李士中

（中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071）

1 工程概况

1.1 工程及水文地质情况

京杭大运河（浙江段）三级航道整治工程为陆上新建航道开挖段，该段下穿沪昆高速铁路（48+80+48）m三跨连续梁80 m 桥跨处，设计京杭大运河航道中心线与沪昆高速铁路中心线夹角为72°。设计新建三级航道，顶面宽60 m，下底宽45 m。受影响桥墩为232#和233#墩，桥墩横截面均为圆端形。桥墩高度为19.5 m，墩底尺寸为4.5 m（顺桥向）×9.0 m（横桥向），承台尺寸为14.3 m×14.3 m×3.5 m，加台尺寸为8.4 m×10.3 m×2.0 m。基础采用直径1.5 m 桩基础。桥墩处土层物理力学参数见表1。

表1 桥墩处土层物理力学参数

1.2 航道开挖和围护方案

沪昆高速铁路段航道底高程为-2.6 m（相邻铁路桥墩承台底高程约为-5.6 m），下穿沪昆高速铁路桥孔段航道开挖深度约6 m。为消减沉降影响，在沪昆高速铁路两侧各45 m 范围内，河底顺航道设置4 排φ1.2 m@1.4 m 钻孔桩，232#和 233#墩外侧顺航道各设置 1 排φ1.2 m@1.4 m 钻孔桩［1］。施工期间铁路桥墩两侧邻近的3 排防护桩采用1.0 m×1.0 m、水平间距6.0 m 钢筋混凝土横撑连接形成整体，其中河底中间一排桩和靠铁路桥墩侧一排桩之间竖向每3 m 设置1道横撑。铁路桥墩两侧2排防护桩采用1.0 m×1.0 m、水平间距6.0 m、坡率1：4 斜撑连接形成永久支护结构。航道范围内斜撑间设置1.0 m 厚钢筋混凝土底板。河底范围内地基采用密打水泥搅拌桩加固，河底中间一排桩和靠铁路桥墩侧一排桩之间河底设置1.5 m厚钢筋混凝土底板。河底中间2排桩设置1.0 m×1.0 m、水平间距不大于15.0 m 钢筋混凝土纵横锚梁，并利用斜锚梁形成“米”字形格构。河底采用0.4 m 厚混凝土铺砌，两端设置垂裙。

2 航道开挖影响的有限元分析

2.1 模型的建立

根据京杭大运河与沪昆高速铁路相对位置关系，采用有限元软件Plaxis 3D 建立三维模型（图1）进行数值计算与分析［2-3］。各土层本构模型选用弹塑性土体硬化模型，土层计算参数结合地区地质情况和特点、工程地质勘察报告进行取值。

图1 有限元计算模型

2.2 计算工况

工况1，桥墩周边围护桩施工；工况2，桥墩两侧围护桩间用钢筋混凝土横撑连接，并施工两侧基坑第一道横撑；工况3，承台上方土体开挖至设计高程；工况4，钢筋混凝土斜撑施工；工况5，两侧基坑开挖至第二道横撑底高程位置；工况6，两侧基坑第二道横撑施工，并开挖至基坑底设计高程；工况7，两侧基坑钢筋混凝土底板浇筑；工况8，中间河道开挖至设计高程；工况9，拆除横撑，截断围护桩至设计高程，铺砌河床；工况10，河道通水。

2.3 计算结果分析

高速铁路桥墩位移最终会反映到轨道平顺性及其结构内力上，墩顶位移越大影响也越大，因此严格控制墩顶位移至关重要。232#和233#桥墩墩高19.5 m，基础侧向微小的位移或转角在墩顶都会引起较大墩顶位移，故控制基础侧向位移和转角同样重要。

2.3.1 桥墩竖向位移

不同施工工况桥墩竖向位移见图2。可见，工况1施工扰动桥墩周围土体，释放桥墩侧向土压力，造成桥墩沉降，桥墩竖向位移影响最大；工况3施工挖除桥墩承台顶上土体，释放承台顶原有土压力，造成桥墩上浮，并且上浮值在所有工况中产生的绝对影响最大；其后工况桥墩或上浮或沉降，但相对影响较小［4-6］。桥墩在施工过程中竖向位移整体趋势是上浮的，在工况8 施工完成后桥墩竖向累计上浮位移达到最大值。施工完成后，232#桥墩竖向位移为0.581 mm，233#桥墩为0.519 mm。

图2 不同施工工况桥墩竖向位移

2.3.2 桥墩顺桥向水平位移

图3 不同施工工况桥墩顺桥向水平位移

不同施工工况桥墩顺桥向水平位移见图3。整个施工过程工况3时桥墩顺桥向水平位移最大，2个主墩均向航道侧倾斜。随着施工进行，桥墩整体位移偏向趋势为向基坑侧倾斜，施工过程中最大墩顶位移为1.632 mm，当航道通水运营时受水侧压力作用桥墩倾斜趋势会有所恢复。

2.3.3 桥墩横桥向水平位移

不同施工工况桥墩横桥向水平位移见图4。可见，整个施工过程对横桥向墩顶位移影响很小，主要原因是航道中心线和高速铁路线路中心线夹角72°，基坑开挖对横向造成影响很小。此外受桥墩本身结构尺寸影响，横桥向刚度比顺桥向刚度大，横桥向水平位移不是控制条件。

图4 不同施工工况桥墩横桥向水平位移

2.3.4 桥墩墩顶与承台水平位移关系

不同施工工况桥墩墩顶、承台顶顺桥向和横桥向水平位移见图5。可见，由于关联桥墩墩高较高，对基础变形敏感，墩顶水平位移主要受基础水平位移影响，对于基础转角产生的墩顶位移占比较小。

图5 桥墩墩顶与承台水平位移

3 结论

1）围护桩施工对既有桥墩两侧土体扰动较大，影响桥墩承载力，进而导致桥墩沉降，但沉降值在可控范围内。承台顶土体开挖减少了承台顶压力，导致桥墩上浮，上浮值在整个施工过程中是最大的，从累计值分析，整个沉降（上浮）值在规范容许范围内。

2）从单个工况分析，基坑开挖影响最大，尤其是对桥墩顺桥向位移，因此增加顺桥向整体刚度，对减小桥墩变形是必不可少的。在单个桥墩两侧共施打3 排围护桩，设置混凝土横撑来增加刚度的措施是合理的。从10个工况累计值分析，通航前桥墩墩顶顺桥向水平位移最大，达到1.632 mm；通航后桥墩墩顶顺桥向水平位移有所减少，最大为1.372 mm。位移累计值均满足规范规定。

3）在满足新建航道河床底防冲刷条件下，应尽量减少河床铺砌采用的混凝土用量，铺砌厚度越大对桥墩不利影响越大。或者引入轻质混凝土材料以减少因混凝土重量产生的不利影响。航道通水通航后，应尽量保持航道水位的稳定性，进而保证桥墩稳定性。