基于三维有限元的公路桥梁下穿高铁桥梁影响性分析

刘宝龙

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安,710043)

0 引言

近年来，随着高速铁路的迅速发展以及城市道路的建设，城市道路下穿高铁桥梁的工程越来越多，同时工程结构也越来越复杂。城市道路的施工会对周围土体造成扰动，引起地层变形，进而影响高铁桥桩的受力和变形，严重时还会影响高铁的运营安全。目前，对于城市道路采用路基、U 型槽、桥梁等不同形式下穿高铁桥梁已有一定的研究，而针对不同结构形式的桥梁下穿高铁桥的研究还较少。因此，有必要研究公路桥梁下穿对高铁桥梁的影响。

本文结合某城市道路工程，采用三维有限元软件，研究不同结构形式的公路桥梁下穿对高铁桥梁的影响。

1 工程概况

某城市道路在高铁某特大桥167#～168# 墩之间及168#～169#墩之间采用公路桥下穿高铁桥。高铁桥采用32+24m简支箱梁跨越公路桥，其中168#墩位于中分带，桥墩均采用矩形双柱实体墩，墩身尺寸＝3.0×6.8 m，承台尺寸宽×长×厚＝6.8×10.5×2.0m，承台接10-Φ1.0m 钻孔桩，桩长21.0m（167＃墩）、21.0m（168＃墩）、19.5m（169＃墩）。

2 根据公路桥下穿高铁桥的不同形式，分为两个方案

方案一采用简支梁公路桥，方案二采用桩板梁公路桥

方案一拟建三跨20m+30m+20m 简支梁桥，全长70m，公、铁路桥夹角65°，公路桥上净空近9m，下穿平面布置图及横断面图分别如图1 和图2 所示。公路桥桩基采用Φ1.2m 钻孔灌注桩，距高铁桥桩基最近距离约9.7m（铁路桥右侧半幅桥）和9.1m（铁路桥左侧半幅桥）。

方案二拟建六跨（2-10+2-12+2-10）m 桩板连续梁桥，全长64m，公、铁路桥夹角65°，公路桥上净空近9m，下穿平面布置图及横断面图分别如图3 和图4 所示。公路桥桩基采用Φ1.0m 钻孔灌注桩，距高铁桥桩基最近距离约6.0m（铁路桥右侧半幅桥）和6.8m（铁路桥左侧半幅桥）。

图1 简支梁公路桥下穿高铁桥平面布置图

图2 简支梁公路桥下穿高铁桥横断面图

图3 桩板梁公路桥下穿高铁桥平面布置图

图4 桩板梁公路桥下穿高铁桥横断面图

该工程所处地层从上至下依次为(1)-1 粉质黏土、(3)-1淤泥质黏土、(4)-1 黏土、(6)4-2 强风化砂岩、(6)4-3 弱风化砂岩。各土层的物理力学参数见表1。

表1 各土层物理力学参数

3 有限元模型建立

本文采用Plaxis 3D 软件对公路桥梁下穿高铁桥梁造成的影响进行分析。模型中土体采用土体硬化模型（HS 模型），土层参数见表1；公路桥梁和高铁桥梁均采用线弹性模型。

在两个方案中均模拟钻孔桩开挖（工况一）、钻孔桩完成施工（工况二）、梁体荷载及运营荷载（工况三）等三种不同工况对高铁桥墩和桩基的影响。模型对实际方案进行简化，仅模拟最不利部分，即距离高铁桥桩基最近的两排（方案一）或三排（方案二）钻孔灌注桩施工对高铁桥桩基的影响，且考虑沿铁路横向不对称施工（即单侧钻孔灌注桩施工）的影响。各工况计算模型图如图5 所示。图中X 方向为铁路横桥向，Y 为铁路顺桥向，Z 为铁路竖向。

4 下穿对高铁桥梁影响性分析

由于高速铁路对于轨道线路的平顺性要求很高，因此需要对下穿引起高铁桥梁的位移进行分析。本文主要对高铁桥墩墩顶中心位移以及距离公路桥最近的高铁桥桩基的最大位移进行统计分析。两方案中各工况施工完成后高铁桥墩墩顶中心的位移如表2 所示，桩基的最大位移如表3 所示。

（注：X 为铁路横桥向位移，Y 为铁路顺桥向位移，Z 为铁路竖向位移，即沉降）

从表2 和表3 可以看出各个工况结束后：

（1）方案二引起的高铁桥墩的沉降值均大于方案一引起的高体桥墩沉降值，这是由于方案二中的公路桩基桩间距较小，在对高铁桥墩影响较大的范围内公路桩基较多，施工引起的土体扰动较大，对高铁桥墩的沉降影响也较大；方案一中，道路施工及运营引起高铁桥墩最大附加沉降为0.45mm（168#墩），方案二中，该值为0.50mm（168#墩），两方案均不会影响高铁桥梁结构安全和运营安全，但方案一即采用简支梁公路桥对高铁的沉降影响更小。

（2）方案二引起两侧桥墩和桩基的横桥向位移、顺桥向位移较大，桥墩墩顶最大横桥向位移、顺桥向位移分别为0.35mm（167#墩）、0.75mm（169#墩）；而方案一引起中间桥墩和桩基的横桥向位移、顺桥向位移较大，桥墩墩顶最大横桥向位移、顺桥向位移分别为0.27mm、0.15mm（168#墩）。两方案均不会影响高铁桥梁结构安全和运营安全，但总体来看，方案一即采用简支梁公路桥对高铁的影响更小。

（3）下穿引起的高铁桥桩基的横桥向位移和顺桥向位移均小于高铁桥墩的位移，这是因为高铁桥墩除了因为桩基偏移而产生位移外，还会因为自身偏转而产生位移。

5 结论

表2 各工况施工完成后高铁桥墩墩顶中心位移

表3 各工况施工完成后桩基最大位移

（1）对于简支梁公路桥和桩板梁公路桥下穿高铁桥梁两种方案，采用三维有限元法建立模型，分析不同结构形式的公路桥下穿对高铁桥墩和桩基的影响。计算结果表明，两种方案均不会影响高铁桥梁结构安全和运营安全。

（2）采用桩板梁公路桥下穿引起的高铁桥墩和桩基的沉降值要大于采用简支梁公路桥引起的沉降值，表明简支梁公路桥下穿对高铁桥梁的沉降影响较小。

（3）采用桩板梁公路桥下穿引起的两侧高铁桥墩和桩基的平面位移较大，而采用简支梁公路桥下穿引起的中间高铁桥墩和桩基的平面位移较大；但总体来看，简支梁公路桥下穿对高铁桥梁的平面位移影响较小。

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