陳向浩

(中鐵四院集團(tuán)巖土工程有限責(zé)任公司， 湖北武漢 430000)

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鐵路路基下穿高速公路對(duì)既有橋墩影響數(shù)值分析

陳向浩

(中鐵四院集團(tuán)巖土工程有限責(zé)任公司， 湖北武漢 430000)

隨著國內(nèi)鐵路交通網(wǎng)絡(luò)越來越密，下穿既有建筑物的工程建設(shè)會(huì)越來越多。文章通過蒙華鐵路下穿內(nèi)鄧高速公路的案例，介紹了工程概況、地質(zhì)條件、地層物理參數(shù)，通過建立三維有限元模型，在初始地應(yīng)力基礎(chǔ)上模擬了施工過程中開挖、填筑、運(yùn)營三種工況下對(duì)既有橋墩的影響。結(jié)果顯示鐵路填筑及列車運(yùn)營會(huì)引起附近的內(nèi)鄧高速公路橋墩的附加沉降，累計(jì)沉降約8 mm。研究成果在指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的同時(shí)，可為類似工程提供參考。

鐵路路基； 下穿高速公路； 附加沉降； 數(shù)值分析

1 工程概況[1]

蒙華鐵路下穿內(nèi)鄧高速公路，交叉處鐵路里程DK968+960、填高2 m，公路里程K73+169、7×35 m組合箱梁(圖1)。蒙華鐵路下穿高速公路處與焦柳鐵路并行，兩鐵路線間距30 m，高速公路以35 m跨度分別跨越兩鐵路，交叉角度71°。蒙華鐵路左線線路中心距離內(nèi)鄧高速公路橋墩最近12.97 m，路堤排水溝距離橋墩最近1.89 m；鐵路右線線路中心距離公路橋墩最近12.92 m，路堤排水溝距離橋墩最近1.93 m(圖2)。下穿處公路梁底標(biāo)高123.10 m，鐵路路肩標(biāo)高115.10 m，高差8 m，滿足鐵路凈空要求。

圖1 下穿內(nèi)鄧高速公路設(shè)計(jì)平面

圖2 下穿內(nèi)鄧高速公路橫斷面

2 地層巖性及土層物理力學(xué)參數(shù)[2]

場(chǎng)地主要地層巖性及土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

基床材料物理力學(xué)參數(shù)：基床表層和基床底層的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)[3]應(yīng)符合表2、表3。因此后續(xù)計(jì)算中，基床表層和基床底層的變形模量分別取55 MPa和40 MPa。

表2 基床表層壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 基床底層填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

3 數(shù)值建模

3.1 模型建立

根據(jù)平面布置(圖1)及橫剖面(圖2)，建立三維有限元模型(圖3)，土層參數(shù)取值如表1所示。墩柱上的橋梁荷載，采用24 000 kN的分布力等效代替。

3.2 荷載工況

(1)地應(yīng)力平衡。為獲得原場(chǎng)地的初始應(yīng)力狀態(tài)，確保后續(xù)彈塑性數(shù)值計(jì)算的合理性，首先要進(jìn)行地應(yīng)力平衡。

(2)開挖。采用單元生死的方法，將腳墻、排水溝等位置處的土體單元鈍化，以此來模擬路基施工的開挖過程(圖4)。

圖4 路基施工的開挖過程

(3)路基填筑。采用單元生死的方法，將腳墻、排水溝、基床底層、基床表層等位置處的土體單元激活，以此來模擬路基的填筑過程。

(4)列車運(yùn)營。路基上的軌道及列車荷載換算土柱高度和分布寬度應(yīng)符合表4的規(guī)定[4]。按換算土柱重度19 kN/m3，列車和軌道活荷載Z取1.2倍，可知列車和軌道荷載可以等效成74.1 kPa均布荷載(圖5)。

表4 列車和軌道荷載換算土柱高度和分布寬度

圖5 運(yùn)營荷載施加示意

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 原場(chǎng)地地應(yīng)力平衡

地應(yīng)力平衡結(jié)果如圖6所示，完成地應(yīng)力平衡后將位移清零(圖7)。

圖6 地應(yīng)力平衡后豎向應(yīng)力

圖7 地應(yīng)力平衡后位移清零

4.2 開挖

路基開挖完畢后，豎向位移云圖如圖8、圖9所示。由圖可知開挖主要引起了路基底部的隆起，最大隆起值約7.7 mm。受開挖影響公路橋最大沉降值約0.95 mm，隆起值約0.05 mm可忽略不計(jì)，最大最小值發(fā)生的位置如圖9所示。

圖8 開挖后豎直方向位移云圖

圖9 開挖后公路橋豎直方向位移云圖

4.3 路基填筑

路基填筑完畢后，豎向位移云圖如圖10、圖11所示。受路基填筑影響公路橋最大沉降值累計(jì)約4.9 mm，最大隆起值累計(jì)約0.36 mm，最大最小值發(fā)生的位置如圖11所示。

圖10 路基填筑后豎直方向位移云圖

圖11 路基填筑后公路橋豎直方向位移云圖

4.4 運(yùn)營

列車長期運(yùn)營后，豎向位移云圖如圖12、圖13所示。受列車運(yùn)營影響公路橋最大沉降值累計(jì)約7.9 mm，最大隆起值累計(jì)約0.05 mm，最大最小值發(fā)生的位置如圖13所示。

5 主要結(jié)論

通過三維有限元數(shù)值分析可知， 鐵路路基開挖、填筑及列車運(yùn)營會(huì)引起附近的內(nèi)鄧高速公路橋墩的附加沉降，各施工階段引起的橋墩的附加沉降值見表5。

圖12 列車長期運(yùn)營后豎直方向位移云圖

圖13 列車長期運(yùn)營后公路橋豎直方向位移云圖

[1] 張占榮. 蒙華鐵路三門峽至荊門段控制性工程勘測(cè)報(bào)告[R]. 2014.

[2] 高威. 蒙華鐵路三門峽至荊門段下穿內(nèi)鄧高速段地質(zhì)勘察報(bào)告[R]. 2014.

[3] TB 10621—2014 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] TB 10001—2005 鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

陳向浩(1986～)男，碩士，工程師，主要從事鐵路相關(guān)巖土工程勘察設(shè)計(jì)與施工管理工作。

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[定稿日期]2017-03-03