新建河道下穿既有高铁桥梁安全分析

王海龙，任 科，贾 羽

（1.中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司，贵阳 550002；2.中南大学 土木工程学院，长沙 410083）

随着我国铁路建设的迅猛发展，高速铁路网络不断完善，不可避免地出现了很多铁路与铁路、铁路与道路以及铁路与河道的交叉工程[1-5]。我国大部分高速铁路是以桥梁的形成作为承载体的，因此，出现了很多新建道路、铁路以及新修河道下穿既有高速铁路桥梁的工程需求。通常高速列车运行的速度非常快，并且在正常情况下高速列车的运输是不能被中断的，因此，现行标准中对于高速铁路桥梁基础的沉降等控制标准异常严格，通常达到毫米级别[6-7]。既有高速铁路桥梁下新建道路或者河道工程，分析施工过程对既有高铁桥梁桥墩以及基础安全性与稳定性的影响成为一个新兴的研究课题。本文分析了某水系新建河道下穿既有高铁桥梁施工过程中对桥墩变形以及桩基础的桩身轴力、桩侧摩阻力等的影响，针对施工过程提出建议。

1 工程概况

某水系河道下穿既有高铁桥梁，下穿段高铁桥梁上部结构为32 m 连续预制梁，下穿桥墩为79#和80#。下穿河道施工中存在大体积土体卸载，增加了高铁桥梁安全风险。加之，目前在已运营的高铁中，有一些地方已出现邻近建筑物施工影响高铁运营安全的情况。因此，需要针对该水系新建河道下穿高铁桥梁的安全性进行评估。

2 工程地质条件

评估区域内主要地层及岩性自新至老概述如下：

1）第四系全新统冲积层（Q4al）。（1）1 黏土：黑色，硬塑，含少量铁锰氧化物，层厚1.8～6 m，平均厚4.64 m，实测标准贯入平均击数N=11 击，σ0=160 kPa，局部分布。

2）第四系上更新统冲积层（Q3al）。（1）黏土：褐黄色，硬塑，含少量铁锰氧化物，层厚13～32.3 m，平均厚23.88 m，实测标准贯入平均击数N=15 击，杆长修正后重型动力触探平均击数N63.5=8 击，σ0=200 kPa，该层广泛分布。

3）白垩系下统张桥组（K2z）。（4）2 泥质砂砾岩：强风化，棕红色，岩芯呈碎块状、短柱状，顶板埋深19～56.8 m，杆长修正后重型动力触探平均击数N63.5=12击，σ0=350 kPa，广泛分布。（3）2 泥质粉砂岩：棕红色，强风化，岩芯呈短柱状，敲击易碎，泥质胶结，层厚0.6～30.5 m，平均厚9.02 m，杆长修正后重型动力触探平均击数13 击，σ0=300 kPa，广泛分布。

3 数值计算模型及力学参数

3.1 数值计算模型的建立

为分析该水系新建河道施工对既有高铁桥梁79#和80#桥墩变形影响，同时评估施工过程中既有高铁桥梁的安全，利用FLAC3D有限元软件建立了计算模型。

模型X 轴方向长50 m，Y 轴方向长100 m，Z 轴方向长70 m。模型共有134 589 个单元，269 848 个节点，模型的边界条件为顶面自由面，两侧水平约束，底面竖向和水平向约束。

土体应力应变的本构理论采用Mohr-Coulomb 弹塑性模型，其余部件均采用线弹性模型。

计算过程中，主要考察河道施工对高铁桥梁79#和80#桥墩变形以及桩基础轴力和桩侧摩阻力的影响。因此，本项目的计算模拟工况包括：①排桩支护结构施工的影响；②U 型槽河道施工影响；③河道最高设计水位影响。

3.2 计算参数选取

参考岩土工程勘察报告，各个土层参数取值见表1。

表1 土层力学参数

混凝土的弹性模量取值见表2，混凝土泊松比采用0.2。

表2 混凝土弹性模量

4 新建道路对既有高铁桥梁桥墩稳定性影响分析

4.1 桥墩变形分析

4.1.1 排桩支护结构施工影响

排桩支护结构施工时，2 个桥墩变形量最大值见表3，变形量云图如图1 所示。由表3 和图1 可知：排桩支护结构施工阶段，79#桥墩和80#桥墩在X 方向产生的变形量最大，其次是Z 方向产生的变形量，Y 方向产生的变形量几乎为零。79#桥墩和80#桥墩产生的总变形量分别为0.319 8 mm 和0.320 5 mm，均满足TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[7]中限值（不超过5 mm）的要求，说明规范化的排桩支护结构施工不会对既有高铁桥梁桥墩的变形产生较大影响。

图1 排桩支护结构施工阶段桥墩变形量云图

表3 桥墩变形量最大值（排桩支护结构施工）mm

4.1.2 U 型槽河道施工影响

U 型槽河道施工过程中，79#和80#桥墩变形量最大值见表4，变形量云图如图2 所示。由表4 和图2 可知：U 型槽河道施工阶段，79#桥墩和80#桥墩在Z 方向产生的变形量最大，其次是X 方向产生的变形量，Y方向产生的变形量几乎为零。79#桥墩和80#桥墩产生的总变形量分别为0.372 7 mm 和0.372 0 mm，均满足TB10621—2014《高速铁路设计规范》[7]中限值（不超过5 mm）的要求，说明规范化的U 型槽河道施工过程不会对高铁桥梁的安全产生影响。

图2 U 型槽河道施工阶段桥墩变形量云图

表4 桥墩变形量最大值（U 型槽河道施工）mm

4.1.3 河道最高设计水位影响

当河道水位升高至最高设计水位，此时，2 个桥墩变形量最大值见表5，变形量云图如图3 所示。最高设计水位对桥墩变形的影响相较于排桩支护结构施工阶段以及U 型槽河道施工阶段对桥墩变形产生的影响要小很多，79#桥墩和80#桥墩产生的总变形量分别为0.130 8 mm 和0.130 4 mm，均满足规范中限值的要求。

图3 最高设计水位下桥墩变形量云图

表5 桥墩变形量最大值（最高设计水位）mm

4.2 桩身轴力分析

图4 为79#和80#桥墩角桩的桩身轴力图，图中显示：3 个模拟工况对桥墩角桩桩身轴力的影响规律基本一致，随着桩基深度的增加，桩身轴力呈现先增大后减小的变化趋势，在距离桩顶（0.28～0.34）倍桩长处的轴力出现最大值。3 个施工阶段中，U 型槽河道施工阶段对桩身轴力的影响程度最大，其次是排桩支护结构施工，而最高设计水位对桩身轴力的影响是最小的。

图4 桥墩角桩桩身轴力图

4.3 桩侧摩阻力分析

图5 为79#和80#桥墩角桩的桩侧摩阻力图，图中显示：排桩支护结构施工时，桩侧摩阻力随着桩基深度的增加先减小后基本不变，在距离桩顶0.25 倍桩长处开始出现负摩阻力；U 型槽河道施工时以及河道在达到最高设计水位时，桩侧摩阻力随着桩基深度的增加呈现先增大后基本稳定的趋势，在距离桩顶0.24 倍桩长处桩侧摩阻力由正值转变成为负值。

图5 桥墩角桩侧摩阻力图

5 结论

本文对新建河道下穿既有高铁桥梁桥墩以及桩基础的影响进行了数值分析，得出结论。

1）基于数值计算成果，该河道施工引起的既有高铁桥梁79#和80#桥墩的变形量在0.5 mm 以内，桩身轴力变比均匀，说明新建河道对高铁桥梁影响较小。

2）河道下穿施工过程中，随着桩基深度的增加，桩身轴力呈现先增大后减小的变化趋势，在距离桩顶（0.28～0.34）倍桩长处的轴力出现最大值。

3）排桩支护结构施工时，桩侧摩阻力随着桩基深度的增加先减小后基本不变，在距离桩顶0.25 倍桩长处开始出现负摩阻力；U 型槽河道施工时以及河道在达到最高设计水位时，桩侧摩阻力随着桩基深度的增加呈现先增大后基本稳定的趋势，在距离桩顶0.24 倍桩长处桩侧摩阻力由正值转变成为负值。

4）为减小河道施工对高铁桥梁桥墩以及桩基础的影响，建议选择合理的施工顺序，做到规范化施工；施工过程中的重型施工机具、施工便道、施工场地应布置于远离高铁处，避免施工期间机具撞击高铁桥墩；施工中须要采取措施，防止地下水位大面积下降；同时施工过程中加强变形监测，若桥墩基础变形在施工过程中产生突变，应立即停止施工。