董云生

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600)

作为一种新型的地基处理方法，桩板结构在软弱地基土地区下穿高速铁路工程中取得了较好的实践效果。当高速铁路桥下净空满足通行高度，但不具备设置桥梁条件，且地质条件不宜采用路基结构下穿时[1]，铁路管理部门多建议采用桩板结构方案下穿。因此，桩板结构施工对高速铁路桥梁的影响研究具有重要意义。随着高速铁路和公路交通的不断发展,涉及高速铁路的立交工程越来越多,研究道路施工过程对临近高铁桥梁的变形影响,对维护高铁运营安全和满足轨道平顺性要求非常重要[2-3]。

以台州市和合大道工程下穿在建杭绍台铁路椒江特大桥为依托，运用有限元分析软件对桩板结构施工对高速铁路桥梁的影响进行分析，对高铁桥墩顶位移及其桩基承载力进行检算。

1 工程概况

杭绍台铁路为高速铁路，设计行车速度350km/h，于DK212+060处上跨椒江。椒江特大桥为(84+156+480+156+84)m连续钢桁斜拉桥，且为四线桥，线间距为(5.3+5+5.3)m，有砟轨道，位于直线及1.3‰、-1.3‰的纵坡上。和合大道采用桩板结构从椒江特大桥第51#～52#桥墩间穿越，桥墩为四线圆端形空心桥墩，51#号墩采用16根直径Φ2.0m钻孔灌注摩擦桩基础，设计桩长为75m，52#墩采用12根直径Φ2.0m钻孔灌注摩擦桩基础，设计桩长为79m。52#墩与53#墩之间采用32m简支箱梁，53#墩与54#墩之间采用24m简支箱梁。

和合大道新建桩板结构设置为三联，跨径具体布置为(3×10)m+(4×10)m+(3×10)m，总长101m。横向分四幅，左右幅主路机动车道各为一幅，左右幅两侧辅路机动车道、非机动车道及人行道共用一幅，共四幅，每幅之间设2cm断缝。上部结构承载板厚0.8m，采用C40钢筋混凝土；桩基采用Φ1m钻孔灌注桩，桩间距3.5～4.0m，采用C30水下钢筋混凝土。基桩长度在48～58m范围内。

下穿杭绍台铁路处地质从上到下依次为：杂填土、淤泥、粉质黏土、细圆砾土、含砾粉质黏土，其中淤泥层厚度约27m，地质条件相对较差。

桩板结构左幅人行道栏杆外侧距离杭绍台铁路51#桥墩最小距离为5.53m，右幅人行道栏杆外侧距离杭绍台铁路52#桥墩最小距离为4.36m；桩板结构桩基中心距离杭绍台铁路51#桥墩桩基中心最小距离7.52m，距离杭绍台铁路52#桥墩桩基中心最小距离8.12m；桩板结构距杭绍台铁路梁底约为40m。和合大道桩板结构与椒江特大桥的相对位置关系，见图1、图2。

图1 和合大道与椒江特大桥平面位置关系(单位:cm)

图2 和合大道与椒江特大桥立面位置关系(单位:cm)

2 有限元数值模拟

2.1 模型建立

根据专项设计及地勘报告等资料，利用MIDAS GTS NX软件建立三维有限元数值分析模型。在三维建模中，计算区域主要根据新建桩板结构与既有桥梁的位置关系，并满足一定边界效应的要求来确定。在本模型中，为满足桥梁施工的边界效应，三维数值模型整体尺寸为350m(x)×300m(y)×200m(z)。

本模型采用位移边界条件：侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取为自由边界。土体强度准则为Mohr-coulomb准则，采用实体单元模拟，土层计算参数结合本工程地质勘察报告和相关的工程经验进行取值，得到计算模型如图3和图4所示。依据《城市桥梁设计规范》[4]CJJ 11—2011，城-A级车道荷载的均布荷载标准值取为10.5kN/m。

图3 整体有限元模型

图4 有限元模型局部

2.2 施工过程模拟

施工过程分析步骤为：初始化地应力场、高铁施工阶段、位移清零、桩板结构桩基施工、承载板施工、道路运营[5-6]。具体模拟过程见表1。

表1 施工工序

2.3 数值模拟计算结果

2.3.1高铁桥墩的变形

通过数值模拟，得到和合大道施工过程对杭绍台铁路椒江特大桥51#～54#桥墩及承台的影响(桩板结构桩基施工及承载板施工)，主要包括横桥向位移(模型y方向)、顺桥向位移(模型x方向)以及竖向的沉降(模型z方向)，和合大道施工阶段铁路桥梁墩台的位移云图如图5所示。为避免冗余，运营阶段的计算结果详见表2和表3。

图5 施工阶段墩台位移云图(单位：mm)

表2 施工阶段墩台位移计算结果 mm

表3 运营阶段墩台位移计算结果 mm

表2表明，和合大道桩板结构施工过程引起的高铁墩顶最大竖向位移0.8542mm，位于52#墩，满足30mm的控制限值要求；高铁墩顶最大差异沉降0.5531mm(52#和53#墩之间)，满足15mm的控制限值要求；高铁墩顶最大顺桥向位移1.8363mm，位于52#墩，满足24.5mm的控制限值要求；高铁墩顶最大横桥向位移0.1393mm，位于52#墩，最大横桥向位移差0.0928mm(52#和53#桥墩之间)，满足12mm的控制限值要求[7]。

表3表明，道路运营阶段引起的杭绍台铁路墩顶最大沉降为0.2052mm，最大顺桥向位移为0.4354mm，最大横桥向位移为0.0339mm，均满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB 10182—2017)关于有砟轨道墩台顶位移限值(3mm)要求。

2.3.2桥桩承载力

针对施工及运营期间产生的附加力，重新检算桥梁桩基单桩承载力并检算其配筋，检算结果如表4所示。

由表4可知，和合大道施工完成后，51#～54#墩桩基单桩承载力均小于单桩容许承载力。

表4 单桩承载力对照表

3 结论

以和合大道下穿杭绍台铁路专项设计方案为基础，通过理论分析和数值计算，并结合现有设计、施工经验，对设计方案进行了研究，可以得出以下主要结论：

(1)和合大道桩板结构施工过程引起的高铁墩顶最大竖向位移0.8542mm，满足30mm的控制限值要求；高铁墩顶最大差异沉降0.5531mm，满足15mm的控制限值要求；高铁墩顶最大顺桥向位移1.8363mm，满足24.5mm的控制限值要求；高铁墩顶最大横桥向位移差0.0928mm，满足12mm的控制限值要求。

(2)和合大道施工完成后，51#～54#墩桩基单桩承载力小于单桩容许承载力。

(3)道路运营阶段引起的杭绍台铁路墩顶最大沉降为0.2052mm，最大顺桥向位移为0.4354mm，最大横桥向位移为0.0339mm，均满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB 10182—2017)关于有砟轨道墩台顶位移限值(3mm)要求。

对采用桩板结构下穿高速铁路方案的分析方法和思路，可为类似工程提供了参考。