劉華琛

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 工程概況

1.1 U型槽設(shè)計(jì)

新建道路下穿高鐵處，高速鐵路為四線并行，線間距為5.30+5.00+5.30 m。道路分幅從橋下通過，左幅道路從109#～110#墩間穿過，右幅道路從110#～111#墩間穿過，其中高鐵108#～110#之間為32 m簡(jiǎn)支箱梁，110#～116#墩之間為6x32 m道岔連續(xù)梁。下穿處道路采用U型槽形式分幅穿過，左幅和右幅斷面分別為15 m和16 m寬。地下水埋深0.1～3.25 m，且U型槽基底置于σ0=50 KPa的淤泥質(zhì)軟土層上，綜合考慮抗浮和地基處理后，在U型槽底部設(shè)置0.8 m嵌巖鉆孔樁。

1.2 框構(gòu)設(shè)計(jì)

新建道路下穿市域鐵路處，路基段設(shè)置2座4.25 m(非機(jī)動(dòng)車道)+11.25 m(機(jī)動(dòng)車道)+7.1～7.59 m(綠化帶)框構(gòu)。框架主體均采用C40鋼筋混凝土?？驑?gòu)所處位置，基巖起很大，左幅框構(gòu)表層淤泥較厚，基巖較深，地基采用0.8 m鉆孔灌注樁嵌巖進(jìn)行處理；右幅框構(gòu)表層淤泥較薄，基巖較淺，地基采用淤泥換填C40混凝土進(jìn)行處理。

1.3 地質(zhì)條件

依據(jù)地質(zhì)資料將施工場(chǎng)地的土為4層，各土層的具體參數(shù)取值如表1所示。

表1 土層參數(shù)

1.4 基坑防護(hù)設(shè)計(jì)

本工程下穿高速鐵路U型槽范圍內(nèi)，基坑開挖采用φ1.25 m混凝土鉆孔灌注樁防護(hù)，樁間距1.5 m，樁長(zhǎng)7～18 m。樁頂設(shè)1 m高的鋼筋混凝土冠梁，冠梁寬1.45 m。防護(hù)樁及冠梁采用C25混凝土。防護(hù)樁內(nèi)側(cè)掛網(wǎng)錨噴混凝土，外側(cè)采用樁徑為0.6 m，間距為0.4 m的雙排水泥攪拌樁止水帷幕，

本工程市域鐵路框構(gòu)范圍內(nèi)，采用直徑為1.5 m鉆孔灌注樁，樁間距1.7 m，樁長(zhǎng)8～20 m?；油鈧?cè)分別設(shè)置單排直徑為0.8 m，間距為0.6 m的高壓旋噴樁止水帷幕。鉆孔灌注樁采用C30混凝土材料?；由疃葹?.9～6.4 m。

2 三維有限元模擬

2.1 模型建立

本文采用MidasGTS有限元分析軟件，以平行高鐵方向?yàn)閄軸；垂直高鐵方向?yàn)閅軸；豎直方向?yàn)閆軸。為消除計(jì)算邊界效應(yīng)的影響，考慮施工過程中的空間效應(yīng)，計(jì)算模型沿X方向取160 m，沿Y方向取160 m，土層總深度為40 m。

圖1 三維有限元模型

計(jì)算模型中土體、U型槽、框構(gòu)采用三維四面體網(wǎng)格模擬，鐵路橋墩、樁基礎(chǔ)、防護(hù)樁、抗浮樁等采用梁?jiǎn)卧M，鐵路橋承臺(tái)采用板單元模擬，梁部荷載換算為等效均布荷載施加在橋墩上，以此作為初始階段，然后根據(jù)施工階段激活或鈍化相應(yīng)單元及荷載，計(jì)算道路U型槽及框構(gòu)施工對(duì)在建鐵路橋梁基礎(chǔ)的影響。土體采用修正摩爾-庫倫模型來模擬土的本構(gòu)關(guān)系，模型頂面取為自由邊界，底面采用豎向約束，其它面均采用法向約束。

2.2 施工步驟

根據(jù)本工程的施工方案，模擬為9個(gè)施工階段：

(1)階段一：施工防護(hù)樁和橫撐；(2)階段二：基坑開挖第一層；(3)階段三：基坑開挖第二層；(4)階段四：框構(gòu)地基處理及施工抗浮樁；(5)階段五：施工U型槽抗浮樁；(6)階段六：拆除橫撐；(7)階段七：施工左幅U型槽；(8)階段八：施工右幅U型槽；(9)階段九：施工框構(gòu)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過有限元計(jì)算并分析，施工過程引起的高鐵橋梁墩頂附加豎向位移、附加順橋向水平位移和附加橫橋向水平位移最大值分別發(fā)生在施工框構(gòu)階段、施工右幅U型槽階段和框構(gòu)地基處理及施工抗浮樁階段。階段四的位移云圖如圖2所示。

圖2 階段四：高鐵橋墩墩頂橫橋向變形云圖/mm

(1)墩頂豎向位移

本工程施工各階段引起高鐵橋梁墩頂累計(jì)附加豎向變形計(jì)算結(jié)果見圖3。施工引起的墩頂豎向位移經(jīng)過先增加，后隨著基坑開挖逐漸減小，又隨著U型槽和框構(gòu)的施工逐漸增加的過程，在施工框構(gòu)階段達(dá)到最大值-0.012 mm。這是由于施工影響范圍內(nèi)的高鐵樁基全部為嵌入硬質(zhì)巖層中的柱樁，所以本次施工過程引起的高鐵橋梁墩頂豎向附加位移很小，滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》不超過2 mm的要求。累計(jì)附加豎向差異變形最大值發(fā)生108～109號(hào)墩之間的框構(gòu)施工階段，最大值為-0.01 mm，滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中相鄰墩沉降差不大于5 mm的要求。

圖3 高鐵橋梁墩頂累計(jì)附加豎向變形(mm)

(2)墩頂順橋向水平位移

本工程各施工階段引起高鐵橋梁墩頂附加順橋向變形計(jì)算結(jié)果如下：開挖基坑和拆除橫撐階段引起高鐵橋梁墩頂?shù)捻槝蛳蛩轿灰拼蠓黾?，其中最大累?jì)附加順橋向變形發(fā)生在109#墩的U型槽右幅施工階段，值為2.777 mm，向大里程方向變形。

疊加設(shè)計(jì)值后累計(jì)順橋向位移值見圖4所示，累計(jì)順橋向變形最大值仍發(fā)生在109#墩U型槽右幅施工階段，最大變形值為9.797 mm，向大里程方向變形，滿足《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002-2017)鐵路橋梁墩臺(tái)頂縱向水平變形量≤5√L=28.3 mm的要求?？梢?，道路施工須與高鐵橋梁同期實(shí)施，如果等高鐵橋梁施工完成后，再施工道路產(chǎn)生的附加順橋向變形將不滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的墩頂縱向水平位移限值2 mm的要求。

圖4 高鐵橋梁墩頂累計(jì)順橋向水平變形

(3)墩頂橫橋向水平位移

本工程施工階段引起高鐵橋梁墩頂附加橫橋向變形計(jì)算結(jié)果如下：本工程施工過程中開挖基坑和拆除橫撐兩個(gè)階段對(duì)高鐵橋墩墩頂橫橋向水平位移影響較大。墩頂累計(jì)附加橫橋向變形最大值發(fā)生在110號(hào)墩框構(gòu)地基處理及抗浮樁施工階段，最大變形值為0.447 mm，面向大里程向左側(cè)方向變形，滿足《公路與市政工程橋梁下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》中無砟軌道墩頂橫橋向位移不超過2 mm的限值要求。

疊加設(shè)計(jì)值后累計(jì)橫橋向位移值見圖5。疊加設(shè)計(jì)位移后，橫橋向變形最大值仍發(fā)發(fā)生在110號(hào)墩框構(gòu)地基處理及抗浮樁施工階段，最大變形值為3.497 mm，面向大里程向左側(cè)方向變形，滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(TB110621-2014)》鐵路橋梁墩臺(tái)頂橫向水平變形量≤0.000 5 L=16 mm的要求。

圖5 高鐵橋梁墩頂累計(jì)橫橋向水平變形

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用Midas GTS有限元軟件，對(duì)復(fù)雜地基條件下，臨近高鐵道路施工的全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析防護(hù)樁施工、基坑開挖、U型槽和框構(gòu)施工等階段對(duì)高鐵橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生的影響，得到的主要結(jié)論如下：

基坑開挖和拆除橫撐階段對(duì)高鐵橋梁墩頂各方向引起的附加位移幅度較大，道路施工過程中高鐵墩頂最大累計(jì)附加豎向位移為-0.012 mm，發(fā)生在110#墩施工框構(gòu)階段，累計(jì)附加豎向差異變形最大值為-0.01 mm，發(fā)生108～109號(hào)墩之間的框構(gòu)施工階段，均滿足規(guī)范要求。

道路施工過程中高鐵墩頂最大累計(jì)附加順橋向變形為2.777 mm，疊加設(shè)計(jì)位移后最大累計(jì)順橋向變形為9.797 mm，均發(fā)生在109#墩的U型槽右幅施工階段，滿足《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002-2017)鐵路橋梁墩臺(tái)頂縱向水平變形量≤5√L=28.3 mm的要求，可見，本工程道路須與高鐵橋梁同期實(shí)施才能滿足規(guī)范中的順橋向變形要求。

道路施工過程中高鐵墩頂最大累計(jì)附加橫橋向變形為0.447 m，疊加設(shè)計(jì)位移后最大累計(jì)橫橋向變形為3.497 mm，均發(fā)生在110號(hào)墩框構(gòu)地基處理及抗浮樁施工階段，均滿足規(guī)范要求。

目前，本工程的道路、高鐵橋梁和市域鐵路，均已安全施工完畢，驗(yàn)證了該下穿防護(hù)方案和有限元模擬施工階段的方法是可行的，為類似場(chǎng)地條件下道路下穿高鐵橋梁的施工和防護(hù)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。