公路路基下穿公鐵合建橋梁影響分析及處置措施

王子挺

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

引言

近年來,隨著我國城市的發展,越來越多的城市道路下穿既有鐵路,由此引發了一系列工程問題,已有學者開展相關研究。 孟繁增分析新建公路下穿既有高速鐵路橋時地面隆起變形[1];陳剛采用有限元法研究道路設計方案在實施過程中對城際鐵路橋梁的影響,并提出3 種不同的處理方案[2];劉長偉分析CFG 樁復合地基施工及運營對既有橋墩和樁基的影響[3];李永奎分析路基填筑施工和安全運營2 個階段下墊層厚度對CFG 樁和既有橋梁樁基的力學特性影響[4];楊學林對某高速公路樁板結構下穿運營高鐵橋梁進行可行性研究,分別采用仿真分析和施工階段現場監測來證明方案的可行性[5];湛敏研究不同公路下穿方案對高鐵橋梁的影響,提出橋梁結構、樁板結構和“路基+U 形槽”復合結構3 種方案,并進行經濟技術比選[6];姜海君采用MIDAS-GTS 有限元軟件建立三維空間模型,模擬下穿工程施工過程對既有鐵路橋梁變形的影響[7];邊俊良分析新建公路下穿高速鐵路對其橋墩的影響[8];STEWART 研究路基堆載對附近橋墩的作用[9];MIAO研究橫向荷載作用下樁身的變形以及內力變化[10];常瑞祥分析下穿樁板結構對鐵路橋梁的影響[11];辛建分析下穿鐵路路基對公路橋梁的影響[12];楊申分析新建高速鐵路下穿既有公路橋梁防護方案研究[13]。 另外,還有一些研究集中于隧道盾構及明挖對鐵路橋梁的防護措施及影響分析[14-17]。

由于鄰近公路和鐵路施工的標準不同,新建公路路基對城際鐵路的影響按照TB10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》的要求,即墩臺頂位移橫向不超過2 mm,縱向不超過2 mm,豎向不超過2 mm[18];路基對公路橋的影響需滿足JTGT H21—2011《公路橋梁技術狀況評定標準》的要求,即均勻總沉降值不超過cm,墩頂水平位移不超過cm(L為計算跨度)[19]。 以某公路路基下穿既有公鐵合建橋梁為工程背景,采用彈塑性三維有限元法對新建路基下穿既有公鐵合建橋梁進行分析,并根據分析結果做出處置措施比選,確定最優處置措施。

1 工程背景

某新建公路涉鐵段為環山路,設計荷載為城-A 級,下穿公鐵合建橋梁。 鐵路橋為雙線城際鐵路,設計速度為160 km/h,無砟軌道;公路橋設計速度為100 km/h,公路-Ⅰ級荷載。 共有2 處下穿點,下穿點①附近為鐵路橋17 號墩~18 號墩,橋梁為連續剛構橋;公路橋左幅52 號墩~53 號墩、48 號墩~49 號墩橋梁為簡支箱梁橋。 下穿點②附近為鐵路22 號墩~23 號墩,橋梁為連續剛構橋;公路橋左幅58 號墩~59 號墩、54 號墩~55 號墩為連續剛構橋,其中,18 號墩為明挖基礎,其余為樁基礎。下穿點地下巖層主要為第四系人工填土、第四系海陸交互堆積層淤泥、粗砂和燕山期侵入花崗巖。 新建公路下穿公鐵合建橋梁平面示意見圖1,新建公路下穿公鐵合建橋梁立面示意見圖2。

圖2 新建公路下穿公鐵合建橋梁立面示意(單位:mm)

2 公路路基方案

2.1 計算原理

由于城際鐵路鋪設無砟軌道,且高速行駛的列車對軌道平順性要求較高,所以對橋梁結構變形要求較高。 橋梁結構的變形及受力需滿足鐵路規范要求。 公路路基對鐵路橋梁影響為較弱土層在路堤堆載以及運營道路荷載作用下產生沉降和側向擠壓,路基堆載對樁基礎作用示意見圖3。

圖3 路基堆載對樁基礎作用示意(單位:mm)

2.2 設計方案

環山路標準寬度為8 m,斷面布置為2 m 人行道+6 m 機動車道。 路基結構從下到上分別為0.5 m 石屑墊層、1.5 m 泡沫輕質土和路面結構層3 部分,坡度為1 ∶1.5。 下穿點①距離鐵路17 號墩為37.3 m,距離18 號墩為7.1 m,下穿點②距離鐵路22 號墩為5.4 m,距離23 號墩11.3 m。

3 路基下穿影響分析

3.1 模型建立

由于2 處下穿點的地質條件差異較大,且相距較遠,所以2 處下穿點應分別分析。 采用有限元軟件MIDAS GTS/NX 進行分析,下穿點①和下穿點②的土層、路基和墩梁均采用實體單元,樁基采用梁單元;土層采用Molar-coulomb 模型,墩梁以及樁基采用彈性模型,土層底面為三向約束,側面為單向約束,頂面自由,新建公路下穿公鐵合建橋梁下穿點①有限元模型見圖4,新建公路下穿公鐵合建橋梁下穿點②有限元模型見圖5。

圖4 新建公路下穿公鐵合建橋梁下穿點①有限元模型

圖5 新建公路下穿公鐵合建橋梁下穿點②有限元模型

下穿點①和②處土層參數取值見表1。

表1 下穿點①和點②處土層參數取值

計算運營期下穿道路對既有橋梁的影響,荷載包括路基自重,運營期道路活載。 車道荷載為:均布荷載集中荷載施加在距離鐵路18 號墩最近處。

3.2 結果分析

下穿點①的鐵路墩17 號墩和18 號墩頂最大水平位移分別為2.27 mm 和2.39 mm。 公路墩48 號墩、49 號墩、52 號墩和53 號墩的最大墩頂水平位移分別為17.11,16.69,0.55,17.68 cm,見圖6、圖7。 公路墩為簡支梁橋墩,位移由墩底至墩頂呈現出線性增加趨勢。 在實際施工時,需增加對剛構橋整個墩身的監測。

圖6 鐵路17 號~18 號墩、公路48 號~49 號&52 號~53 號墩水平位移

圖7 鐵路22 號~23 號墩、公路54 號~55 號&58 號~59 號墩水平位移

下穿點②的鐵路墩22 號墩和23 號墩頂最大水平位移分別為0.018 mm 和0.033 mm,公路墩54 號墩、55 號墩、58 號墩和59 號墩的最大墩頂水平位移分別為0.24,0.22,0.043,0.027 mm,見圖8。

圖8 淤泥就地固化示意(措施一)

4 處置措施比選

4.1 措施方案

對下穿點①給出2 種處置措施,第一種處置措施:在路基下方將淤泥就地固化,并在靠近橋墩基礎側設置?800 mm 間距200 mm 的水泥攪拌樁。 第二種處置措施:將路基改換樁板結構下穿鐵路橋,樁板結構的樁徑為1 m,間距2.5 m,樁端進入弱風化巖層2 m,見圖8 和圖9。

圖9 樁板結構示意(措施二)(單位:mm)

4.2 有限元實現

措施一:在路基下方就地固化淤泥,固化劑摻量影響固化土的強度,固化淤泥的壓縮模量為100 MPa[20]。

措施二:將路基填土施工改為樁板結構,樁橫向間距4.9 m,縱向間距2.5 m,?1 m,入巖2 m,板結構高2 m,采用C40 混凝土。

4.3 結果比較

計算道路施工過程中對公鐵合建橋梁的影響,主要計算結果見表2 和表3。

表2 淤泥就地固化后的墩頂位移 mm

表3 改用樁板結構后的墩頂位移 mm

由表2、表3 可知,2 種措施均能有效控制墩頂位移。 其中,措施一最大墩頂水平位移為0.35 mm,位移減少85.02%;措施二最大墩頂水平位移為0.98 mm,位移減少58.15%。 但在最終施工階段下,措施一的墩頂水平位移為0.27 mm,措施二為0.25 mm,二者相差不大,但措施一中將淤泥就地固化可以改善土層,比樁板結構對鐵路墩位移控制更有利。

分析處置后的下穿工程對既有鐵路橋的內力影響。 就地固化:考慮附加力后,鐵路17 號墩單樁力為6 449.8 kN,單樁允許承載力為7 215 kN,滿足要求;18 號墩明挖基礎的基底應力為1 045 kPa,允許應力為1 200 kPa,滿足要求。 樁板結構:考慮附加力后,鐵路17 號墩單樁力為7 090 kN,單樁允許承載力為7 215 kN,滿足要求;18 號墩明挖基礎的基底應力為1 170 kPa,允許應力為1 200 kPa,滿足要求。 兩者雖然都能滿足要求,但樁板結構施工時18 號墩基底應力接近允許值,就地固化更加有優勢。 對兩者的經濟性進行比較(見表4),就地固化具有更加優勢的經濟性,且就地固化施工更加方便,還可避免淤泥外運。

表4 經濟性比較 萬元

5 結語

(1)在未處理土層的情況下,路基下穿對鐵路橋和公路橋均有影響,會使公鐵合建橋產生較大的墩頂位移。 對于剛構橋墩來說,墩身位移為非線性,除需要關注墩頂外,墩身位移也需要進行重點監測。

(2)2 種處置措施均可以使得既有鐵路橋位移滿足規范要求,其中,措施一最大墩頂水平位移為0.35 mm;措施二最大墩頂水平位移為0.98 mm。 但采用就地固化淤泥具有更優的經濟性。

(3)由于理論計算往往與實際施工有部分出入,施工期間應進行鐵路工程施工監測,并將監測結果與計算結果對比。