賈一全 JIA Yi-quan

（中鐵上海設計院集團有限公司杭州院，杭州 730050）

0 引言

隨著交通路網(wǎng)的不斷完善及擴展，道路與鐵路在平面上的交匯越來越多，目前大致分上跨、下穿、平交三種模式。其中道路下穿鐵路模式中，往往受限條件眾多，如鐵路橋下凈空、道路與鐵路中心線交角、地質(zhì)情況以及鐵路安全保護范圍等因素，導致道路下穿鐵路橋的形式多樣化。規(guī)范[1]中列出在道路下穿既有鐵路橋梁情況下，受橋下凈空、地質(zhì)條件等因素影響，按梁橋、樁板、路基順序選擇道路過軌形式。

而目前較為常用的下穿既有鐵路橋形式為樁板結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)造價相對低，施工工藝成熟，受力合理，且完工后道路運營對既有鐵路的影響較小，尤其在地質(zhì)條件相對較差的情況下，頗受歡迎。文獻[2]中通過具體的工程實例分析了樁板結(jié)構(gòu)下穿既有高鐵橋梁中其附加荷載、撞擊力對橋墩的影響；文獻[3]通過三維有限元模擬分析了簡支梁橋和樁板結(jié)構(gòu)對高速鐵路橋的影響；文獻[4]以具體工程實例通過對前期規(guī)劃、施工預控措施以及工程管理等方面進行了探討；文獻[5]結(jié)合具體施工過程詳細分析了樁板結(jié)構(gòu)各施工工況對鐵路橋墩的影響。

本文以樁板結(jié)構(gòu)結(jié)合路基形式下穿既有鐵路實際工程案例，通過建立三維有限元數(shù)值模型，分析整個施工全過程對既有鐵路橋梁的變形影響。

1 工程概況

新建公路等級為二級，寬21m，雙向四車道，由西向東分別穿越既有高速鐵路1處，在建高速鐵路1處以及普速鐵路1處，穿越處鐵路均為橋梁區(qū)段，道路中心線與既有高速鐵路中心線交角為63°。穿越處既有鐵路橋梁均為連續(xù)梁橋的主跨，其中在建橋梁均尚未架梁。由于穿越處土層起伏較大，沿道路方向，由西向東淤泥層厚度由16m逐漸變化至4m，且既有高速鐵路橋下凈空僅有5.32m（道路凈空按≥5.0m控制），故選擇樁板結(jié)構(gòu)下穿既有高速鐵路，路基形式下穿在建鐵路橋梁。

其中樁板結(jié)構(gòu)采用兩聯(lián)，尺寸為（3×15+2×15）m，總長75m，樁基采用直徑1.0m鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設計。

路基段軟土地基處理采用直徑為60cm水泥攪拌樁復合地基，樁中心間距1.0m，平面呈矩陣式布置，單樁樁長4m~16m。

2 數(shù)值建模

根據(jù)現(xiàn)行法律法規(guī)、規(guī)范要求，道路下穿既有鐵路工程中，鐵路變形控制值需在一定范圍內(nèi)，嚴禁一切行為導致既有鐵路變形超過控制值。該項目所在鐵路區(qū)間范圍內(nèi)為高速鐵路，無砟軌道，故鐵路橋墩水平、豎向位移以及橋墩相鄰沉降差的變形控制標準均為2mm。

采用有限元軟件進行三維數(shù)值模擬分析該樁板結(jié)構(gòu)結(jié)合路基段全過程施工中對既有、在建鐵路橋的影響,地質(zhì)土層參數(shù)如表1所示。模型中土體采用常規(guī)的修正摩爾庫倫本構(gòu)，橋梁實體則采用彈性本構(gòu)。樁基礎(chǔ)均添加樁界面單元，用來模擬樁基施工過程中與樁周土體的相互作用效果。模型的整體尺寸為：X方向190m，Y方向140m，Z方向60m。

表1 地質(zhì)參數(shù)表

計算結(jié)果顯示，該涉鐵段道路工程實施的全過程對既有鐵路、在建鐵路均產(chǎn)生變形影響。而路基段軟基處理工況中，對既有、在建鐵路橋的影響相對樁板結(jié)構(gòu)施工對鐵路的影響較大。

圖1 道路下穿既有鐵路平面圖

圖2 軟基處理形式

其中既有高鐵最大變形量位于3#墩處，墩頂最大值為橫橋向0.586mm，順橋向0.305mm，沉降變形為0.314mm，承臺最大值為橫橋向0.492mm，順橋向0.270mm，沉降變形為0.337mm；在建鐵路橋梁最大變形位于高鐵8#墩處，墩頂最大值為橫橋向4.086mm，順橋向6.337mm，沉降變形為3.068mm，承臺最大值為橫橋向1.484mm，順橋向2.110mm，沉降變形為4.422mm。

圖3 三維數(shù)值模型

表2~表3中列出了全過程施工模擬計算中每條鐵路橋梁墩、承臺頂累積變形最大值。

表2 全過程施工累積變形量（墩頂）

表3 全過程施工累積變形量（承臺頂）

與鐵路變形控制標準對照，既有鐵路變形累計值均在控制標準內(nèi)，而在建高鐵8#、9#墩承臺相鄰沉降差為5.24mm，其值超出了高速鐵路無砟軌道靜定結(jié)構(gòu)墩臺基礎(chǔ)工后沉降限值5mm。

3 設計優(yōu)化

樁板結(jié)構(gòu)施工中對既有鐵路橋的影響主要在結(jié)構(gòu)樁基施工中，故規(guī)范[1]中對新建樁基距離既有鐵路承臺樁基的距離有相關(guān)要求。而軟基處理中采用的形式，深度，范圍均對土體會產(chǎn)生不同程度的擾動，從而影響鄰近鐵路橋發(fā)生變形。

本工程中，在普速鐵路橋下路基段由于地質(zhì)情況相對較好，沒有采取復合地基處理措施，但該段填筑高度相對較大，最大填筑高度約2m，而路基壓實過程中施工機械的振動也會對土體產(chǎn)生影響，從而引起鐵路橋墩、臺的變形。故結(jié)合數(shù)值模型結(jié)果，提出兩種優(yōu)化方案。

①結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

根據(jù)工程實際條件，取消軟土復合地基處理措施，道路下穿既有、在建高鐵段均采用樁板結(jié)構(gòu)形式。

②軟基處理優(yōu)化。

下穿在建高鐵橋處仍采用路基形式，軟基處理保留直徑0.6m水泥攪拌樁以及樁長不變，但在確保地基承載力滿足相關(guān)要求的情況下，將水泥攪拌樁平面布置形式調(diào)整為三角梅花形布置形式，且樁間距為1.3m，路基填筑段選用輕質(zhì)泡沫混凝土。

將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再次進行數(shù)值建模分析，優(yōu)化前后對在建高鐵橋墩的變形影響見表4~表5所示。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，以樁板結(jié)構(gòu)形式下穿鐵路橋梁施工過程中對既有鐵路橋的變形影響大大降低。而軟基處理優(yōu)化后，其相鄰橋墩承臺沉降差為4.26mm，相鄰橋墩沉降差為2.074mm，均滿足高速鐵路無砟軌道靜定結(jié)構(gòu)墩臺基礎(chǔ)工后沉降限制標準，但全過程施工中仍舊是軟基處理工況對鐵路橋梁影響相對較大。

表4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后數(shù)值計算結(jié)果

4 結(jié)論

①道路下穿既有鐵路橋梁時，在受橋下凈空、地質(zhì)情況的影響下，優(yōu)先采用樁板結(jié)構(gòu)形式。

②通過三維數(shù)值模擬結(jié)果來看，道路采用軟基處理施工階段對既有鐵路橋梁的影響較大，其相鄰橋墩承臺的沉降差超出了高速鐵路無砟軌道靜定結(jié)構(gòu)墩臺基礎(chǔ)工后沉降限值5mm。而若在保證地基承載力滿足的情況下，優(yōu)化軟基處理的布置方式或形式，則可以大幅度降低軟基處理施工中對既有鐵路橋的變形影響。

③由于高鐵橋梁變形控制較嚴格，為保證鐵路安全運營，結(jié)合數(shù)值分析以及以往類似工程的施工情況來看，樁板結(jié)構(gòu)全過程施工中對既有鐵路橋的影響較小，在可控范圍內(nèi)，但新建樁基距離既有鐵路橋梁樁基須確保安全距離。