新建市政道路下穿高铁桥梁的安全控制技术研究

2024-02-15LONGBin

建筑机械化 2024年1期

龙斌/ LONG Bin

（新疆北新路桥集团股份有限公司勘察设计分公司，湖南长沙 410007）

随着城市轨道交通持续发展，城市道路工程的建设愈发增多，构筑物的空间位置关系也愈发错综复杂。例如，当市政道路下穿既有高速铁路桥梁时，在道路的建设和运营期间产生的一系列复杂荷载会对高铁结构的安全产生突出影响。

国内外诸多学者对类似问题做过研究。王耀等和李悄等采用有限元方法评价了新建道路对既有高铁结构的影响。王博妮通过数值计算，验证了临时堆载压重结合容重置换处理思路对高铁桥墩上浮控制的有效性。马海涛提出道路下穿高铁时，采用型钢骨架、异形板桩的防护结构对高铁桥梁承台进行防护，并利用现场监测评价了该方法的效果。赵永明利用ABAQUS 研究了道路运营期间对高铁桥梁的影响，并指出道路运营荷载会使桥梁桩基单桩承载力略有上升。张旭通过数值模拟方法探究了道路下穿高铁桥梁时不同平面设计的影响，并指出开挖对桩基的纵向变形影响较大。Stewart 等利用离心模型试验研究了相邻堆载对桩基的影响规律。Leung 等通过离心试验研究了砂土中的单桩在未支撑的基坑开挖过程中受到的影响。

现有研究多集中于下穿道路建设或运维期间对既有高铁桥梁的影响，但关于道路“施工建设－运营维护”全周期对高铁桥梁影响的研究还少见报道，因此有必要针对新建道路建维全周期对高铁桥梁的影响规律展开研究。本文依托某新建市政道路下穿高铁桥梁工程，建立道路下穿高铁桥梁建维全周期的数值模型，研究高铁桥基受新建道路影响的规律，并提出利用桩板结构对高铁桥梁桩基进行加固的方法。

1 工程概况

如图1 所示，某市政道路新建项目起于道路1，路线由北往南，在K0+642.5 处下穿某高铁大桥，路线沿山体展线向南延伸，终于道路2，桩号范围为K0+000-K2+890，全长2.890km。

图1 新建市政道路总体平面图

1.1 工程水文地质

高铁桥址区上覆土层由新到老主要为第四系填土层、耕植层（Q4ml），层厚1.6～7.9m；第四系冲海积层（Q4al+m）中砂，层厚2.0m；第四系花岗岩残积土（Qel+dl），层厚2.0～11.30m；下伏基岩主要为燕山期（γδm52（3)）花岗岩并伴有燕山期（β）辉绿岩岩脉穿插。区域水资源主要依靠大气降水和过境河道。

1.2 工程重难点分析

因高速铁路桥梁对线路的变形要求极高，当新建道路下穿高铁桥梁时，复杂的荷载变化难以避免会对邻近高铁桥梁的桩基产生影响。如果控制不当，将导致桥梁桩基发生较大的变形和位移，严重影响轨道平顺性，危害行车安全。如图2 所示，新建的市政道路从高铁桥梁下穿过，路面紧邻桥基。因此，如何尽量减小下穿道路施工和运营期间对邻近桥梁桩基的影响，是工程的重难点。

图2 新建道路下穿高铁桥梁相对位置图

2 道路下穿高铁桥桩变形

2.1 数值计算模型

利用岩土专用有限元软件Midas-GTS 对新建道路下穿高铁桥梁对桥桩的影响进行模拟与分析。如图3 所示，为减小模型边界效应，模型整体长150m，宽150m，深70m，采用结构化网格划分技术对模型进行网格划分，共计27 064 单元，18 721 节点。模型的边界条件为顶面为自由面，两侧水平约束，底面取竖向和水平向约束。计算过程中，主要考察新建道路市政土建工程施工、运营引起既有高铁大桥68#～72#墩位移变形，在各桥墩顶处设置位移监测点。

图3 数值计算模型示意图

2.2 计算参数与工况设计

计算过程中土体、桥墩、桩基础采用六面体和四面体实体单元模拟，桥梁桩基采用梁单元模拟，对于混凝土构件以及弱～强风化花岗岩，采用弹性本构关系进行分析计算；对于土层，考虑其受到大于屈服应力时的外荷载可能发生的塑性变形，采用修正摩尔库伦本构关系进行分析计算。根据地质勘查报告，取各材料的计算参数如表1、表2 所示。

表1 土层及相关结构材料参数

表2 混凝土构件参数

因该线高铁尚未开通运营，模型主要计算下穿道路土建工程施工、运营引起既有特大桥（DK153+445.215）的安全性影响。因此，设计4 种主要工况：①铁路桥桥桩与桥墩施工；②加固桩板结构后市政道路施工；③铁路桥上部结构施工及运营；④市政道路运营。

2.3 计算结果分析

据TB 10182-2017《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》要求，重点关注下穿工程影响高速铁路桥梁墩台顶的位移，并在各墩台顶设置位移监测点。除此之外，还验算了交叉处的高铁桥梁桩基承载力。

2.3.1 桥梁墩台顶位移变化规律

图4 为高速铁路桥梁墩台的Z向位移云图，其中Z向为竖直方向，X、Y方向分别代表水平两个方向，表明桥梁墩台位置出现最大沉降变形，因此应重点关注桥梁墩台顶的位移变化。

图4 Z向各工况墩台顶位移云图

图5 展示了桥梁墩台位移随工程建设全周期的变化规律。图中横轴代表着不同上述施工工况，工况0 为施工尚未开始。由图易知，在建设全周期中，Z轴的墩台顶位移量要远高于其余X、Y两个方向的位移。

图5 墩台顶3个方向位移变化图

由图5（a）、图5（b)可知，在结构建设运营全周期中，X轴和Y轴两方向的墩台顶位移均小于0.1mm，且离下穿道路越近的桥桩，墩台顶部的X、Y两向位移越大。在X方向上，受道路运营荷载影响，69#和71#桩有向新建道路倾斜的趋势；在Y方向上，69#和71#桩同样受影响最大。但在桩板结构加固后，墩台顶部的X、Y两向位移都维持在极低水平上，均得到相应的控制。由5（c)可知，墩台顶的Z向位移最大可达到约-0.55mm。首先在铁路桥梁施工过程（工况1）完成后，几个桥墩的平均沉降达到了约0.33mm，占总体沉降值的60%。随后完成桩板结构加固并进行道路施工（工况2）后，沉降变化曲线处于平台期，沉降值的变化十分微小，说明桩板结构的加固效果明显。当铁路上部结构施工且开通运营考虑列车动载（工况3）后，桥墩下沉进一步发展，基本达到最终沉降值的水平，约占总体沉降值的40%。最后当下穿道路开始运营并且考虑道路运营荷载后，部分桥墩的下沉略有发展，其余桥墩的位移变化不明显，且基本表现为距离新建道路越近的桥基，下沉越明显的规律。最终的3 个方向位移变化均小于规范所要求的2mm。

2.3.2 地层与桥桩受力情况分析

同样，在经过上述几个主要工况的计算后，地层中的最大主应力变化如下图6 所示（注：图中X方向和Y方向高度重合），在结构建设运营的全周期中，地层3 个方向的最大主应力值均变化不大，且以竖向地层最大主应力值为主。桩板结构加固后市政道路运营引起地层最大主应力X、Y、Z方向变化增加值分别为0.0017MPa、0.001MPa、0.006MPa，说明桩板结构加固后市政道路运营对地层应力影响较小。

图6 地层3个方向最大主应力值变化图

既有特大桥（DK153+445.215）的68#～72#墩在铁路桥桥桩与桥墩施工及加固桩板结构后市政道路施工、铁路桥上部结构施工及运营，市政道路运营后各工况的桩身轴力变化如图7 所示。市政道路运营后各桩（68#～72#）累计轴力变化分别为-0.56kN、+51.28kN、+13.51kN、+37.0N 和-0.44kN。且最终的桥桩轴力大小排序为71#＞70#＞72#＞69#＞68#，基本表现为距离下穿道路越近的桥基所受轴力越大，但各桥基轴力差别不大，证明了桩板结构加固有效降低了道路运营荷载对桩基轴力的影响，相较于原有轴力，增量可基本忽略，且各桩所受轴力均满足设计文件中的单桩容许承载力。

图7 桥桩轴力值变化图

根据该特大桥施工图资料可知，68#、69#、70#、71#、72#桥墩桩基最大允许轴力分别为4 479.5kN、5 771.2kN、6 516.6kN、7 124.8kN、6 688.4kN；市政道路运营后的桥桩轴力分析见表3。

表3 市政道路运营后的桥桩轴力（单位：kN)

3 道路下穿高铁桥梁安全施工措施

通过上述的计算分析可知，桩板结构加固后，建设运营全周期的沉降主要发生在加固桩板结构后市政道路施工和铁路桥上部结构施工及运营期间。

3.1 桩板结构施工

施工前应对工点处的地下水、地表水的水质类型进行抽样检验，并根据检验结果按照有关规范进行处理。下穿段钻孔桩有条件应先于高铁桥墩及基础施工，减少钻孔桩施工对高铁桥墩及基础的影响。

板梁混凝土浇筑前，应先整平地面，压实桩间土，再平铺0.1m 厚的不低于C15 素混凝土，板梁混凝土应一次浇注完成，混凝土入槽宜用平铺法。钻孔桩采用对称、间隔施工。为防止钻孔施工过程中出现地表层出现塌孔现象，采用桩基内护筒跟进施工工艺，离高铁桥梁桩基较近的桩基，应适当增加钢护筒长度，护筒底应穿透填土、淤泥质土层。

钻进过程中应避免斜孔、塌孔和护筒周围冒浆、失稳等现象。板梁混凝土浇注应严格按照相关规程、规范要求办理。施工用水及混凝土粗骨料均应按要求做理化检验，不得采用侵蚀水及具有侵蚀性的骨料。

梁体浇注前，应确认是否需要预埋接触网支柱的预埋件。钢护筒高度不小于2m 应采取有效措施防止钻孔缩孔或塌孔。桩底应严格清孔，桩底沉渣厚度按不大于10cm 控制。钻孔过程中若发生斜孔、塌孔和护筒周围冒浆、失稳等现象时，应停钻，待采取相应措施后再进行钻进。

3.2 加强监控量测

本工程影响范围的铁路桥梁，应进行桥梁变形监测。桥梁变形监测分：施工前、施工过程中、铁路运营后三阶段进行。变形监测点的设置：每个桥墩位置设置3 个变形监测点：①墩身底部设置1个、墩顶左右各设1 个；②每墩位处3 个变形观测点宜大致位于一个横断面上；③桥梁变形观测点可利用在混凝土结构上植入钢钉设置，也可利用化学植筋方式在方便位置上设置变形监测点。