新建公路对下穿既有高铁桥墩变形的影响研究

新建公路对下穿既有高铁桥墩变形的影响研究

张威

中铁上海工程局集团第五工程有限公司 广西 南宁 530000

摘要：中国客运和货运总量正在逐年增长，对路网的需求也逐年提高，同一区域内单一交通运输方式已不能满足发展的需要，各类交叉穿越工程会不断涌现。国外对于公路与高速铁路之间交叉工程研究较少，更多研究倾向于隧道、基坑等对既有线路的影响。国内对公路、铁路交叉工程研究相对较多。通过研究发现，地下工程施工过程会对周围土体产生扰动，导致不同程度的地层位移和地层变形。总而言之，有关交叉穿越线性工程的变形机理和安全性在国内外已有了一定规模和深度的研究。但公路、铁路交叉工程往往存在地形条件复杂、穿越工程距铁路桥墩过近等工程问题，针对这些复杂地形条件和工程条件的交叉工程，国内外还缺少相关的研究。工程条件复杂的交叉工程，采取特殊工程措施后，对于工程全周期变形机理的研究就更是少之又少。因此，针对特殊工况下公路、铁路交叉工程全周期变形机理的研究非常重要。

关键词：公路;高铁桥墩;变形;影响

引言

随着经济的高速发展，我国公路交通与铁路交通日益发达，新建道路与高速铁路的交叉越来越多。新建道路工程与高速铁路的交叉点是影响高速铁路运营安全的一个重要因素。新建道路的路基路面填筑、施工期间的荷载及通车后的车辆荷载，会增加桥墩桩基的侧向土压力，不利于结构整体受力状况，且将导致地基发生大于邻近高铁桥墩桩基的沉降变形，使得桩基产生负摩擦阻力，降低桩基承载力，增加桥墩的沉降变形，影响线路的平顺性；同样新建道路路基开挖引起的土体应力释放，会减少桥墩桩基侧向土压力，造成桥墩桩基的侧向变形及差异沉降，不利于结构的安全。因此，交叉点的设计与施工十分重要。我国铁路相关部门制定了相关的文件，对下穿既有高铁的道路工程设计、施工及管理提出了严格的要求。但是对于下穿在建高铁道路的设计、施工及管理，目前未有规范规程明确规定，若采用同下穿既有高铁一样的标准来设计既不经济，也不合理。

1桥墩变形的监测方式

为了满足高铁桥墩高精度变形监测的要求，在仪器设备方面选用测角和测距精度分别为±0．5″和±0．6mm+1ppm的徕卡TS50高精密测量型机器人，该机器人具有自动目标搜索和测量功能，可以有效减小手动校准误差的影响，同步实现水平位移和垂直位移监测。为避免影响均方根误差，按规定必须建立观测墩，并配备对中的强制作用设备，但考虑到施工周期短，观测墩无法长期静态稳定，以及监测期间高速铁路线路震动和大型设备开挖的持续影响，采用基于后方交会原理的自由设站法，通过自由设站法实现观测墩的定位每次观测。采用正反转镜观测法观测两次测量，角度同测，基于极坐标法同步确定监测点的三维坐标。为减轻温度、压力等环境因素对仪器测量定位精度的影响，应考虑季节和天气等因素，根据观测频率选择观测周期，并配备温度计和气压计，对温度、压力和湿度进行观测和校正。此外，为了便于分析不同时期的监测数据，有必要根据铁路的走向建立一个独立的坐标系。

2有限元数值模拟分析桥墩变形

2.1假定条件

（1）研究对象是下穿公路施工全周期对既有高铁桥墩的影响，主要以桥墩的位移变形体现。该段桥均为连续梁结构形式，桥墩位移过程中梁板不对桥墩产生扭转和剪切的内应力，因此，在计算过程中将桥的梁板及其上的车辆、行人等荷载简化以均布附加荷载的形式施加在桥墩墩顶。

（2）将桥墩、桥台、挡土墙内部复杂配筋简化，根据配筋情况给出综合材料参数。

（3）将桩的形状简化为线性，采用植入式桩单元进行模拟。

（4）将复杂的地层形状简化，按照地层的平均厚度划分地层。

2.2设计阶段的荷载因素

高速铁路为了保证运营速度达到设计的目标，其对桥墩的沉降值、碰撞性能等要求较高，当新建公路下穿高铁时，汽车荷载、路基填土及汽车撞击力都会引起桥墩桩基的土压力发生变化，进而影响桥墩的稳定性。首先共同荷载会对桥墩产生侧向土压力，由于桥墩可以简化为固定端，因此侧向土压力将会在桥墩底部形成弯矩作用，造成桥墩的受力状态发生改变，进而引起桥墩变形。其次共同荷载会对桥墩的桩侧土体产生竖向作用力，当附加竖向力过大时，桩侧土体会向下沉降，进而对桥墩桩基产生负摩阻力，从而造成桩基的承载力降低，影响桩基的受力性能，桥墩可能产生位移变形影响高铁行车安全。当新建公路等级较高时，公路的设计速度和汽车的行驶速度较大，汽车撞击桥梁桥墩顺行车方向撞击力为1000kN，横行车方向撞击力为500kN，一旦快速行驶的汽车撞到高铁桥墩，巨大的冲击力将会对桥墩产生不可逆的破坏，高铁桥墩势必产生变形，影响铁路运营安全。

2.3模拟执行过程

从施工阶段分析出发，对整个桥梁和地面的三维实体有限元建模进行数值模拟计算，主要计算过程简化如下:

（1）初始应力场模拟:根据现有高铁资料，考虑不同的土体分层条件和重度，同时考虑现有桩对初始应力场的影响。

（2）连续介质仿真:中土体采用修正“摩尔－库伦”土体弹塑性模型，使用梁单元建立桩基础，通过公共节点将桩单元连接到土体。

（3）边界条件模拟:横桥的z、y、x垂直位移限制在计算的地面主体的底面，纵桥的y、x垂直位移限制在两侧，曲面是自由的。

（4）施工阶段模拟:通过有限元软件激活钝化单元模拟开挖、填方厚度和道路运营对现有桥梁基础的影响。总共有七个构造过程。作业只考虑道路荷载的影响。

2.4计算工况

以采取支护措施与不采取相应支护措施两种工况，分别建立模型，每个工况又按照工程实际情况划分阶段进行模拟。

（1）采取支护措施工况：桥梁现状阶段、边坡土开挖阶段、支挡部分土体开挖阶段、挡土墙施工阶段、工后运营阶段。

（2）不采取支护措施工况：桥梁现状阶段、工后运营阶段。

2.5有、无防护工程措施结果对比分析

通过对有防护工程措施和无防护工程措施下该公路、铁路交叉穿越工程数值模拟计算结果的分析可知：当该工程不采用防护工程措施时，新建公路的施工和工后运营对周边土体造成的扰动较大，边坡土体变形较大，对桥墩造成偏压，直接导致桥墩发生不均匀沉降和大幅度位移变形。在没有防护工程措施的情况下，新建公路施工及工后运营对周边土体影响的范围也大幅度扩大，尤其是桥墩，受边坡土体变形的影响，也产生了较大的沉降、位移变形。采取开挖整平、设置挡土墙等措施后，非常有效地减少了施工及运营过程中对高铁桥墩产生的沉降及位移变形。防护工程措施对该新建公路右半幅影响较大，位于该新建公路填方段右侧的土体及高铁桥墩采取防护工程措施前后的位移变形量变化明显，尤其是距新建公路最近、受公路施工影响最大的桥墩在采取防护工程措施后，沉降量、横向位移量、纵向位移量与不采取防护工程措施时相比，降低幅度达60%～90%。

结束语

由于高速铁路的特殊性，高铁桥墩对变形有着严格的控制要求。在新建公路下穿高速铁路的设计过程中，在净空满足要求的情况下，尽量采用桥梁下穿方案，当不得已采用路基方案时，要严格分析计算，综合考虑各种荷载因素，选择合理的施工方案。同时，为了进一步保障高铁的运营安全，应加强对桥墩的防撞保护设计、公路的交安设计、路基的排水设计等。

参考文献

[1]毕乾,燕军军,须嘉,王德文,张雪东.新建公路对下穿既有高铁桥墩变形的影响研究[J].路基工程,2021（03）:186-191.

[2]边俊良.新建公路下穿高速铁路对其桥墩的影响[J].中国公路,2021（01）:91-93.

[3]康蒙.某下穿工程基坑开挖对高速铁路桥墩变形影响分析[D].华东交通大学,2020.

[4]李悄,孟繁增,牛远志.压重顶进框构下穿高铁引起桥墩变形及控制技术[J].岩土力学,2019,40（09）:3618-3624.

[5]王加明.下穿高铁施工对既有结构物沉降影响研究[J].四川建材,2016,42（08）:173-174+176.