葛德書(shū)

(遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽(yáng)市 110006)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有的城市交通網(wǎng)絡(luò)已不適應(yīng)發(fā)展需求，尤其是既有鐵路限制了城市發(fā)展布局，需采用上跨或下穿方式實(shí)現(xiàn)鐵路兩側(cè)的連通。受城市發(fā)展規(guī)劃及周邊建筑物等的限制，框構(gòu)橋、U型槽等下穿方案更為符合實(shí)際需求，但框構(gòu)橋、U型槽的修建會(huì)對(duì)既有鐵路路基或橋梁產(chǎn)生不利影響，為確保既有鐵路線路的安全運(yùn)營(yíng)，使用科學(xué)方法分析其影響成為項(xiàng)目決策的前置條件。通過(guò)實(shí)證研究，為同類(lèi)工程提供借鑒。

1 工程概況

焦作市東海大道位于焦作市城區(qū)東部，道路呈南北走向，北起焦輝路(國(guó)道207)，南至S104(國(guó)道327)，線路全長(zhǎng)20.08km，規(guī)劃為城市主干路，是焦作市規(guī)劃三環(huán)路的重要組成部分，承擔(dān)焦作市的貨運(yùn)交通和過(guò)境交通。道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為四幅路型式，具體斷面布置形式為：5m人行道及非機(jī)動(dòng)車(chē)道+4.5m邊綠化帶+15m機(jī)動(dòng)車(chē)道+7m中央分隔帶+15m機(jī)動(dòng)車(chē)道+4.5m邊綠化帶+5m人行道及非機(jī)動(dòng)車(chē)道。

東海大道于K6+852處與鄭焦鐵路交叉，鄭焦鐵路里程K58+974.4，交角為86.1°。于K6+822.7處與既有新焦線交叉，既有新焦線里程K0+842.7，交角為85.3°。既有新焦線為雙線電氣化鐵路，軌道為60kg/m鋼軌，無(wú)縫線路，Ⅲ型鋼筋混凝土軌枕(1667根/km)。既有新焦線為繁忙鐵路干線，工程位于修武-待王區(qū)間，該區(qū)間每日開(kāi)行客車(chē)5對(duì)，貨車(chē)142對(duì)，其中旅客列車(chē)最高時(shí)速120km/h?？蚣軜蛱幮陆股闲蠯47+717.2位于直線段，線路縱坡為焦作方向(大里程方向)3.6‰的上坡，新焦下行K47+717.2位于直線段，線路縱坡為焦作方向(大里程方向)3.9‰的上坡。

東海大道下穿既有新焦線采用框架橋頂進(jìn)施工，既有新焦線框架橋工作基坑位于既有新焦線北側(cè)，基坑外緣至鄭焦鐵路距離約40m，且中間相隔既有新焦線鐵路路基，東海大道下穿鄭焦鐵路采用U型槽。新焦鐵路、鄭焦鐵路、框構(gòu)橋及U型槽的平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1，立面位置關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖1 新焦鐵路、鄭焦鐵路、框構(gòu)橋及U型槽的平面位置關(guān)系圖(單位：m)

圖2 新焦鐵路、鄭焦鐵路、框構(gòu)橋及U型槽的立面位置關(guān)系圖(單位：m)

框構(gòu)橋頂進(jìn)施工前，需于鄭焦鐵路北側(cè)開(kāi)挖工作基坑，基坑四周設(shè)置止水帷幕，并沿橋梁兩側(cè)各200m范圍內(nèi)設(shè)置止水帷幕，配合橋下注漿的方式在基坑周?chē)纬砷]合止水墻配合混凝土封底進(jìn)行止水處理。基底混凝土封底完成后進(jìn)行頂進(jìn)滑板、后背墻、后背樁及框架主體的施工?；臃浪盎靥幚硪?jiàn)圖3。

圖3 基坑防水及基地處理示意圖

設(shè)計(jì)框架橋涵共計(jì)三部分：主體采用14.5m+(18.15+18.15)m+11m三孔布置框架橋。箱體銳角為86°。工作坑設(shè)置在線路北側(cè)，由北向南頂進(jìn)施工?？蚣茼敯搴駷?.05m，底板厚為1.25m，邊墻厚為1.05m，中墻厚為1.2m?？蚣軆舾叩拇_定考慮道路使用高度、箱體加肋影響、道路縱橫坡影響、道路路面厚度、道路下埋設(shè)管線影響和頂進(jìn)誤差等因素，按7.5m設(shè)計(jì)。橋下道路使用凈高不小于5.5m，框架總高9.8m?？蚣軜蜓罔F路方向總長(zhǎng)為72.86m，沿道路中線方向總長(zhǎng)16.05m，鐵路軌底距框架頂板頂面最小距離為0.8m(含保護(hù)層厚度)[1-3]。頂進(jìn)框架橋具體尺寸見(jiàn)圖4。

注：除高程單位為m，其余單位為cm

2 施工過(guò)程

項(xiàng)目的施工可分為兩個(gè)部分，即框構(gòu)橋頂進(jìn)和U型槽施工?？驑?gòu)橋的施工工序?yàn)椋盒藿ㄖ顾∧?基坑開(kāi)挖-頂進(jìn)作業(yè)?？驑?gòu)橋施工完成后，進(jìn)行U型槽施工，為保證鄭焦鐵路橋梁的安全，U型槽施工需分為5個(gè)區(qū)域進(jìn)行，即開(kāi)挖既有橋中心位置U型槽(1區(qū)域)；開(kāi)挖完成后進(jìn)行U型槽施工，施工完成后將U槽內(nèi)填土至道路路面高程；待第一節(jié)U槽施工完成后進(jìn)行既有線左、右兩側(cè)U槽開(kāi)挖(2和3區(qū)域)，隨著開(kāi)挖進(jìn)行，在區(qū)域1已施工U型槽上壓重；開(kāi)挖完成后進(jìn)行U型槽施工，施工完成后將U槽內(nèi)填筑路面至路面高程；待1、2和3節(jié)U槽施工完成后進(jìn)行4和5區(qū)域基坑同時(shí)開(kāi)挖，隨著開(kāi)挖進(jìn)行，在區(qū)域2和3已施工U型槽上壓重；開(kāi)挖完成后進(jìn)行U型槽施工，施工完成后將U槽內(nèi)填土至道路路面高程；完成后將U型槽上壓重分批、對(duì)稱(chēng)撤下。U型槽分段方式見(jiàn)圖5。

圖5 U型槽施工方案布置圖

3 風(fēng)險(xiǎn)源分析

東海大道采用框構(gòu)橋下穿新焦鐵路，框架橋施工過(guò)程中，會(huì)對(duì)鄭焦鐵路(高速鐵路)既有橋梁結(jié)構(gòu)有一定影響。為了評(píng)估框構(gòu)橋施工方案的合理性，避免高速鐵路既有橋梁在框構(gòu)橋施工期間出現(xiàn)異常，需首先找出潛在風(fēng)險(xiǎn)源，然后針對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析研究。

經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)分析，潛在風(fēng)險(xiǎn)源為框架橋頂進(jìn)下穿既有新焦線施工對(duì)鄭焦鐵路橋墩影響。針對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)源，對(duì)框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程中由于土層受力狀態(tài)變化引起鄭焦鐵路橋梁橋墩位移變化進(jìn)行研究。

4 研究方法

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于施工和運(yùn)營(yíng)引起地層變形的預(yù)測(cè)分析方法有很多種，主要有經(jīng)驗(yàn)法、解析法、有限元法等。其中經(jīng)驗(yàn)法及解析法多是針對(duì)地下工程施工引起地層變形的情況提出，而有限元法能考慮復(fù)雜的邊界條件，模擬復(fù)雜的巖土介質(zhì)的特性，能夠動(dòng)態(tài)模擬工程的實(shí)際建造過(guò)程，模擬空間效應(yīng)和求解復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問(wèn)題[4]。本項(xiàng)目針對(duì)施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，土層受力狀態(tài)變化引起鐵路橋墩位移變化，此部分，采用PLAXIS巖土有限元軟件，模擬框架橋頂進(jìn)下穿既有新焦線施工對(duì)鄭焦鐵路橋梁的影響，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范給出評(píng)價(jià)和建議。

5 框架頂進(jìn)模型建立及計(jì)算工況分析

5.1 既有新焦線框架頂進(jìn)模型

(1)土體

綜合考慮邊界效應(yīng)及計(jì)算效率，以橋梁2號(hào)橋墩中間為中心，240m×160m×85m范圍內(nèi)土體建立模型。

(2)單元的選取

土層采用實(shí)體單元；鄭焦鐵路橋墩和承臺(tái)采用實(shí)體彈性單元；鉆孔灌注樁采用樁單元模擬；頂進(jìn)框架采用板單元模擬。

(3)邊界及荷載

土體四周邊界采用水平約束，底邊界采用豎向約束；定義改變屬性邊界條件模擬橋墩、承臺(tái)、頂進(jìn)框架在施工過(guò)程中實(shí)體屬性改變的情況；鄭焦鐵路跨東海大道成橋荷載以面壓力荷載的形式分別施加于承臺(tái)頂。

模型劃分為114497單元，162885節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型見(jiàn)圖6。

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(框構(gòu)橋)

5.2 計(jì)算工況分析

具體計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況

6 框架橋頂進(jìn)計(jì)算結(jié)果及分析

橋梁0～4號(hào)墩臺(tái)豎向位移和相鄰墩沉降差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，既有新焦線框構(gòu)橋頂進(jìn)施工會(huì)使鄭焦鐵路橋墩產(chǎn)生位移，對(duì)2號(hào)墩影響最大。在框構(gòu)橋頂進(jìn)施工過(guò)程中，2號(hào)橋墩墩頂沉降最大發(fā)生在框架頂進(jìn)后，沉降為向上1.13mm；U型槽施工過(guò)程中，2號(hào)橋墩墩頂沉降最大發(fā)生在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，沉降為向上2.16mm；全部施工完成后，絕對(duì)沉降為向上0.38mm，相鄰墩沉降差為0.19mm。

表2 0～4號(hào)墩臺(tái)豎向位移計(jì)算結(jié)果(單位：mm)

參考《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》中3.0.3規(guī)定，本項(xiàng)目高速鐵路為有砟鐵路，墩臺(tái)頂位移限值為3mm，框構(gòu)橋施工對(duì)高速鐵路橋的影響小于規(guī)范規(guī)定限值[5]。

為確保鄭焦鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，建議施工期間對(duì)既有橋梁進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合規(guī)范要求及工程實(shí)際特點(diǎn)，綜合考慮施工誤差、測(cè)量?jī)x器的監(jiān)測(cè)精度和列車(chē)行走對(duì)軌道、地面的隨機(jī)影響，確定變形控制值，建議將控制值的70%作為預(yù)警值，控制值的85%作為警報(bào)值。

7 結(jié)語(yǔ)

鐵路橋涵或公路橋涵等構(gòu)造物距頂進(jìn)法施工的框構(gòu)橋距離較近時(shí)，框構(gòu)橋的頂進(jìn)會(huì)對(duì)既有構(gòu)造物產(chǎn)生不利影響，為確保構(gòu)造物的安全運(yùn)營(yíng)，應(yīng)科學(xué)計(jì)算，以定量分析為主，定量與定性相結(jié)合，為決策者提供科學(xué)依據(jù)。