张文斌

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京　 102600)



某新建轨道交通工程下穿既有高速铁路桥梁方案研究

张文斌

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

摘要：以某城际轨道交通下穿杭甬高铁桥梁工程为研究背景,为减少对杭甬高铁运营安全的影响,提出桩板路基及简支梁桥两种结构形式下穿高铁。并对新建的下穿结构在施工期间及运营阶段下,利用桩土共同作用有限元程序Midas/GTS等有限元软件,着重从桩基承载力、基础沉降等方面分析土体扰动对杭甬高铁桥梁的安全影响。研究结果表明,桩板路基及简支梁桥两种结构形式下穿既有高铁桥梁均是可行的。

关键词：下穿高铁桥梁；桩板结构 ； 桥梁结构；桩基承载力；沉降分析

1研究背景

图1　新建城际轨道交通工程与杭甬客运专线平面关系

某新建城际轨道交通工程区间正线及出入段线分别下穿杭甬高铁柯桥特大桥，新建线路与既有高铁正交，如图1所示。交叉处既有高铁桥下净空为12.8 m。既有桥112号～113号墩上部结构采用32 m简支箱梁，113号～114号墩上部结构为24 m简支箱梁。因线路引入条件受车辆段场地高程控制，该处不考虑隧道下穿方式，仅考虑以桩板路基及桥梁结构两种下穿方式。新建城际轨道交通距离杭甬高铁桥墩基础较近，故需通过计算新建城际轨道交通桩板结构或桥梁结构对杭甬高铁柯桥特大桥的结构影响，确定下穿方案的可行性。

2下穿处高铁桥梁概况

新建城际轨道交通采用城市轨道交通制式，车辆类型为城轨B型车，设计速度100 km/h。杭甬高铁为双线电气化铁路，设计速度为350 km/h，线间距5.0 m，无砟轨道。杭甬高铁柯桥特大桥在112号～114号墩之间上部结构为简支箱梁，下部结构桥墩采用矩形实体墩，基础采用钻孔桩基础。其中112号墩采用9根φ1.0 m桩基，桩长为54.5 m；113号及114号墩采用8根φ1.0 m桩基，桩长分别为54.0 m及44.5 m。

新建线路下穿杭甬高铁处，地形较平坦，地层岩性自上而下为人工填土、黏性土、淤泥质土、粉土、砂类土、砾石类土，下伏基岩为侏罗系上统凝灰岩。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，地震动峰值加速度为 0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。根据《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)判定，桥址区内场地土为软土～岩石，桥址场地类别为Ⅲ类。

3新建城际轨道交通工程下穿杭甬高铁方案拟定

3.1桩板结构下穿杭甬高铁方案

由于下穿点处地层条件欠佳，若采用常规路基则需对路基基础进行加固处理。为减小路基施工过程对既有高铁桩基两侧土层的扰动，该处路基考虑采用桩板结构(由下部的钢筋混凝土桩基和上部的钢筋混凝土承载板组成，承载板直接与轨道结构连接)形式。

路基桩板结构承载板底部设置钻孔灌注桩，桩径1.2 m，桩横向间距3～4 m，纵向间距4.5 m，两处承载板宽分别为12.2 m及5.2 m，板下桩长均为40.0 m。四跨一联，每跨4.5 m，每联18 m。相邻两联之间设置托梁，宽1.6 m、高1.5 m，托梁与承载板搭接，承载板厚1.0 m。具体布置详见图2。

图2　路基桩板结构与杭甬高铁桥墩位置关系剖面(单位：m)

3.2桥梁结构下穿杭甬高铁方案

新建桥梁位于112号墩～113号墩及113号墩～114号墩之间，分别以双线桥及单线桥下穿既有杭甬高铁，均采用30 m跨度预应力混凝土简支箱梁穿越杭甬高铁桥底。

新建桥梁基础设置于既有高铁结构投影面两侧，112～113号墩间新建桥梁基础采用4根1.2 m桩基，113～114号墩间新建桥梁采用4根1.0 m桩基，桩长均为45 m。由于新建桥轨顶至既有桥梁底最小净空仅为8.4 m，该处没有采用架桥机运架条件，故考虑采用现浇法施工。具体布置详见图3。

图3　桥梁结构与杭甬高铁桥墩位置关系剖面(单位：m)

4有限元分析

4.1分析手段及模拟过程

有限元程序分析采用Midas/GTS大型岩土工程计算软件。Midas/GTS中，本工程土体单元采用自动实体划分单元网格，单元为四节点的四面体单元，计算工况见表1。通过新建工程施工阶段的分析，建立三维实体有限元模型进行数值模拟计算，主要简化如下。

表1　新建结构计算工况

注：内力计算为累积计算过程，下一工况均在上一工况基础上进行分析。位移计算工况3之前为累积计算过程，下一工况均在上一工况基础上进行分析，工况4仅仅是位移清零，而内力未清零，因此工况6位移计算是在工况5基础上进行分析。

(1)初始应力场的模拟：根据柯桥特大桥竣工图提供的地质资料，考虑不同的土体分层厚度和重度，并考虑既有杭甬高铁桥墩初始应力场的影响。

(2)连续介质的模拟：有限元数值计算中土体采用“莫尔-库伦(M-C)”土体弹塑性模型，杭甬高铁桥桩基础采用线弹性桩单元模型，同时建立摩擦界面单元(考虑了土体和桩结构之间的相互作用)；Midas/GTS中3D桩单元能与土体自动耦合，能模拟土体和桩之间相互作用。

(3)边界条件的模拟：计算土体的底面约束竖向z位移，侧面分别约束横向x、纵向y位移，地表为自由面；铁路桥桩基础约束z方向的转角。

(4)施工阶段的模拟：通过有限元软件的“激活单元、钝化单元”模拟新建城际轨道路基桩板结构或桥梁结构的恒载，以及运营列车荷载对既有柯桥特大桥基础112号～114号墩桩基础的影响。整体计算模型如图4、图5所示。

图4　新建桩板结构有限元模型

图5　新建桥梁结构有限元模型

4.2计算结果4.2.1桩板结构

(1)沉降

新建城际轨道交通桩板结构引起柯桥特大桥112号～114号墩桩基沉降量最大值分别为3.0、3.7、2.5 mm。基础沉降计算结果见表2。

表2　柯桥特大桥墩墩顶沉降值　mm

(2)单桩承载力

从工况2～工况6阶段，新建城际轨道交通桩板结构施工后，杭甬高铁柯桥特大桥112号、113号、114号桩基轴力与容许承载力结果见表3。

表3　单桩承载力　kN

4.2.2桥梁结构

(1)沉降

新建城际轨道交通桥梁结构引起柯桥特大桥112号～114号墩桩基沉降量最大值分别为3.4、4.1、2.5 mm。基础沉降计算结果见表4。

表4　柯桥特大桥墩墩顶沉降值　mm

(2)单桩承载力

从工况2～工况6阶段，新建城际轨道交通桥梁结构施工后，杭甬高铁柯桥特大桥112号、113号、114号墩桩基轴力与容许承载力结果见表5。

表5　单桩承载力　kN

4.3结果分析

(1)沉降

根据《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10621—2009)规定，墩台基础的沉降量应按照恒载计算。对于无砟轨道桥面桥梁，其墩台均匀沉降量限值为20 mm，静定结构相邻墩台沉降量限值为5 mm。

从表2和表4可知：考虑杭甬高铁自身沉降和新建城际轨道交通对其影响，无论新建城际轨道交通采用桩板结构还是桥梁结构，最大沉降量均发生在113号墩，最大沉降量分别为14.4 mm 及14.8 mm；相邻墩台最大沉降发生在113号墩和114号墩之间，最大沉降差为分别为1.4 mm及1.8 mm。相邻墩台之间沉降差均小于5 mm，墩台最大沉降量小于20 mm，满足《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10621—2009)规范要求。

(2)单桩承载力

从表3和表5可知：无论新建城际轨道交通采用桩板结构还是桥梁结构，由于附加应力的影响，柯桥特大桥112号墩～114号桥墩桩基轴力有所增加，但均未超过其单桩容许承载力。因此，既有桥单桩承载力满足安全要求。

5结论及建议

(1)通过对既有桥桥桩沉降及承载力安全影响分析可知，新建城际轨道交通无论以路基桩板结构或桥梁结构下穿杭甬高铁时，均能满足铁路规范相关规定，两种方案均是可行的。

(2)经核算桩板结构工程造价较桥梁结构略低，但其结构桩基距杭甬高铁桥桩近，桩基在施工阶段对杭甬高铁桥桩桩周承载力影响略大。

(3)由于桥梁结构采用支架现浇法施工，施工过程中支架自重及梁体自重较大，引起既有杭甬高铁桥桩桩基沉降量也较桩板结构大。故建议在施工时采用少支架施工方法，支架基础可布置于既有桥投影面两侧并采用贝雷梁支架跨，以减小因支架搭设及梁体自重引起的土层扰动。而板桩结构桩基施工时需根据桥下净空情况及安全作业高度，可采用冲孔灌注桩，钢筋笼分节吊装焊接。

(4)新建轨道交通下穿高铁工程在施工时，仅通过理论分析仍存在一定的误差，因此现场监控量测是工程中必不可少的手段。在施工过程中，对每个测点施工前后的高程进行及时观测，以便观察各点的挠度及曲线的变化历程，以保证既有桥梁结构安全。

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Study on a New Rail Transit Project Passing bellow Existing High-Speed Railway BridgeZHANG Wen-bin

(Bridge Design Institute, China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing102600, China)

Abstract：With reference to an urban transit passing below the existing Hangzhou-Ningbo high-speed railway bridge, this paper puts forward two kinds of structure forms to pass bellow the existing railway in order to reduce the influence on Hangzhou-Ningbo high-speed rail operation. One form is the pile board subgrade and another is the simply supported girder bridge. Such finite element software as Midas/GTS pile soil interaction finite element program is employed to analyze the effect of soil disturbance on the safety of the bridge in perspective of pile foundation bearing capacity and foundation settlement. The results show that the pile board subgrade and the simply supported girder bridge are both practical to pass bellow high speed rail bridges.

Key words：Passing below high-speed railway bridge; Pile board structure; Bridge structure; Bearing capacity of pile foundation; Settlement analysis

中图分类号：U441+.7

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.018

文章编号：1004-2954(2015)05-0082-04

作者简介：张文斌(1983—)，男，工程师，2006年毕业于兰州交通大学桥梁工程专业，工学学士，E-mail：zhangwenbin@t5y.cn。

收稿日期：2014-08-15； 修回日期：2014-09-01