U型槽与支护复合结构在下穿高速铁路的运用与分析

U型槽与支护复合结构在下穿高速铁路的运用与分析

宋海波

中铁四局集团有限公司设计研究院 安徽合肥 230023

摘 要：近年来，中国高速铁路飞速发展，极大方便了旅客出行，助推中国经济社会持续健康发展。但不少城市道路路网也受到高速铁路限制，成为城市发展的瓶颈。本文以某地区道路下穿高速铁路为例，分析U型槽与基坑支护排桩复合结构在下穿高速铁路中的运用与设计。

关键词：高速铁路；U型槽；基坑支护；有限元计算

0、引言

由于高速铁路技术控制严格，在下穿高速铁路设计应选择安全可靠，对高速铁路运营影响小的结构及施工方法。目前，常见的主体结构与基坑支护结构共同作用的形式主要为单一墙、叠合墙、复合墙三种。考虑基地不均匀沉降、侧墙防水及结构整体的刚度等原因，下穿高铁多采用复合墙的形式。本文主要针对下穿高速铁路深基坑情况下，建立U型槽与支护排桩形成的复合墙结构模型，对主体结构进行分析。

1、概况

道路等级为城市主干路，设计红线宽度为33.2m。道路与京沪高铁段相交处为秦淮河特大桥，铁路里程K1027+443.99。现状京沪高铁上部为40+56+40m连续梁结构，下部为重力式实心墩，采用桩基接承台基础。

图1 平面图

2、基坑支护设计

高铁桥下U型槽基坑最大开挖深度约6.9m，基坑采用φ1.0m支护排桩，支护排桩与铁路桥梁桩基净距L≥6D，顶上设置一道钢筋混凝土顶撑，基坑中间设置一道临时钢管撑。在支护钻孔桩后施打拉森钢板桩，不拔出。钢板桩与钻孔桩间压密注浆，形成止水帷幕。高铁桥下的基坑设计，要求工程实施时对高铁桥墩的位移变化影响控制在1mm以内，设计中采用Plaxis 3D建立三维有限元模型进行计算，本文在此不做赘述。

图2 基坑模型

为控制高铁桥梁变形，基坑支护排桩自身要有足够的刚度来抵抗基坑变形。本工程基坑支护排桩按永久结构进行设计。主体结构设计时，考虑主体结构与支护排桩的共同作用。

3、U型槽结构设计

道路下穿京沪段主体结构采用U型槽结构，U型槽外墙宽0.6m，外墙高6.5m，中墙宽0.5m，中墙高2.5m，底板厚0.9m，U型槽总宽33.2m。

支护排桩间隙采用C20混凝土挂网填实。U型槽外墙与支护排桩之间设置自粘式SBS改性沥青防水卷材，U型槽与支护排桩形成复合墙结构。

图3 U型槽立面图

U型槽与支护排桩之间分离，并未采用剪力结构连接，所以需对U型槽结构单独进行抗浮验算。

故U型槽结构抗浮满足要求。

3.1计算模型假定

为了准确的建立计算模型，充分的考虑U型槽与支护排桩的共同作用，对工程实例进行分析，计算建模时提出如下假定：

（1）U型槽结构计算取纵向延米结构作为平面应变问题来近似处理，采用荷载-结构模型有限杆单元法进行计算，U型槽底板按支撑在弹性地基上的平面框架结构进行内力分析。

（2）支护排桩与U型槽结构之间布置柔性的防水材料，考虑墙面之间只传递侧向压力，而不能传递拉力、剪力、弯矩。支护排桩与U型槽结构之间采用受压连杆进行模拟。

（3）高铁桥下支护排桩受高铁桥梁变形要求，其自身的变形极小，排桩外侧采用静止土压力计算侧向土压力，计算中取静止土压力系数为0.5。

计算模型如下图所示：

图4 计算模型

3.2设计荷载及荷载组合

（1）恒载：结构构件自重、桥面铺装、土压力、浮力等。

（2）活载：活载主要为施工期间的施工荷载及运营期间汽车荷载。

（3）荷载组合

荷载组合按《铁路桥涵设计规范》（TB 10002-2017）第 4.1 条及《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB 10092-2017）第3.2.3条执行。分别按允许应力法对U型槽角点、底板进行验算。

图5 受力简图

3.3结构计算

结构计算主要考虑两种工况，一种工况为满水工况，即主体结构处于最高水位中，另一种工况为无水工况。

（1）满水工况：U型槽外墙承受静水压力，支护排桩承受水土分算的静止土压力及超载，底板承受相应的水压力（浮力）。

（2）无水工况：支护排桩承受水土合算的静止土压力及超载，U型槽外侧完全由支护排桩传递侧向压应力。

对以上两种工况采用有限元软件进行计算，弯矩如下所示：

图6 弯矩图

经过计算，在满水工况中，U型槽需要单独承担水压力，支护排桩仅分担水土分算的静止土压力和超载；在无水工况中，支护排桩与U型槽共同作用承担水土合算静止土压力和超载，所以U型槽结构应按满水工况受力情况进行结构配筋设计。

4、结构计算对比

设计中为了模型简单，通常将支护结构按临时结构进行设计，计算U型槽时不考虑支护结构的作用，U型槽单独受力。下面对U型槽单独受力进行计算建模。

支护结构仅作为基坑开挖时承担基坑变形的临时结构，运营阶段侧向荷载全部由U型槽承受，即U型槽外墙需要承受水土分算的静止土压力、水压力及超载。对U型槽采用采用有限元软件进行计算，弯矩如下所示：

图7 对比弯矩图

对以上两种支护结构作用方式进行对比，如下表：

U型槽与支护排桩复合墙结构，由于支护排桩自身刚度的作用，U型槽外墙内力有了明显的降低，尤其是无地下水位时，可降低约40%，大大减少了结构的配筋；U型槽底板跨度一般比较大，两种计算模型中计算相差不大，对底板的结构配筋影响相对偏小。

5、结语

本文结合道路下穿高速铁路工程的实例，研究了U型槽与支护排桩形成的复合结构在下穿高铁中的运用，将U型槽与支护排桩之间模拟受压连杆连接，采用有限元软件建立了平面荷载-结构框架模型，分析了主体结构的受力情况。通过U型槽与支护排桩复合结构、U型槽单独受力结构两种模型的计算对比，U型槽与支护排桩复合结构更充分的利用了高铁基坑支护结构的刚度，整体受力分析更加合理，结构设计更加经济！

参考文献：

[1] 铁路桥涵设计规范（TB 10002-2017）．

[2] 铁路桥涵混凝土结构设计规范（TB 10092-2017）．

[3] 建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-2012）．

[4] 铁路工程设计技术手册：混凝土桥．中国铁道出版社，1997．

[5] 唐继舜．铁路桥梁．中国铁道出版社，2011．

[6] 李志业．地下结构设计原理与方法．西南交通大学出版社，2003．

作者简介：宋海波（1987-），工程师，主要研究方向为铁路、桥梁设计。