李士中

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司，上海 200071）

1 工程概況

1.1 工程及水文地質(zhì)情況

京杭大運(yùn)河（浙江段）三級航道整治工程為陸上新建航道開挖段，該段下穿滬昆高速鐵路（48+80+48）m三跨連續(xù)梁80 m 橋跨處，設(shè)計(jì)京杭大運(yùn)河航道中心線與滬昆高速鐵路中心線夾角為72°。設(shè)計(jì)新建三級航道，頂面寬60 m，下底寬45 m。受影響橋墩為232#和233#墩，橋墩橫截面均為圓端形。橋墩高度為19.5 m，墩底尺寸為4.5 m（順橋向）×9.0 m（橫橋向），承臺尺寸為14.3 m×14.3 m×3.5 m，加臺尺寸為8.4 m×10.3 m×2.0 m?；A(chǔ)采用直徑1.5 m 樁基礎(chǔ)。橋墩處土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 橋墩處土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 航道開挖和圍護(hù)方案

滬昆高速鐵路段航道底高程為-2.6 m（相鄰鐵路橋墩承臺底高程約為-5.6 m），下穿滬昆高速鐵路橋孔段航道開挖深度約6 m。為消減沉降影響，在滬昆高速鐵路兩側(cè)各45 m 范圍內(nèi)，河底順航道設(shè)置4 排φ1.2 m@1.4 m 鉆孔樁，232#和 233#墩外側(cè)順航道各設(shè)置 1 排φ1.2 m@1.4 m 鉆孔樁［1］。施工期間鐵路橋墩兩側(cè)鄰近的3 排防護(hù)樁采用1.0 m×1.0 m、水平間距6.0 m 鋼筋混凝土橫撐連接形成整體，其中河底中間一排樁和靠鐵路橋墩側(cè)一排樁之間豎向每3 m 設(shè)置1道橫撐。鐵路橋墩兩側(cè)2排防護(hù)樁采用1.0 m×1.0 m、水平間距6.0 m、坡率1：4 斜撐連接形成永久支護(hù)結(jié)構(gòu)。航道范圍內(nèi)斜撐間設(shè)置1.0 m 厚鋼筋混凝土底板。河底范圍內(nèi)地基采用密打水泥攪拌樁加固，河底中間一排樁和靠鐵路橋墩側(cè)一排樁之間河底設(shè)置1.5 m厚鋼筋混凝土底板。河底中間2排樁設(shè)置1.0 m×1.0 m、水平間距不大于15.0 m 鋼筋混凝土縱橫錨梁，并利用斜錨梁形成“米”字形格構(gòu)。河底采用0.4 m 厚混凝土鋪砌，兩端設(shè)置垂裙。

2 航道開挖影響的有限元分析

2.1 模型的建立

根據(jù)京杭大運(yùn)河與滬昆高速鐵路相對位置關(guān)系，采用有限元軟件Plaxis 3D 建立三維模型（圖1）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析［2-3］。各土層本構(gòu)模型選用彈塑性土體硬化模型，土層計(jì)算參數(shù)結(jié)合地區(qū)地質(zhì)情況和特點(diǎn)、工程地質(zhì)勘察報(bào)告進(jìn)行取值。

圖1 有限元計(jì)算模型

2.2 計(jì)算工況

工況1，橋墩周邊圍護(hù)樁施工；工況2，橋墩兩側(cè)圍護(hù)樁間用鋼筋混凝土橫撐連接，并施工兩側(cè)基坑第一道橫撐；工況3，承臺上方土體開挖至設(shè)計(jì)高程；工況4，鋼筋混凝土斜撐施工；工況5，兩側(cè)基坑開挖至第二道橫撐底高程位置；工況6，兩側(cè)基坑第二道橫撐施工，并開挖至基坑底設(shè)計(jì)高程；工況7，兩側(cè)基坑鋼筋混凝土底板澆筑；工況8，中間河道開挖至設(shè)計(jì)高程；工況9，拆除橫撐，截?cái)鄧o(hù)樁至設(shè)計(jì)高程，鋪砌河床；工況10，河道通水。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

高速鐵路橋墩位移最終會反映到軌道平順性及其結(jié)構(gòu)內(nèi)力上，墩頂位移越大影響也越大，因此嚴(yán)格控制墩頂位移至關(guān)重要。232#和233#橋墩墩高19.5 m，基礎(chǔ)側(cè)向微小的位移或轉(zhuǎn)角在墩頂都會引起較大墩頂位移，故控制基礎(chǔ)側(cè)向位移和轉(zhuǎn)角同樣重要。

2.3.1 橋墩豎向位移

不同施工工況橋墩豎向位移見圖2?？梢姡r1施工擾動(dòng)橋墩周圍土體，釋放橋墩側(cè)向土壓力，造成橋墩沉降，橋墩豎向位移影響最大；工況3施工挖除橋墩承臺頂上土體，釋放承臺頂原有土壓力，造成橋墩上浮，并且上浮值在所有工況中產(chǎn)生的絕對影響最大；其后工況橋墩或上浮或沉降，但相對影響較?。?-6］。橋墩在施工過程中豎向位移整體趨勢是上浮的，在工況8 施工完成后橋墩豎向累計(jì)上浮位移達(dá)到最大值。施工完成后，232#橋墩豎向位移為0.581 mm，233#橋墩為0.519 mm。

圖2 不同施工工況橋墩豎向位移

2.3.2 橋墩順橋向水平位移

圖3 不同施工工況橋墩順橋向水平位移

不同施工工況橋墩順橋向水平位移見圖3。整個(gè)施工過程工況3時(shí)橋墩順橋向水平位移最大，2個(gè)主墩均向航道側(cè)傾斜。隨著施工進(jìn)行，橋墩整體位移偏向趨勢為向基坑側(cè)傾斜，施工過程中最大墩頂位移為1.632 mm，當(dāng)航道通水運(yùn)營時(shí)受水側(cè)壓力作用橋墩傾斜趨勢會有所恢復(fù)。

2.3.3 橋墩橫橋向水平位移

不同施工工況橋墩橫橋向水平位移見圖4。可見，整個(gè)施工過程對橫橋向墩頂位移影響很小，主要原因是航道中心線和高速鐵路線路中心線夾角72°，基坑開挖對橫向造成影響很小。此外受橋墩本身結(jié)構(gòu)尺寸影響，橫橋向剛度比順橋向剛度大，橫橋向水平位移不是控制條件。

圖4 不同施工工況橋墩橫橋向水平位移

2.3.4 橋墩墩頂與承臺水平位移關(guān)系

不同施工工況橋墩墩頂、承臺頂順橋向和橫橋向水平位移見圖5?？梢?，由于關(guān)聯(lián)橋墩墩高較高，對基礎(chǔ)變形敏感，墩頂水平位移主要受基礎(chǔ)水平位移影響，對于基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的墩頂位移占比較小。

圖5 橋墩墩頂與承臺水平位移

3 結(jié)論

1）圍護(hù)樁施工對既有橋墩兩側(cè)土體擾動(dòng)較大，影響橋墩承載力，進(jìn)而導(dǎo)致橋墩沉降，但沉降值在可控范圍內(nèi)。承臺頂土體開挖減少了承臺頂壓力，導(dǎo)致橋墩上浮，上浮值在整個(gè)施工過程中是最大的，從累計(jì)值分析，整個(gè)沉降（上?。┲翟谝?guī)范容許范圍內(nèi)。

2）從單個(gè)工況分析，基坑開挖影響最大，尤其是對橋墩順橋向位移，因此增加順橋向整體剛度，對減小橋墩變形是必不可少的。在單個(gè)橋墩兩側(cè)共施打3 排圍護(hù)樁，設(shè)置混凝土橫撐來增加剛度的措施是合理的。從10個(gè)工況累計(jì)值分析，通航前橋墩墩頂順橋向水平位移最大，達(dá)到1.632 mm；通航后橋墩墩頂順橋向水平位移有所減少，最大為1.372 mm。位移累計(jì)值均滿足規(guī)范規(guī)定。

3）在滿足新建航道河床底防沖刷條件下，應(yīng)盡量減少河床鋪砌采用的混凝土用量，鋪砌厚度越大對橋墩不利影響越大?；蛘咭胼p質(zhì)混凝土材料以減少因混凝土重量產(chǎn)生的不利影響。航道通水通航后，應(yīng)盡量保持航道水位的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證橋墩穩(wěn)定性。