线性分布,其应力状态的变化也十分复杂。

为系统全面分析这一系统的应力和应变状态变化过程。

从桩板结构桥梁桩基开挖、浇筑、板梁施工、桥面铺装及运营各阶段整个计算模型步序共10步,典型计算工序如下所示。

阶段1:模型初始应力场,并位移清零。

阶段2～4:铁路实施完毕后应力场平衡,并位移清零。

阶段5～7:开挖公路桩板结构下两排边桩1#～8#,开挖完毕后浇筑,再开挖板梁下中间桩9#～12#。

阶段8～9:施做上部结构及铺装。

阶段10:施加运营荷载(按车道满铺考虑)。

3 施工阶段模拟计算

公路桩板结构桩基开挖引起土体损失,造成桩周土体向临空面移动,引起邻近地层应力调整,此外桩基、梁板等浇筑施工对地层进行加载,使得桥梁周边地层产生附加应力,进而造成铁路桥梁变形,变形主要发生在公路桩板结构的施工全过程中,同时要考虑施工完成后,贵广高铁施加运营车辆荷载是否产生影响,即从施工阶段5～10全过程。以下按照铁路桥墩、轨道竖向位移及水平位移显示计算结果。

3.1 铁路桥墩变形计算

通过建立模型,对铁路桥墩竖向、横向、纵向三个方向5～10施工阶段的位移进行计算,结果如图1所示(以铁路桥墩竖向位移计算为例)。

图1 第5～10施工阶段铁路桥墩竖向位移计算结果

3.2 铁路轨道变形计算

通过建立模型,铁路轨道竖向、水平方向5～10施工阶段的位移进行计算。

4 计算结果分析

4.1 铁路桥墩位移分析

为分析公路桩板结构桩基、板梁、铺装层及运营荷载对高铁桥墩的影响程度,分别在高铁1#～3#桥墩顶、底各设定1个计算监测点,分析测点随施工阶段的变化,根据监测点位移值,绘制铁路桥墩位移曲线图(如图2、图3所示),评价高铁桥墩在公路桥梁施工影响下的安全性。

图2 高铁桥墩顶测点竖向位移UZ曲线

图3 高铁桥墩底测点竖向位移UZ曲线

由高铁桥墩顶底测点竖向位移曲线变化趋势可看出,铁路桥墩在公路桩板结构开挖、浇筑等卸载、加载等作用下,高铁桥墩呈下沉趋势,施工过程铁路桥墩最大隆起0.088 mm,最大沉降1.58 mm;同样可知铁路桥墩在公路桩、板结构开挖、浇筑等卸载、加载等作用下,铁路桥墩横桥向位移总体变化不大,最大水平位移为0.137 mm。铁路桥墩在公路桩、板结构开挖、浇筑等卸载、加载等作用下,铁路桥墩顺桥向发生轻微附加位移,最大水平位移为0.344 mm。

根据《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》(TB 10314—2021)对铁路路基竖向位移及水平位移校核如表7所示。

表7 铁路桥墩变形校核表 单位:mm

4.2 铁路轨道位移分析

为分析公路桩板结构桩基、板梁、铺装层及运营荷载对高铁轨道的影响程度,分别在梁端部及梁中部设置计算监测点,分析测点随施工阶段的变化,根据每阶段测点位移值,绘制铁路轨道位移曲线图(如图4、图5所示),评价铁路轨道在公路桥梁施工影响下的安全性。考虑轨道通过支座固定于轨道板上,因此轨道板变形与轨道变形近似一致。

图4 高铁轨道测点竖向位移曲线

图5 铁路轨道测点横桥向水平位移曲线

由高铁轨道测点竖向位移曲线变化趋势可看出, 铁路桥墩在公路桩、板结构开挖、浇筑等卸载、加载等作用下,铁路轨道总体呈下沉趋势,施工过程铁路轨道最大隆起0.085 mm,最大沉降1.58 mm;铁路桥墩在公路桩、板结构开挖、浇筑等卸载、加载等作用下,铁路轨道横桥向位移总体变化不大,最大水平位移为0.152 mm。

根据《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》(TB 10314—2021)对铁路路基竖向位移及水平位移校核如表8所示。

表8 铁路轨道变形校核表 单位:mm

5 结 语

(1)通过建立三维地层-结构模型,采用施工阶段法仿真分析公路桥梁桩基开挖、浇筑、板梁施做、桥面铺装及运营各阶段对既有高铁桥梁的影响,可知在整个施工运营过程中,铁路桥墩竖向位移最大值为+0.088 mm(隆起值)和-1.58 mm(沉降值),水平位移最大值为0.344 mm,铁路轨道竖向位移最大值为+0.085 mm(隆起值)和-1.58 mm(沉降值),水平位移最大值为0.152 mm,均满足《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》(TB 10314—2021)中规定的轨道竖向位移和水平位移的控制值(±2 mm),公路桩板结构施工对高铁影响可控。

(2)经计算分析,尽管铁路桥墩、轨道变形均能满足规范要求,但下穿铁路工程施工难度大,受限条件多,高铁桥梁变形控制较为严格,为保证高速铁路的运营安全,施工过程中需对高速铁路桥梁进行变形监测,包括墩台横向、纵向水平位移和竖向位移监测等内容;实测值超过报警值时可采取停工、限速等措施。

(3)本研究仅阐述了采用桩板结构下穿高速铁路桥梁对桥梁的变形影响分析,对于其他环境条件下的公路下穿铁路工程,应结合实际工程特点,对不同的下穿方案进行综合比选,选择最为合理经济的工程方案。